suncevo zracenje

Predrag Kolarž Diplomski rad

2

1. Karakteristike sunevog zraenja

1.1. Sunce kao izvor zraenja

Sunce je udaljeno od Zemlje oko 149.5 miliona kilometara. Temperatura

sunevog jezgra iznosi oko 15⋅106 K, a srednja temperatura površine Sunca (fotosfere)

iznosi oko 6000 K. Elektromagnetna energija, koja ukljuuje X zrake, UV zraenje, IC

zraenje, vidljivo zraenje i radio talase, koja se svakog sekunda emituje sa Sunca

iznosi 3.8⋅1023 KW. Od te ogromne energije na Zemlju padne, u proseku svega oko 1.4

KW/m2 (ukoliko se Sunce ne nalazi pod uglom veim od 30o u odnosu na zenitnu osu).

Energija koju Sunce zrai ima svoj pik na 470 nm.

Zraenje Sunca se u velikoj meri podvrgava Stefan - Boltzmann-ovom zakonu

zraenja crnog tela, tj. praktino se i ponaša kao crno telo. Ono spada u zvezde sa

izrazito stabilnim režimom zraenja tako da se ono može smatrati konstantnim.

Snaga sunevog zraenja koja pristiže u gornje slojeve atmosfere, najveim

delom prodire kroz atmosferu (sa izuzetkom relativno malog dela koji se reflektuje ili

utroši na sekundarnu emisiju atmosfere i tako transformisan emituje prema slobodnom

prostoru ili tlu). U donjim slojevima atmosfere (troposferi) dolazi do znaajnih

promena u bilansu snaga zraenja, delimino usled apsorpcije zbog prisustva

aerozagaenja (aerosola), a delimino zbog refleksije sa površine oblaka i iz drugih

razloga.

Snaga zraenja na površini tla zavisi od položaja Sunca, tj. od ugla upada

Sunevih zraka na osvetljenu površinu i od karakteristika i stanja atmosfere u okolini

obuhvaenoj horizontom nad posmatranom takom na tlu.

Opšta toplotna ravnoteža Zemlje održava se zraenjem Zemlje u slobodni

prostor Vasione, tako da se može smatrati, za duže vremenske intervale, da se energija

koju Sunce preda Zemlji zraenjem vraa u Vasionu takoe zraenjem, ali u drugoj

spektralnoj oblasti.


3

1.2. Sunev spektar

Vidljiva površina Sunca naziva se fotosfera i predstavlja oblike usijanih

gasova. Ona je glavni izvor sunevog zraenja, ima gustinu od oko 10-5 kg/m3 i

emituje kontinualni spektar. Najbliži fotosferi i najguši sloj naziva se hromosfera.

Ona ima crvenkastu boju. Trei, najvei i najrazreeniji sloj Suneve atmosfere naziva

se Suneva korona.

Elektromagnetni spektar Sunca se može prouavati raznim metodama:

ekstrapolacijom spektralnih merenja pri razliitim visinama iznad nivoa mora

(raunajui i iznad-atmosferska raketna merenja), indirektnim metodama, npr.

ispitivanjem položaja ozonskog sloja u stratosferi i razliitih slojeva jonosfere i

direktnim radio prijemom sa Sunca. Sunev spektar se obino deli na oblasti talasnih

dužina prikazanih u Tabeli 1.

Tabela 1. Spektralna raspodela globalnog sunevog zraenja, (1).

Zraenje Opseg %

<280 nm UV-C 0.0

280 nm - 315 nm UV-B 0.4

315 nm - 400 nm UV-A 5.9

400 nm - 480 nm 11.8

<480 nm - 600 nm 18.2

600 nm - 780 nm

vidljivo

22.1

<780 nm - 1400 nm 30.8

1400 nm - 3000 nm infracrveno

10.8

Sunevo zraenje koje pada na vrh Zemljine atmosfere zove se ekstraterestriko

sunevo zraenje. Oko 99 % sunevog, ili kratkotalasnog, zraenja se nalazi u opsegu

od 300 nm do 3000 nm dok se veina terestrikog zraenja, ili dugotalasnog, nalazi u

opsegu od 3500 do 50000 nm. Deo ekstraterestrikog zraenja prodire do Zemljine

površine, dok se deo rasipa i/ili ga apsorbuju molekuli gasa, estice aerosola, kapi

oblaka i kristali oblaka u atmosferi. Pri talasnim dužinama veim od 3000 nm u

infracrvenoj oblasti sva energija se veinom apsorbuje od strane vodene pare i ugljen

dioksida u atmosferi. U ultraljubiastoj oblasti postoji granina talasna dužina od


4

približno 286 nm za zraenje koje dostiže nivo mora, a krae talasne dužine apsorbuje

ozonski sloj u atmosferi.

Terestriko zraenje je dugotalasna elektromagnetna energija koju emituje

Zemljina površina i koja se pomou gasova, aerosola i oblaka delimino apsorbuje u

atmosferi. Za temperaturu od 300 K, 99.9 % snage terestrikog zraenja ima talasne

dužine duže od 3000 nm, a 99 % duže od 5000 nm. Za niže temperature spektar se

pomera ka dužim talasnim dužinama.

Pošto se spektralna raspodela sunevog i terestrikog zraenja samo delimino

preklapa, one se vrlo esto mogu posmatrati kao razdvojene pri merenjima i raunanju.

U meteorologiji se suma oba zraenja zove ukupna radijacija.

1.3. Poreenje sunevog zraenja i zraenja crnog tela

Površina Zemlje u proseku primi oko 17 % svoje toplote direktno od Sunca, 15

% od sunevog zraenja rasutog na oblacima (difuznog zraenja) i 68 % apsorpcijom

IC zraenja emitovanog od atmosfere. Najvei deo energije apsorbuje površina, a od

apsorbovane energije 79 % se vraa u atmosferu u obliku zraenja, sa spektralnim

svojstvima odreenim lokalnom temperaturom tla. Preostali deo, od 21 %, se

transmituje u atmosferu kondukcijom i ciklusom razmene vode. Površina se može

hladiti isparavanjem vode, a toplota se transmituje u vazduh kao para koja se

kondenzuje formirajui oblak i ili kišu ili sneg.

Sunev spektar na vidljivom talasnom podruju je isti kao i kod crnog tela koje

zrai na temperaturi od 5785 K, temperaturi fotosfere sa koje se najvei deo sunevog

zraenja emituje (Slika 1,2).

Zraenje na talasnim dužinama UV i X zraenja se emituje iz spoljašnjih slojeva

suneve atmosfere, hromosfere i korone.


5

Talasna du`ina u mikronima

Plankova kriva

6000 KSunce

253 KZemlja

Grafik 2. Sunev spektar zraenja u poreenju sa energijom koju emituje crno telo na

5785 K, (2).

Daemo ukratko pregled zakona zraenja. Prvi je Kirhofov zakon zraenja koji

kaže da je odnos emitovane i apsorbovane energije nekog tela funkcija samo

temperature tela T i talasne dužine. Prema tome:

Eem / Eaps = f (λ,T),

gde je Eem vrednost energije emitovane po jedinici površine u jedinici vremena, a Eaps

je deo upadne energije koja je apsorbovana, tj. nije ni reflektovana ni transmitovana.

Crno telo apsorbuje svu energiju koja na njega pada. Ono poseduje najveu emisivnost

Grafik 1: Spektar zraenja Zemlje posmatran iz svemira prikazuje razliku izme|u reflektovanog Sunevog zraenja i zraenja planeta. Za zemlju se pretpostavlja da emituje energiju kao crno telo na 253 K, (2).


6

pri svim talasnim dužinama u poreenju sa drugim telima. Zraenje koje ono emituje

naziva se zraenje crnog tela.

Drugi Planckov zakon bavi se spektralnom energetskom raspodelom zraenja

crnog tela. Prema tom zakonu je:

1Tkch

e

dcos5

2ch

dE

−⋅λ⋅⋅

λ⋅θ⋅λ⋅

=λλ

gde je Eλ⋅dλ vrednost linearno polarizovane energije emitovne sa jedinine površine u

oblast talasnih dužina λ, λ+dλ u jedinici vremena u jedinini prostorni ugao, od strane

crnog tela u termikoj ravnoteži sa svojom okolinom, θ je ugao u odnosu na normalu

na emitujuu površinu, h je Planckova konstanta (6.626⋅10-34 Js), k je Boltzmannova

konstanta (1.3807⋅10-23 J/K), a c je brzina svetlosti (3⋅108 m/s).

Iz Planckovog zakona može se dobiti Wienov zakon pomeranja, koji glasi:

λmax=b/T

"Talasna dužina koja odgovara maksimalnoj energiji u spektru crnog tela obrnuto je

proporcionalna odgovarajuoj apsolutnoj temperaturi". Konstanta b iznosi:

b=2.8972⋅103 mK.

Ukupna energija emitovana po jedinici površine u jedinici vremena od strane

crnog tela data je Stefan-Boltzmannovim zakonom:

Eem =σ⋅T4

gde je σ=5.672⋅10-8 W/m2K4.

Temperatura crnog tela se može odrediti pomou jednog od ovih zakona.

Telo koje emituje zraenje iji je intenzitet manji nego intenzitet zraenja crnog

tela pri istim uslovima i talasnim dužinama naziva se sivo telo.

Temperatura izvedena za sivo telo po Stefan-Boltzmannovom zakonu je niža od

"realne" temperature. Temperatura odreena na ovaj nain naziva se crnom,

efektivnom ili temperaturom zraenja. Druga vrednost koja se koristi za nebeska tela

je temperatura boje i definiše se kao temperatura realnog tela na kojoj crno telo ima

odnos spektralnih gustina zraenja jednak odosu spektralnih gustina zraenja na

stvarnoj temperaturi.


7

Postoje izvesne razlike u odreivanju temperature Sunca i temperatura datih

zakonima zraenja:

• Razliite spektralne oblasti podudaraju se za razliite temperature. Npr. u

oblasti blizu 2.4 µm Sunce zrai kao sivo telo na temperaturi od 6000 K sa

emisivnošu 0.999. Izmeu 0.1 i 0.2 µm ono se ponaša kao crno telo na 4500 K, a

izmeu 4 i 10 nm zraenje odgovara crnom telu na 500000 K.

• Na Sunevom disku postoji promena temperature, vidljiva sa Zemlje.

• Sunevo zraenje se emituje istovremeno iz slojeva promenljivih debljina,

temperatura i fizikih osobina.

1.4. Koordinatni sistem Sunca kao nebeskog tela

Za bilo kakva merenja sunevog zraenja (posebno se odnosi na direktno

sunevo zraenje) ili bilo koje komponente zraenja bitno je znati položaj Sunca u

odnosu na Zemlju tj. posmatraa na Zemlji. Položaj take (Sunca) na nebeskoj sferi

odreuje se sfernim koordinatama i može se prikazati pomou horizontskog ili

ekvatorskog koordinatnog sistema. U svakom od ovih sistema položaj take odreuje

se dvema koordinatama, od kojih je jedna ugaono rastojanje u odnosu na ravan nekog

osnovnog kruga (geografska širina), a druga se rauna duž tog osnovnog kruga od

njegove odreene take (geografska dužina).

Horizontske koordinate nebeskog tela neprestano se menjaju sa vremenom, i

zavise od položaja posmatraa na Zemlji. To je zbog toga što se u odnosu na vasionu

ravan horizonta za neko mesto na Zemlji obre zajedno sa njom. U horizontskom

sistemu položaj Sunca je odreen zenitnim rastojanjem (ili njegovim komplementom -

visinom Sunca) i azimutom.

Ekvatorske koordinate su rektascenzija i deklinacija (α,δ). Ugaono rastojanje

nebeskih tela od nebeskog ekvatora naziva se deklinacija (na južnoj polovini nebeske

sfere smatra se negativnom).

Na nebeskoj sferi se za drugu koordinatu uzima rektascenzija - ugao izmeu

ravni polukruga povuenog iz svetskog pola kroz nebesko telo (deklinacija polukruga)

i ravni polukruga povuenog iz svetskog pola kroz taku prolene ravnodnevnice, koja

leži na ekvatoru (poetnog deklinacijskog polukruga). Ova taka se naziva po tome što


8

se Sunce u njoj nalazi 21. marta, kada je dan jednak noi. Rektascenzija se obeležava

slovom α i rauna se od take prolene ravnodnevnice suprotno smeru okretanja

skazaljke na asovniku, tj. u susret prividnom dnevnom obrtanju neba.

Geografsku dužinu (ugao izmeu ravni meridijana datog mesta i ravni poetnog

meridijana) i rektascenziju zgodnije je izražunavati ne u stepenima, ve u vremenskim

jedinicama, koristei se time što Zemlja i prividna nebeska sfera za 24 asa naine

jedan pun obrt od 360o. Odatle sledi:

360o=24 h; 15o=1h; 1o=4m; 15'=1m; 15''=1s

Odreenog datuma i trenutka položaj Sunca je odreen visinom i azimutom.

Visinu Sunca u nekom trenutu kada je asovni ugao jednak τ, dobijamo iz izraza:

sinh = sinφ⋅sinδ+cosφ⋅cosδ⋅cosτ

gde je:

φ - geografska širina mesta osmatraa

h - ugao visine Sunca

τ - asovni ugao sunca u datom trenutku: τ=15o⋅(PSV-12),

U trenutku gornje kulminacije Sunca, a to je u podne, kada se ono nalazi u

meridijanu i kada je τ=0 gornji izraz dobija oblik:

h=90o-φ+δ.

Azimut Sunca se izraunava pomou izraza

sinAo=cosδ⋅sinτ/cosh.

Sva merenja zraenja odnose se na lokalno vreme (Lokal Apparent Time, LAT),

odnosno "pravo sunevo vreme" (PSV, True Solar Time, TST), koje se dobija tako što

se službenom vremenu (SEV) doda popravka u minutima. Popravka zavisi od datuma i

od geografske dužine.

Intenzitet direktnog (I) zraenja na površinu normalnu na pravac prostiranja

sunevih zraka raunamo iz formule:

I=Ih/sinh.


9

1.5. Uticaj atmosfere na smanjenje snage sunevog zraenja koje pada na površinu Zemlje

Zraenje sa Sunca se pri prolasku kroz Zemljinu atmosferu menja kroz sledee

procese:

• rasejanje na molekulima vazduha i esticama mnogo manjim od talasne dužine

svetlosti Rayleigh-evo rasejanje;

• selektivna apsorpcija od strane atmosferskih gasova, posebno kiseonika, ozona,

ugljen dioksida i vodene pare;

• rasejanje i apsorpcija od oblaka

• rasejanje i difuzna refleksija na esticama reda veliine ili veih veliina od talasne

dužine svetlosti

Atmosfera kiseonikom i ozonom apsorbuje gotovo sve talasne dužine ispod 290

nm. Vidljivi deo spektra se selektivno vrlo malo apsorbuje od strane ozona, kiseonika i

vodene pare, ali se zato neselektivno apsorbuje u veoj meri prašinom i dimom tj.

atmosferskim aerosolima.

1.6. Solarna konstanta

Definiše se kao fluks energije Sunevog zraenja kroz jedininu površinu

normalnu na Sunev zrak pri srednjem rastojanju Sunce - Zemlja. Njena vrednost

iznosi oko 1380 W/m2 ili 1.98 cal/cm2/min ili 137 ergs/m2/sec i tokom vremena se ne

menja više od 0.1 %.

1.7. Standardna skala zraenja: definicija Svetske radiometrijske reference (WRR)

U prošlosti meteorolozi su koristili nekoliko radijacionih referenci ili skala:

Angstrom-ovu skalu 1905, Smithson-ovu skalu 1913, i Internacionalnu

Pirheliometrijsku skalu 1956 (IPS). Sa razvojem apsolutne radiometrije, zadnjih

godina se jako poboljšala preciznost radijacionih merenja. Koristei rezultate

uporeivanja 15 individualniih apsolutnih pirheliometara, 10 razliitih tipova,

definisana je WRR. Stare skale su transformisane u novu koristei sledee faktore:

WRR/Angstrom-ova skala=1.026

WRR/Smithson-ova skala=0.977


10

WRR/IPS1956=1.022

WRR je prihvaena da predstavlja fiziku jedinicu ukupnog ozraivanja sa

greškom manjom od ±0.3% RMS (root-mean-square, tj. koren kvadrata) merene

vrednosti.

2. Merenje Sunevog zraenja

2.1. Vrste Sunevog zraenja

Prolazei kroz atmosferu Zemlje, intenzitet Sunevih zraka slabi, a njihov

spektralni sastav se menja. Energija Sunevih zraka koja dopire do Zemljinog tla

naziva se prizemno direktno Sunevo zraenje. Ono postoji samo danju i kada ne

postoje prepreke (oblaci, aerosoli..) na putu prostiranja Sunevih zraka. Pored

direktnog Sunevog zraenja postoji i difuzno, ili rasuto Sunevo zraenje, koje dolazi

sa svih delova nebeskog svoda (vedrog neba i oblaka). Pored stanja atmosfere, difuzno

zraenje zavisi i od albeda, tj. reflektivne sposobnosti površine Zemlje. Ukoliko je

albedo veliki (npr. kada je tlo prekriveno svežim snegom), tada se sa tla odbija

nekoliko puta više Sunevog zraenja nego u obinim prilikama i rasejano od

atmosfere, ponovo se vraa na površinu Zemlje. Ukupno zraenje koje potie od

direktnog i od difuznog zraenja, i predstavlja njihov zbir, naziva se globalno Sunevo

zraenje.

Fluksevi zraenja su: Sunevo zraenje (dolazi neposredno od Sunca) i

terestriko zraenje (dolazi sa zemlje i iz atmosfere). Zbir ova dva zraenja naziva se

ukupno zraenje, fluks obe komponente koji prolazi kroz horizontalnu ravan naziva se

bilans zraenja.

Merenje flukseva zraenja koji stižu do zemljine površine deli se na 6 glavnih

kategorija:

1. direktno zraenje Sunca koje pada na ravan normalnu na pravac prostiranja

Sunevih zraka;

2. globalno zraenje koje pada na horizontalnu površinu, a koje predstavlja zbir

direktnog i difuznog zraenja u atmosferi;


11

3. difuzno zraenje, tj. zraenje rasuto u atmosferi;

4. odbijeno zraenje o površinu zemlje;

5. direktno, difuzno i globalno zraenje u odreenim spektralnim podrujima,

ova grupa sadrži kao specijalni sluaj merenje dnevne osvetljenosti;

6. cirkumglobalno zraenje, tj. zraenje koje pada na sfernu prijemnu površinu

da bi se prouili uslovi pod kojima Sunevo zraenje dostiže do izolovanog predmeta

ije granine površine nisu ravne (npr. drvo ili plod);

Dok se meteorološki instrumenti za zraenje klasifikuju na sledei nain:

Tabela 2. Klasifikacija meteoroloških instrumenata za zraenje (WMO, 1996, GUIDE, N06).

Klasifikacija instrumenta Parametri koji se mere Glavna upotreba Ugao prijema [rad]

Apsolutni pirheliometri Direktno Sunevo zraenje Primarni etalon 5x10-3

(oko 2.50 poluugao)

Pirheliometar Direktno Sunevo zraenje Sekundarni etalon

za kalibraciju Mreža

5x10-3 do 2.5x10-2

Spektralni pirheliometar

Direktno Sunevo zra. u širokim spektralnim trakama (sa OG530, RG 630,..filterima)

Mreža 5x10-3 do 2.5x10-2

Sunev fotometar

Direktno Sunevo zra u narandžastim spekt. Trakama (500±2.5 nm)

Standard Mreža

1x10-3 do 1x10-2 (oko 2.30 punog ugla)

Piranometar (difuzometri)

Globalno zraenje Nebesko zraenje Reflektovano sunevo zraenje

Radni standard Mreža

2π

Spektralni piranometar

Globalno zaenje u širokopojasnim spektralnim oblastima (OG 530, RG 630…)

Mreža 2π

Net piranometar Net globalno zraenje Radni standard

Mreža 4π

Pirgeometar

Odlazee dugotalasno zraenje (gledano odozdo) Dolazee dugotalasno zraenje (gledano odozgo)

Mreža 2π

Piradiometar Ukupno zraenje Radni standard 2π Net

piradiometar Net zraenje Mreža 4π

3. UV zraenje

UV zraenje nastaje na visokotemperaturnim površinama, kao što je Sunce, u

kontinualnom spektru i atomskim ekscitacijama pri pražnjenju gasova u cevima kao

diskretan spektar talasnih dužina. Najvei deo Sunevog UV zraenja apsorbuje

kiseonik u zemljinoj atmosferi, koji formira ozonski omota u nižoj stratosferi.


12

Osim toga što je neophodan uslov za stvaranje i opstanak živog sveta na Zemlji,

danas, osim pozitivnih efekata na prirodu i oveka, ono ima i mnogo negativnh

efekata koji mogu biti vrlo ozbiljni. Ti negativini efekti nastaju kada ozonski omota

postane suviše tanak, pa ne može da apsorbuje dovoljno UV-B zraenja koje pada na

površinu Zemlje i postaje štetno za žive organizme.

Najkrai talasi koji u optimalnim uslovima dopiru do tla su dužine 290 nm, tako

da se prizemno Sunevo UV zraenje nalazi u spektralnoj oblasti od 290 - 380 nm.

UV zraenje je podeljeno na tri podopsega:

UV-A (315 nm do 380 nm), nije bitno za biološku aktivnost, a ni koliina mu se

ne menja sa koncentracijom ozona.

UV-B (280 nm do 315 nm), biološki je aktivno i njegov intenzitet na Zemljinoj

površini zavisi od koliine ozona u atmosferi. UV-B zraenje iznosi 3 - 4 %

integralnog fluksa UV zraenja ili oko 0.1 % ukupnog fluksa globalnog Sunevog

zraenja. Male promene u ozonu mogu dovesti do velikih promena onog dela UV-B

zraenja koje dolazi do površine Zemlje.

UV-C (10 nm do 280 nm), se kompletno apsorbuje u atmosferi i praktino se ne

opaža na površini Zemlje, taj opseg se esto zove i sterilišue zraenje.

Od ukupnog Sunevog elektromagnetnog zraenja, koje stiže na gornju granicu

atmosfere, UV zraenje ini približno 7 %. Taj procenat se smanjuje prolaskom

Sunevih zraka kroz Zemljinu atmosferu.

Iako je UV zraenje koje dopire do površine Zemlje slabo, ono je ipak od velike

praktine važnosti, jer izaziva hemijske, elektrine, biološke i druge procese.

Fotohemijske reakcije, koje ono izaziva na gasovima u atmosferi, dovode do stvaranja

jonosferskih slojeva, zatim do pretvaranja O2 u O3 i stvaranja ozonoskog omotaa, a

pri Zemlji na organskoj materiji dovode do razliitih bioloških procesa. U zelenom

biljnom tkivu UV zraenje omoguava fotosintezu. Kod oveka UV zraenje izaziva

ozbiljne promene i ošteenja na koži i oima. UV zraenje usporava rast planktona i

nekih nižih vrsta vodenih organizama, bakterija i virusa, a takoe ubrzava degradaciju

materijala kao što su: plastine mase, izvesne boje, gume, papir...


13

3.1. Biološki efekat UV zraenja i njegovo dejstvo na ljude

Biološki efekat delovanja svetlosnog zraenja, nastaje kao rezultat apsorpcije

energije od strane tkiva. Elektromagnetni zraci, prolazei kroz tkivo, izazivaju njegovo

zagrevanje. Pri tome je najznaajnija apsorpcija energije zraenja, koja je izazvana

rezonantnim oscilacijama molekula, atoma i njihovih delova. Ako se frekvencija

elektromagnetnog talasa podudari sa frekvencijom rezonatora (molekula, atoma), tada

se energija elektromagnetnog talasa apsorbuje od strane rezonatora. Apsorpcija IC

zraenja (koje imaja slinu frekvencu kao molekuli tkiva) daje izraženi toplotni efekat,

što može dovesti do toplotnog ošteenja tkiva. UV zraenje se karakteriše kraim

talasnim dužinama i njihova frekvenca odgovara frekvenci delova molekula ili atoma.

Uveanje energije molekula, kao rezultat apsorpcije UV kvantova, predstavlja uzrok

fotohemijskog efekta, dovodei tako do fotohemijskog i abiotskog ošteenja tkiva. Što

se tie svetlosti vidljivog dela spektra, ona biva apsorbovana u pigmentnim

strukturama uz izdvajanje toplote i isto tako može biti uzrok abiotskog ošteenja tkiva.

Biološki efekat svetlosne energije u optikom dijapazonu, zavisi od fizikih i

hemijskih osobina tkiva. Stepen ošteenja tkiva zavisi kako od doze zraenja, tako i od

postojanja brzine reparacionih procesa u tkivu.

Radijaciono ošteenje tkiva se ne ispoljava odjednom, ve ima kumulativno

dejstvo. Dužina latentnog perioda zavisi ne samo od doze, nego i od talasne dužine

dejstvujuih zraka. Latentni period se meri minutima za infracrvene, satima za

ultravioletne, a nedeljama i mesecima za jonizujue zraenje.

UV zraenje u zavisnosti od talasne dužine može da izazove opekotine na koži

(oko 295 nm i krai od 270 nm), vrši pigmentaciju kože i stvara vitamin D (270 nm do

280 nm), spreava rast tkiva (260 nm do 280 nm), zgrušavanje belanevina (260 nm),

na bakterije i viruse najjae deluju talasne dužine od oko 255 nm.

Biološko dejstvo svetlosti na oveiji organizam zavisi od apsorpcione moi

kože i oka. Dugi talasi raspolažu relativno malom energijom i slobodno prolaze kroz

tkivo. Dugotalasni segment IC zraenja u potpunosti biva apsorbovan površinskim

delom kože. Sa smanjenjem talasne dužine penetrantna sposobnost zraenja raste,

dostižui maksimum u zoni crvene boje vidljivog dela spektra (talasna dužina 700

nm). Zatim se penetrantna sposobnost svetosti smanjuje dostižui minimum u


14

srednjem delu UV spektra (talasna dužina 290 nm), gde svega 2 % energjie prolazi

kroz epiderm na dubinu od 0.1 mm. U zoni rentgen i gama zraka, penetrantna

sposobnost elektromagnetnog zraenja se ponovo poveava.

3.1.1. Dejstvo UV zraenja na oi

Kod organa vida rožnjaa i soivo u velikoj meri apsorbuju prirodnu i veštaku

UV radijaciju. Pri tome rožnjaa upija zrake talasne dužine do 300 nm, a soivo talase

od 295 do 400 nm. Prednje-komorna tenost je praktino prolazna za UV zraenje i ne

štiti soivo.

Rožnjaa je relativno otporna na UV zraenje i u prirodnim uslovima ne strada.

Izuzetak predstavlja "snežno slepilo" (ophthalmia nivea), koje naroito nastaje u

planinama sa veitim snegom gde je nivo Suneve radijacije neobino velik.

Eksperimentalno je utvreno da prag traumatske doze za rožnjau zavisi od talasne

dužine.

Najopasnije je ošteenje endotela rožnjae zbog toga što endotelijalne elije kod

oveka ne raspolažu regenerativnom sposobnošu (starenjem se njihov broj regresivno

smanjuje).

Profesionalno ošteenje soiva izazvano višegodišnjom akumulacijom povreda

UV zracima kod lica koja se svakodnevno izlažu produženom dejstvu prirodnog ili

veštakog zraenja (mornari, zemljoradnici, radnici koji rade na planinma) nije teško

spreiti nošenjem specijalnih naoara, koje upijaju ili odbijaju UV zrake. Danas su

naoare sa UV filterima osnovni uslov po svim svetskim standardima, i svi

proizvoai naoara ih se strogo pridržavaju.

3.1.2. Dejstvo UV zraenja na kožu

U ovekovoj koži se najvei deo zraenja apsorbuje u epidermu, tj. u

površinskom sloju kože, stoga ošteenje koje je prouzrokovano UV zraenjem zavisi

ne samo od energije zraenja, nego i od propustljivosti epiderma. Dejstvo na kožu

sastoji se u pojavi eritema (crvenilo kože) i edema (otok na koži), posle nekoliko sati

od zraenja. Izvesno vreme nakon poetne upale kože ili pojave eritema, poveava se


15

koliina kožnog pigmenta ili melanina, koji služi kao zaštitini sloj protiv UV zraenja.

Koža tada potamni.

Osetljivost kože na Sunce zavisi od njene pigmentacije, tj. od koliine melanina

u epidermu. Ta osetljivost se naziva fotobiološki tip kože, postoji ukupno 6

fotobioloških tipova kože. Na našem podneblju fotobiološki tip kože je izmeu 3 i 4.

Za nastanak Sunevih opekotina presudna je dilatacija krvnih sudova koji se nalaze

upravo ispod tog površinskog sloja i ta dilatacija se manifestuje kao crvenilo kože ili

eritem.

Da bi se na prosenoj koži oveka dobila minimalna primetna eritemska reakcija,

potrebno je izložiti UV-B zraenju od 20 - 70 mJ/cm2, što je u medicini poznato kao

minimalna doza eritema (minimal erythema dose, MED). Zanimljivo je da, ukoliko bi

smo takav efekat hteli da proizvedemo sa UV-A zraenjem, trebala bi nam 600 do

1000 puta vea energija zraenja. Tabela (2) je bazirana na izlaganju od 3 MED-a

nepotamnele kože oveka, koja nije izlagana Suncu, i u njoj su dati opisi fototipova

kože i njeno ponašanje pri osunavanju.

Tabela 3. Fototipovi ljudske kože i njihova reakcija na Sunce, (3).

Fototip kože

Neizložena boja kože

MED opseg (mJ/cm2)

Osetljivost na UV zraenje Pregorevanje ili tamnjenje

I bela 15 - 30 vrlo osetljiva Uvek lako pregori, nikad ne potamni

II bela 25 - 40 vrlo osetljiva Uvek lako pregori, potamni malo uz teškoe

III bela 30 - 50 osetljiva Minimalno pregoreva, tamni postepeno i uniformno

IV svetlo braon 40 - 60 umereno osetljiva

Minimalno pregoreva, uvek dobro potamni

V braon 60 - 90 minimalno osetljiva

Retko pregoreva, obimno tamni (tamno braon)

VI tamno braon ili crna 90 - 150 neosetljiva ili

jedva osetljiva Nikad ne pregoreva, obilno tamni (crna)


16

4. Jedinice kojiima se izražava UV zraenje, javni saveti o UV zraenju i potreba njegovog merenja

Postoji više naina na koje nadležne službe pokušavaju stanovništvu, koje živi na

podruijima sa visokim stepenom UV ozraivanja, da ukažu na stepen opasnosti koji

trenutno postoji. U nekim zemljama se daju javni saveti o dužini dnevnog izlaganja

Suncu, zatim šta obui da bi se zaklonili od UV zraenja, koje zaštitne faktore da

koriste, i sl. Dugoroni cilj savetovanja o UV zaenju je da pojedinci mogu da

procene šta ta vrednost ili indeks znai za njih na isti nain kao što procenjuju

temperaturu, i da se u skladu sa tim ponašaju.

U skorije vreme mnoge zemlje su poele da obezbeuju stanovništvu podatke o

UV zraenju. Nažalost, upotrebljavani su mnogi razliiti, ponekad i konfliktni podaci.

WMO (World Meteorological Organisation) je 1994. godine preporuila da se sve

zemlje prilagode standardizovanom UV indeksu. To je bilo bazirano na kalkulaciji

vremenskog izlaganja Suncu. Izlaganje Suncu je proraunato za isto nebo i varira u

odnosu na doba dana i godišnje doba

Sunev UV indeks (Tabela 4.) je vrednost proporcionalana sunevom zraenju u

podne podeljeno sa relativnom svetlosnom efikasnošu na kožu, ukupno po svim

talasnim dužinama u oblasti UV zraenja. Izraunava se prema uputstvu koje je

preporuila WMO. Model za izraunavanje indeksa uzima u obzir sledee ulazne

parametre: totalni sadržaj ozona, oblani pokriva, nadmorska visina, dnevno i

godišnje kretanje Sunca. UV indeks je bezdimenziona skala, pomou koje osobe sa

razliitm tipovima kože i osetljivosti, mogu da uspostave odnos UV indeksa i

individualne reakcije svoje kože. Prognoze i objavljivanje dnevnih vrednosti UV

indeksa daje stanovništvu mogunost da individualno ponašanje u odnosu na Sunce

prilagodi predvienom UV intenzitetu, ime se smanjuje rizik od neželjenih posledica

sunevog (UV) zraenja.

INDEKS STEPEN IZLAGANJA 0 - 2 minimalan 3 - 4 nizak 5 - 6 umeren 7 - 9 visok 10 + ekstremno visok

Tabela 4. UV indeks i stepen izlaganja (5).


17

Problem sa konceptom vremena osunavanja je taj što je konverzioni faktor za

energiju vremena osunavanja loše definisan, i varijacije tipa kože znae da

individualno vreme osunavanja može varirati. Preporueni indeksi su bazirani na

standardima, i dati su u eritemalnim težinama ili vremenima izlaganja UV zraenju u

podne.

Jedan Wat UV zraenja po m2 (W/m2) površine na talasnoj dužini od 297 nm

naziva se "er". To je energija izražena u eritemnim jedinicama. Dejstvo UV zraenja

na kožu (doze ozraivanja) izražavaju se u milier asovima po m2 (mer⋅h/m2). Radi

dobijanja praga eritema normalne kože doza UV zraenja (biodoza) iznosi oko 80

mer⋅h⋅m-2. Ova jedinica se upotrebljava prilikom korišenja eritemnih sijalica (talasnih

dužina ispod 320 nm, koriste se u solarijumima, pri leenju nekih kožnih bolesti...)

koje deluju na ljudski organizam skoro kao i UV zraenje Sunca. Za ostale potrebe

koriste se jedinice J/cm2 ili W/m2.

5. Meusobno dejstvo UV zraenja i ozona

Zemljina atmosfera se sastoji iz nekoliko slojeva. Oblast u kojoj se atmosfera

dodiruje sa zemljom naziva se "troposfera". Njena debljina, zbog zavisnosti od

temperature, iznosi do 18 km iznad ekvatora, a iznad polova, 6 - 8 km i ona sadrži 3/4

ukupne mase atmosfere. Ovaj sloj je uzrok svih vremenskih promena kojima smo

izloženi.

Iznad troposfere, do 50 km visine, nalazi se "stratosfera". Odlikuje se

razreenim vazduhom, niskim vazdušnim pritiskom i niskim temperaturama (-40 oC

do -80 oC) do visine 25 - 30 km, a zatim visokim (+80 oC) u pojasu ozona (90 %

ukupnog ozona u atmosferi) ija apsorpcija UV zraenja dovodi do porasta

temperature. Na veim visinama, pri prelasku u stratopauzu tj. mezosferu, temperatura

opada. U tom sloju su prisutna velika vazdušna kretanja. Na veim visinama su

karakteristina razna fotohemijska dejstva na strukturu atmosfere, kao i na

temperaturu, pa dolazi do disocijacije i rekombinacije molekula i atoma, kao i do

jonizacije molekula kiseonika, azota i drugih.


18

Kiseonik u stratosferi apsorbuje srazmerno velike koliine UV zraenja. Pri tome

dolazi do disocijacije molekula kiseonika O2 (na talasnim dužinama kraim od 242

nm) na dva atoma kiseonika koji se spajaju sa molekulima O2 u molekule ozona (O3: 3

oksidni atomi).

O2+hν-→O+O

O+O2-→O3

Oni se dalje pod uticajem UV zraenja nešto veih talasnih dužina (kraih od 300

nm) ponovo dekomponuju (O3 se raspada na O2 i O):

O3-→O2+O

što dovodi do hemijske ravnoteže na tim visinama. Ozon u stratosferi formira

pokriva, koji je tanji nad tropima (oko ekvatora) i zbijeniji prema polovima.

Proporcionalno se najvea koliina ozona nalazi u stratosferi (oko 90 %) sa

maksimumom na oko 23 km nad morem na srednjoj geografskoj širini. Samo se oko

10 % atmosferskog ozona nalazi u troposferi (na visini od 0 - 10 km).

Koliina ozona iznad neke take na Zemlji meri se u Dobsonovim jedinicama

(DU).

Slika 3. Ozon iznad izvesne oblasti komprimovan na STP.

Ukupan ozon se definiše tako da bude jednak koliini ozona koja se sadrži u

vertikalnoj stubu (koloni) baze 1 cm2 na standardnoj temperaturi i pritisku (STP,

"standard temperature and pressure", što predstavlja temperatura od 00C i pritisak od 1


19

atmosfere). Može se izraziti u jedinicama pritiska, a tipina vrednost je oko 3

atmosferska centimetra. Frekventniji izraz je miliatmosferski centimetar, koji je

takoe poznat kao Dobsonova jedinica (Dobson Unit, DU). Jedna Dobsonova jedinica

odgovara prosenoj atmosferskoj koncentraciji od oko milijarditog dela zapremine (1

ppbv, part per billion by volume) ozona. Prosena koliina ozona je u opsegu od 230

do 500 Dobsonovih jedinica, sa svetskim prosekom od oko 300 DU, mada ozon nije

ravnomerno rasporeen po vertikalnoj koloni.

Jedinica se naziva po G.M.B. Dobsonu, jednom od prvih naunika koji su

istraživali atmosferski ozon (1920-1960). On je konstruisao "Dobsonov spektrometar"

- standardni instrument koji se koristi za merenje ozona sa Zemlje.

Koliina ozona koji štiti Zemlju od UV zraenja opada u proseku oko 3 % tokom

svake dekade. Ovo opadanje ne može biti opravdano prirodnim fenomenima kao što

su: kruženje Sunca, vulkanske aktivnosti ili atmosferska cirkulacija. Trošenje ozona je

primarno prouzrokovano hlorom (Cl) sadržanim u CFC-u (hlorom i fluorom potpuno

supstituisani ugljovodonici, poznatiji kao hlorofluorougljenici), sintetikim

hemikalijama koje se kao posledica industrijalizacije intenzivnije puštaju u atmosferu

poevši od 1940. godine. Te hemikalije imaju vrlo dug život u atmosferi, i kad preu u

stratosferu mogu se fotodisocirati pomou Sunevog zraenja i otpuštati hlor. Postoji

više vrsta CFC-a od kojih su najznaajniji CCl3F (CFC11), CCl2F2 (CFC12), C2Cl3F3

(CFC113), C2Cl2F4 (CFC114) i C2ClF5 (CFC115)... Ovi atomi Cl reaguju katalitiki sa

ozonom u procesu koji regeneriše Cl, tako da svaki atom može da uništi desetine od

hiljada molekula ozona (slika 4).


20

Slika 4. Šematski prikaz uništavanja ozona Cl-om otpuštenim iz CFC molekula

Svakih 1 % smanjenja ozona rezultira poveanjem od oko 1.3 % do 1.8 % UV-B

zraenja koje stiže na površinu Zemlje. Zbog toga se smatra da je stanjivanje ozonskog

sloja do sada prouzrokovalo relativno malo poveanje UV-B zraenja (280 - 320 nm)

koje stiže na Zemlju, ne raunajui oblast troposfere.

Od kraja 50 ih godina ovoga veka došlo je do poveavanja troposferskog ozona.

To poveanje je uzrokovano antropogenim emisijama kao što su azotovi oksidi i

hidrokarboni (fotohemijske reakcije). Ipak, ovo prizemno poveanje ozona ne može da

kompenzuje gubitak ozona u stratosferi.

Treba napomenuti da se atmofsera iz godine u godinu ponaša drugaije. ak iako

se isti proces koji dovodi do stanjivnja ozonskog omotaa ponavlja svake godine,

efekat koji on ima na ozon je uslovljen meteorologijom atmosfere, posebno iznad

Antarktika. Ovo je poznato kao varijabilnost atmosfere. Varijabilnost dovodi do

promena u koliini osiromašenog ozona, i vremenu kada to osiromašenje (stanjivanje)


21

poinje i kada se završava, što dodatno otežava merenja i praenje ukupnog stanja

ozona u stratosferi.

5.1. Merenje ozona i UV zraenja satelitski nošenim TOMS instrumentom

TOMS (Total Ozone Mapping Spectrometer) je spektrometar koji se merenja vrši

iz satelita i koristi se za poboljšanje globalne slike nivoa ozona, UV zraenja i aerosola

u atmosferi. TOMS instrumenti se nalaze na više satelita (Nimbus 7, Meteor 3,

ADEOS, Earth Probe) koji se nalaze na razliitim visinama u orbiti, tako da u skladu

sa atmosferskim kretanjima, mogu da vrše razliita merenja i monitoring sa mnogo

veim razlaganjem nego spektrometri koji merenja vrše sa zemljine površine.

TOMS/Earth Probe meri celokupan ozon tako što meri dolazee zraenje sa

Sunca i povratno rasuto Sunevo zraenje, posebno u UV intervalu. Povratno rasuto

sunevo zraenje dolazi do Zemljine niže atmosfere i onda se na molekulima vazduha

i oblaka rasipa i vraa kroz stratosferu do senzora satelita. Duž puta deo UV zraenja

apsorbuje ozon. Mereni opsezi talasnih dužina su centrirani na 312.5, 317.5, 331.3,

339.9, 360.0 i 380.0 nm. Prve etiri talasne dužine u veoj ili manjoj meri apsorbuje

ozon, a zadnje dve se koriste za procenu reflektivnosti. Raunati nivoi ozona se zovu

“stubovi ozona” (izraženi u DU). Poreenjem koliine rasutog zraenja u odnosu na

dolazee zraenje na identinim talasnim dužinama, naunici mogu da izraunaju

Zemljin albedo. Iz promene reflektivnosti, na odabranim talasnim dužinama, može se

izraunati koliina ozona.

5.2. Šta je uinjeno do sada

Globalni sporazum o smanjenju CFC-a usledio je Bekom konvencijom za

zaštitu ozonskog omotaa, Montrealskim Protokolom (Montreal,1987) u koji je

obuhvatio 5 vrsta CFC-a (11,12,113, 114, 115) njegovim revizijama (London, 1990)

koja je obuhvatila još 10 vrsta CFC-a i zadnja u Kopenhagenu (1992).

Postignut je dogovor o kontroli industrijske proizvodnje mnogih halokarbona do

2030. godine. Posle 1995. godine zemlje potpisnice više nee proizvoditi glavninu

CFC-a, osim ograniine koliine za elementarne potrebe, kao što su medicinski

sprejevi.


22

Zemlje Evropske zajednice su usvojile još strože mere nego što su one tražene

Montrealskim protokolom. Prepoznajui svoju odgovornost ka globalnom okruženju

one su se složile da zaustave produkciju glavnine CFC-a do poetka 1995. godine.

Usvojeni su i stroži kriterijumi za upotrebu ostalih komponenti koje uzrokuju

stanjivanje ozonskog omotaa.

Takoe, postignuti su brojni sporazumi kroz Globalno atmosfersko bdenje

(Global Atmosphere Watch, GAW) istraživanja ozona i aktivnosti monitoringa, kao i

na Okvirnoj konvenciji o promeni klime (Framework Convetion on Climate Change),

Konvenciji o transgraninom prenosu zagaenja vazduha (Convention on Long - range

Transboundary Air Pollution) i ostalim konvencijama za zaštitu okoline korišenjem

rezultata projekata GAW-a.

Svetska meteorološka organizacija je procenila do 2045. godine, propisana

ogranienja i aktivnosti, treba da dovedu do oporavka ozonskog omotaa, ali skorašnja

istraživanja su pokazala da je problem mnogo vei nego što je predviano.

6. Svrha merenja UV zraenja

Razliiti fluksevi zraenja ka i od površine Zemlje su meu najvažnijim

promenljivim u toplotnom bilansu Zemlje kao celine i svakog dela njene površine ili

atmosfere posebno. Merenje zraenja se radi u sledee svrhe:

a) Za izuavanje transformacije energije unutar sistema Zemljine atmosfere i

njegove varijacije u vremenu i prostoru.

b) Analiza svojstava i raspodele atmosfere sa osvrtom na njene konstituente kao

što su aerosoli, vodena para, ozon, itd.

c) Izuavanje raspodele i promena dolazee, odlazee i ukupne radijacije.

d) Zadovoljavanje potreba biologa, lekara, agronoma, arhitektonskih i

industrijsih aktivnosti u pogledu zraenja

e) Verifikacija satelitskih merenja radijacije


23

6.1. Jedinice i skale

U meteorološkoj praksi jedinice za zraenje usklaene su sa meunarodnim

sistemom jedinica (Si) datim u tabeli (4.a.) i (4.b.)

Tabela 4.a. Fotometrijske veliine, (8).

Ime Simbol Jedinica Koliina svetlosti Qv 1 m⋅s Fluks svetlosti Φv lm Ekscitacija svetlosti Mv lm⋅m-2

Iluminacija Ev lm⋅m-2 = lx Izlagaje svetlosti Hv lm⋅m-2⋅s = lx⋅s Intenzitet svetlosti Iv lm⋅sr-2 = cd Osvetljenje Lv lm⋅m-2sr-1=cd⋅m-2

Intenzitet zraenja (Mv;Ev) Lm⋅m-2

Tabela 4.b. Radiometriske veliine, (8).

Ime Simbol Jedinica Relacija Primedba Energija zraenja (W) J = W⋅s Fluks zraenja (P) J = W/s Φ = dQ/dt Snaga

Intenzitet fluksa zraenja

(M), (E) W/m2 dΦ/dA=d2Q/(dAdt)

Fluks zraenja bilo kog porekla koji prolazi kroz element površine

Pobuda zraenja M W/m2 M = dΦ/dA Fluks zraenja bilo kog porekla koji izlazi sa elementa površine

Ozraivanje E W/m2 E = dΦ/dA Fluks zraenja bilo kog porekla koji pada na element površine

Zraenje L W/m2sr L=(d2Φ/dΩ)⋅dA⋅cosθ Zraenje je konzervativna veliina u optikom sistemu

Izlaganje zraenju H J/m2 H=dQ/dA = 2

1

t

t

Edt Može se koristiti za dnevnu sumu globalnog zraenja, itd.

Intenzitet zraenja I W/sr I = dΦ/dΩ Može se koristiti samo za odlazee zraenje iz takastih izvora

6.2. Meteorološki zahtevi za merenje Sunevog zraenja po preporukama WMO

6.2.1 Podaci za akviziciju

Ozraivanje i izlaganje zraenju su naješe veliine koje treba sakupiti i

arhivirati. Postoji potreba za mnogim podacima i u kraim vremenskim periodima,


24

manje od minuta ili 10 sekundi (za neke energetske primene), a esto se koriste i

dnevne ukupne sume zraenja.

Za merenja zraenja uopšte, posebno je važno da se zabeleže i naprave

dostupne informacije o uslovima osmatranja. Ovo ukluuje tip instrumenta, njegovu

istoriju i njegovu lokaciju, izlagajne i održavanje instrumenta.

Zahtevana tanost se najbolje postiže ako se merenja vrše svakog minuta, ak i

ako se krajnji podaci integrišu za period od jednoga sata ili više. Prednost se daje

sistemima sa digitalnim zapisom podataka. Grafiki prikupljeni podaci i druge vrste

integratora su mnogo manje praktini i sa njima je teško održavati adekvatan nivo

preciznosti oitavanja.

6.2.2. Vreme merenja

U svetskoj mreži za merenje zraenja, važno je da podaci budu homogeni ne

samo za kalibraciju, nego i za vremena merenja. Zbog toga sva merenja zraenja treba

da budu usklaena sa “pravim Sunevim vremenom”. Ipak, standardno ili univerzalno

vreme je zgodnije za automatske sisteme zato što je lakše za korišenje, ali je

prihvatljivo samo ukoliko preraunavanje na pravo sunevo vreme ne vodi znaajnom

gubitku podataka.

6.3. Klasifikacija i izbor instrumenata za merenje UV zraenja

Meteorološki instrumenti za zraenje su klasifikovani po raznim

kriterijumima: po tipu parametara koji se mere, oblasti koju instrument vidi,

spektralnom odzivu, glavnoj nameni. Apsolutni instrumenti su samokalibrišui,

zraenje koje pada na senzor zamenjuje se elektrinim signalom, koji može biti

precizno meren. Ta zamena, ipak, ne može biti apsolutno savršena; devijacija od

idealnog sluaja odreuje grešku merenja zraenja.

Ipak, veina instrumenata za zraenje nisu apsolutni i moraju se kalibrisati

pomou apsolutnih instrumenata. Preciznost merenja, zatim, zavisi od prateih faktora,

koji za dobro kalibrisane instrumente treba da budu poznati:

a) Rezolucija, najmanja promena u koliini zraenja koju instrument može da

detektuje;


25

b) Dugovremenski poremeaj osetljivosti (stepen izlaznog elektrinog signala

za primenjeno ozraivanje) maksimalna mogua promena za, recimo, godinu dana;

c) Promena osetljivosti u zavisnosti od promene spoljašnjih parametara, kao

što su: temperatura, vlaga, pritisak, vetar,…;

d) Nelinearnost odziva, promene osetljivosti u zavisnosti od promena

ozraivanja.

e) Devijacija spektralnog odziva od zadatog, crnilo prijemne površine,…;

f) Devijacija direktnog odziva od zadatog, kosinusni odziv;

g) Vremenska konstanata instrumenta ili mernog sistema;

h) Nesigurnosti (izvori greške) u dodatnoj opremi;

Instrumenti treba da budu izabrani prema njihovoj krajnjoj upotrebi.

7. Merenje UV zraenja

Intenzitet globalnog sunevog UV zraenja koje dopire do Zemljine površine

zavisi od visine Sunca, sadržaja ozona u atmosferi, albeda površine, oblanosti i

zamuenosti atmosfere. Svi ovi faktori mogu u znatnoj meri da utiu na dnevni i

godišnji hod intenziteta UV sunevog zraenja, a samim tim i na njegovo merenje.

Merenje UV zraenja je teško zbog koliine zraenja koje dospeva na površinu

Zemlje i zavisnosti koju odreuju promene u stratosferskim ozonskim nivoima, i

naglim poveanjem opsega fluksa sa poveanjem talasne dužine. Grafik 4. ilustruje

promene fluksa izmeu 290 nm i 325 nm na vrhu atmosfere i na površini Zemlje u

Wm2/nm.


26

Grafik 4. Efekat poveanja nivoa ozona na transmisiju UV-B zraenja kroz atmosferu.

(8)

UV zraenje je pod uticajem takvih atmosferskih pojava kao što su oblaci ili

aerosoli. Znaajan je i uticaj okolne sredine zbog višestrukog rasipanja. Ovo je

pogotovo izraženo na površinama koje su prekrivene snegom.

Teškoe u standardizaciji merenja UV zraenja potiu od promenljivosti namene

zbog koje se merenje vrši. Za razliku od veliine meteoroloških merenja, standardi

bazirani na globalnim potrebama još nisu uspostavljeni. U mnogim zemljama, merenja

UV zraenja ne rade samo meteorološki zavodi, nego i zavodi za zaštitu zdravlja, pa

usaglašavanje rada ovih službi dovodi do teškoa u standardizaciji instrumenata i

metoda osmatranja.

Do ovog trenutka, WMO nije uspostavila standarde koji bi upravljali merenjem

UV zraenja, ni u pogledu karakteristika instrumenata, ni u pogledu metoda merenja.

Zahtevi koji su stavljeni pred WMO Globalni projekat za istraživanje i monitoring

ozona (Global Ozone Reasearch and Monitoring Project) su:


27

Tabela 5. Zahtevi za UV-B merenja (WMO, 1996, GUIDE, N06)

UV - B 1. Rezolucija talasne dužine - 1.0 nm ili bolje 2. Vremenska rezolucija - 10 minuta ili bolje 3. Ugaoni smer - razdvajanje u direktnu i difuznu komponentu ili bolje 4. Precizna kalibraciona strategija

Pomoni podaci:

a) Apsolutno neophodno 1. Totalna kolona ozona (u okviru100 km) 2. Optika dubina aerosola 3. Zemljin albedo 4. Oblani pokrov b) Vrlo preporuljivo: 5. Aerosoli, lidarski profil 6. Vertikalna raspodela ozona 7. Kratkotalasno izraivanje (globalana sunana radijacija) 8. Polarizacija zenitnog zraenja 9. Vodena para

8. Instrumenti za merenje UV zraenja

Za merenje UV zraenja postoje tri vrste komercijalnih instrumenata. Instrumenti

prve klase koriste širokopojasne filtere. Ovi instrumenti integrišu zraenje preko celog

UV-B ili UV-A spektra ili cele UV oblasti koja može da utie na ovekovo zdravlje.

Instrumenti druge klase koriste jedan ili više interferentnih filtera da bi integrisali uske

oblasti UV-A ili UV-B spektra. Trea klasa instrumenata su spektrometri koji koriste

unapred definisane delove UV spektra koristei fiksirane propusne opsege.


28

8.1. Instrumenti koji koriste širokopojasne senzore

Veina instrunenata koji koriste širokopojasne senzore su dizajnirani tako da

mere UV spektar koji je meren eritemalnom funkcijom koju su predložili Mc Kinlay

and Diffey i prikazan je na Grafiku 5. (Guide, 1996).

Da bi dobili eritemalnu meru potrebno je da na instrumentu prvo isfiltriramo

skoro sve vidljive talasne dužine svetlosti koristei UV - propusno crno kvarcno staklo

kao filter. Ostatak radijacije tada pogaa UV osetljivi fosfor. Zatim se zelena svetlost

koju emituje fosfor filtrira korišenjem obojenog stakla da bi se otklonila ne zelena

vidljiva svetlost pre nego što padne na galijum-arsenid-fosfornu diodu. Kvalitet

instrumenta zavisi od faktora kao što su kvalitet spoljašnje zaštitne kvarcne kupole,

kosinusnog odziva instrumenta, temperaturne stabilnosti i sposobnosti prizvoaa da

usaglasi eritemalnu krivu sa kombinacijom karakteristika stakla i diode. Najvažnija je

temperaturna stabilnost instrumenta, kao i elektronike i reakcije fosfora na inicijalno

UV zraenje. Efikasnost fosfora opada 0.5 % K-1 i kriva odziva talasne dužine se

pomera za oko 1 nm duž svakih 10 K. Ovaj pratei efekat je važan zbog nagiba

radijacione krive na ovim talasnim dužinama.

U skorije vreme, instrumenti se razvijaju tako da mere eritemalnu težinu UV

zraenja koristei interferencioni filter od tankog metalnog filma i specijalno razvijene

Diffey (8) Grafik 5. Eritemalne funkcije koje su dali Parrish, Jeanicke, Anderson,McCinlay.


29

silikonske fotodiode. Ova metoda ima puno problema u vezi sa niskim nivoom signala

iz fotodiode.

Ostali širokopojasni instrumenti koriste jednu ili više mernih tehnologija za

merenje kompletnog spektra koristei kombinacije staklenih i interferentnih filtera.

Propusni pojas ide od uskog, 20 nm pune širine polumaksimuma (Full With Half

Maximum, FWHM), do širokog, 80 nm FWHM za instrumente koji mere kombinaciju

UV-A i UV-B zraenja. Neki proizvoai ove opreme obezbeuju jednostavne

algoritme za aproksimaciju eritemnih doza za integralna merenja. Da bi pravilno

održavali ove instrumente treba da budemo sigurni da su kupole iste, da je instrument

nivelisan, isušivai aktivni i da grejno-rashladni sistem radi dobro (ukoliko je

instrument njime opremljen). Inae održavanje je slino održavanju kod piranometra.

Jedan od najkvalitetnijih i najrasprostranjenijih instrumenata ovog tipa je

Eppley-ev UV radiometar, sa više razliitih propusnih opsega filtera.

8.1.1. Eppley-evtotalni UV radiometar

Totalni UV radiometar je robustan, relativno jednostavan

detektor za merenje UV zraenja (Slika 4).

Instrument koristi hermetiki zatvorenu eliju sa

selenijumom koji je zaštien kvarcnim prozorom. On radi pri

niskim nivoima svetlosti i pod uslovima minimalne potrošnje

struje, u želji da obezbedi stabilne performanse kroz duže

periode izlaganja. Specijalno dizajnirani teflonski difuzor ne

samo da smanjuje fluks zraenja na prihvatljiv nivo nego

takoe obezbeuje blisko slaganje sa kosinusnim zakonom.

Uskopojasni interferentni filter ograniava spektralni odziv fotoelije na opseg

talasnih dužina od 295 do 385 nm sa neznatnom sekundarnom transmisijom. Telo

instrumenta je konstruisano od mesinga sa šrafovima za nivelaciju i libelom.

Kalibracioni sertifikat se može dobiti u Nacionalnom Institutu za Standarde i

Tehnologiju (NIST)

Slika 4. Eppley-ev UV mera.


30

8.2. Instrumenti koji koriste uskopojasne senzore

Definicija uskopojasnosti za ovu klasu instrumenata je neodreena. Najvea

širina trake za instrumente ove kategorije je 10 nm FWHM. Najuža traka koja je u

ovom trenutku dostupna za komercijalne instrumente je 2 nm FWHM. Ovi senzori

koriste jedan ili više interferentnih filtera za dobijanje informacija o porcijama UV

spektra. Najjednostavniji instrumenti sastoje se od jednog filtera, obino na onoj

talasnoj dužini koja može biti merena UV diodom dobrog pojaanja. Talasne dužine

blizu 305 nm su tipine za ovakve instrumente. Odbacivanje signala koji su van oblasti

ovih filtera treba da bude jednako ili vee od 10-5 ili bolje, kroz osetljivu oblast

detektora. Kvalitetniji instrumenti ovog tipa koriste hladnjake da bi održali konstantnu

temperaturu (oko 20 oC) ili koriste grejae da bi povisili temperaturu iznad normalne

(oko 40 oC). Ovo poslednje znaajno smanjuje život interferentnog filtera.

Modifikacija ovog tipa instrumenta koristi fotomultiplikator umesto fotodiode. Ovo

dozvoljava tanije merenje energije za krae talasne dužine i niže intenzitete na svim

merenim talasnim dužinama.

Konstrukcija instrumenata mora biti takva da zraenje prolazi kroz filter pod

uglom blizu normale da bi se izbeglo pomeranje talasnih dužina ka kraim talasnim

dužinama. Na primer, 100 razlike od normale prouzrokuje talasno pomeranje od 1.5

nm u zavisnosti od indeksa refrakcije filtera. Temperaturni efekat takoe može biti

znaajan u menjanju centralne talasne dužine za oko 0.012 nm/K za vrlo uske filtere (<

1 nm).

Održavanje za jednostavne jednofilterne instrumente je slino kao za

širokopojasne instrumente. Za one instrumente koji imaju više filtera na pokretnom

toku, održavanje podrazumeva odreivanje da li je toak dobro centriran. Preporuuje

se takoe i provera visokonaponskog napajanja za instrumente koji imaju

fotomultiplikatore kao i provera kvaliteta filtera.

8.3. Spektrometri

Najbolji komercijalni instrumenti su oni koji koriste ili klasinu ili holografsku

rešetku za disperziju mogue energije u spektar. Niska energija UV zraenja u

poreenju sa onom u vidljiviom spektru primorava na odbacivanje talasnih dužina koje


31

su van granine oblasti. To se postiže upotrebom duplog monohromatora ili

blokirajuih filtera koji propuštaju samo UV zraenje u spoju sa jednim

monohromatorom. Neki manje skupi instrumenti koriste fotodiode. Ovi instrumenti ne

mogu da mere energije na kraim talasnim dužinama od UV-B zraenja i imaju više

problema sa rasutim svetlom.

Instrumenti za monitoring se sada mogu nabaviti sa nekoliko

samoproveravajuih karakteristika. Elektronski testovi ukljuuju proveru rada

fotomultiplikatora i AD konvertora. Testovi koji odreuju da li optika instrumenata

pravilno funkcioniše ukljuuju testiranje instrumenata korišenjem unutrašnje živine

lampe i standardne kvarc-halogene lampe. Iako ovi testovi ne daju apsolutne

kalibracione podatke, oni daju korisniku podatke o stabilnosti instrumenta i u odnosu

na spektralno izjednaenje i u odnosu na intenzitet.

Komercijalni instrumenti su konstruisani da obezbede mogunost merenja od oko

290 nm do dužine vidljivih talasa, u zavisnosti od njihove konstrukcije i konfiguracije.

Širina mernog opsega je obino oko 0.5 i 2.0 nm. Vreme koje je potrebno da bi se

izvršilo puno skeniranje zavisi od rezolucije talasane dužine i od ukupnog merenog

spektra, ali je po pravilu potrebno od 1 do 10 sekundi za jedan korak talasne dužine.

Rutinski monitoring UV zraenja zahteva da instrument bude bilo zaštien od

uticaja sredine ili konstruisan na takav nain, da se energija koja pada na površinu

prijemnika prenosi na spektrometar koji se nalazi u klimatizovanom kuištu. U oba

sluaja mora se voditi rauna o razvoju optike tako da se pravilna osetljivost održava

na niskim nivoima zraenja.

Jedan od naješe korišenih spektrometara u svetskim mrežama za merenje UV

zraenja i ozona je Brewerov spektrometrar firme Kipp & Zonen.

8.3.1 Brewer-ov spektrofotometar

Brewer-ov spektrofotometar je dizajniran tako da može potpuno

automatizovano da vrši merenja celokupne koliine ozona i UV zraenja. Instrument

po potrebi može da meri i NO2. Na kraju dana formira izveštaj, koji se sastoji iz

koliine ozona i UV doza.


32

Brewer koristi sunevo UV zraejne za odreivanje sadržaja ozona u atmosferi.

Taj sadržaj ozona se odreuje do 50 km visine. Razdvajanje parametara modela,

koncentracije ozona prema visini, je matematika operacija koju radi PC. Operacija se

zove "Umkehr".

Svetlost putuje kroz prednju optiku i i filtere koji se nalaze na tokiima (Slika

5). Spektrometar uzrokuje difrakciju unutar talasnog opsega koji nas interesuje.

Fotomultiplikator meri svetlost. Softver automatski radi samokalibrciju i merenja O3,

SO2, NO2, UV i prikuplja podatke koji se mogu koristiti za generisaje "Umkehr"

profila.

Sam instrument je postavljen na ureaj za automatsko praenje Sunca (tzv. "Sun-

tracker") koji pod kontrolom PC-a prati azimut Sunca. Visina Sunca je podešena

sredinom vertikalne pokretne prizme. Takoe je mogue meriti unutrašnje kalibracione

lampe kao i UV-B globalno zraenje hemisfere (kroz kupolu od kvarcnog stakla sa

teflonskim difuzorom ispod). U svim sluajevima dolazee zraenje ulazi u

spektrometar kroz ulaznu optiku i dijafragmu, filtere i ulazni prorez.

Brewer ili tzv. Eberth-ov spektrometar koristi pokretnu holografsku difrakcionu

rešetku sa 1800 linija/mm kao disperzivni element, ogledalo i masku opera sa

nekoliko proreza u zahtevanom opsegu talasnih dužina. Zraenje konano dolazi do

fotomultiplikatorakroz izlazne proreze i NiSO4 filter. Transmitivnost ovog filtera naglo

opada od 315 nm (gornja granica štetnog UV-B zraenja). On služi kao filter rasute

svetlosti da bi se smanjio deo rasute svetlosti sa dužim talasnim dužinama >320 nm na

podnošljiv nivo.


33

Direktno SunceZenit neba

Obrtna prizma

Kvarcna kupola sateflonskim difuzorom

UVB prizma

UVB

Kalibrac. lampa

@iva

Halogen

Iris

Kvarcni difuzorObrtni disk sa prigunim filterima

Polarizujua prizma

Ulazni prorez

Pokretna reetka

Maska ~operaIzlazni prorezi

Cut off filter

Fotomultiplikatorkacev

Slika 5. Šematski prikaz Brewer-ovog spektrometra (10).

U toku merenja ozona, rešetka ostaje u fiksnoj poziciji, a maska opera bira

jednu za drugom pet talasnih dužina u nekoliko ciklusa. Dolazee zraenje se meri

fotomultiplikatorom u modu za brojanje fotona, a taj signal se prenosi vezom za

podatke do kontrolnog PC-a. Vrednost ozona se rauna i arhivira odmah po završetku

osmatranja.

Tokom UV osmatranja maska opera se drži u fiksnoj poziciji, a rešetku

pokree step motor da bi dobili željeni interval spektra duž fiksiranog proreza. Prema

tome spektar može biti meren izmeu 285 i 325 nm sa fleksibilnim korakom koji

obino iznosi 0.5 nm. Poluširina korišenog izlaznog proreza je 0.63 nm i njegova

funkcija transmisije je skoro ekvivalentna Gausovoj funkciji.

Integrisane test lampe su velika prednost Brever-a. One su ugraene unutar

rotabilne prizme i mogu se potpuno automatski meriti. Živina lampa (spektralna linija

na 302.5 nm) se koristi za korekciju postavljanja talasne dužine (bolje od 0.1 nm), dok

strujno i naponski stabilisana standardna lampa (kvarcno - halogena) omoguuje


34

proveru spektralne osetljivosti. Stabilnost ove lampe se može kontrolisati korišenjem

eksterne standardne lampe. Ova lampa se obino koristi za proveru Dobsonovih

instrumenata.

8.4. Kalibracija instrumenata za UV zraenje

Kalibracija svih instrumenata za UV-B zraenje je teška. Za razliku od

piranometara koji se mogu pozivati na standardne setove instrumenata koji su

povezani sa Svetskom radiometriskom referencom (World Radiometric Reference,

WRR), ovi senzori se moraju kalibrisati ili pomou standardnih svetlosnih izvora ili

pomou filter detektora. Ovaj drugi nain, iako puno obeava u dugotrajnoj kalibraciji

uskooblasnih filter instrumenata, još uvek nije lako dostupan. Zbog toga, korišenje

standardnih lampi, koje se mogu nai u nacionalnim laboratorijama za standarde,

ostaje naješi nain za kalibrisanje senzora za merenje UV-B zraenja. Mnoge zemlje

nemaju laboratorije za odreivanje karakteristika lampi UV spektra. U tim zemljama

lampe se obino šalju u National Institute for Standards and Tehnology (NIST) u SAD

ili u Physikalish Tehnische Bundesanstalt (PTB) u Nemakoj.

Procenjuje se da merna nesigurnost od 5 % pri merenjima dela opsega oko 300

nm može biti postignuta samo pod strogim uslovima. Merenje eritemalne aktivnosti e

imati tanost u tipinom rangu od 5 do 20 %, u zavisnosti od broja faktora koji utiu

na kvalitet procedure i opreme. Izvori greške su dati u sledeem paragrafu i oni

ukljuuju:

a) Nesigurnosti vezane za standarde lampi;

b) Stabilnost instrumenta, ukljuujui stabilnost spektralnog filtera i (kod starijih

instrumenata) temperaturni koeficijent;

c) Kosinusni efekat;

d) injenicu da kalibracija instrumenta varira sa talasnom dužinom;

e) Spektar standardnih lampi nije isti kao spektar koji se meri;

f) Spektar UV-B zraenja koji se meri jako varira sa vremenom;

Korišenje standardnih lampi kao kalibracionih izvora dovodi do velikih

nesigurnosti pri kraim talasnim dužinama ak i kad je transfer kalibracije odlian.

Tako je, na primer, greška na 250 nm vezana za standardno izraivanje reda veliine

od oko 2.2 %. Kad se prenosi na standardnu lampu dodaje se još 1 % nesigurnosti. Na


35

350 nm ovaj procenat nesigurnosti opada na oko 1.3 i 0.7 %. Mora se takoe voditi

rauna o postavljanju i upravljanju standardnom lampom. ak i varijacije od samo 1 %

u struji pri napajanju standardne lampe, na primer, dovode do greške UV fluksa od 10

% ili više na kratkim talasnim dužinama. Netano merenje dužine izmeu lampe i

instrumenta koji se kalibriše može takoe dovesti do greške reda oko 1 % što je

inverzna kvadratna zavisnost kada se primeni na kalibraciju.

9. Ureaj za merenje UV zraenja

Pravljen je po ugledu na Totalni Ultravioletni Radiometar, proizvodnje "EPLAB", koji

koristi selenski senzor zaštien kvarcnim staklom.

Sastoji se iz sledeih delova:

Aluminijumski tubus sa donjim poklopcem - služi kao fizika i svetlosna zaštita i kao

kuište celog sistema. Napravljen je u "Institutu za fiziku - Zemun". Unutrašnjost

tubusa je nivelisana i ofarbana crnim mat lakom, da bi se izbegla mogunost da do

fotodiode dopre zraenje koje nije prošlo kroz UV filter, a spoljašnjost je ispolirana da

bi uticaj temperature na karakteristiku odziva fotodiode i pratee elektronike bio što

manji.

Širokopojasni propusni filter, izraen je od kvarcnog stakla koji ograniava spektralni

odziv fotodiode na talasne dužine od 310 nm do 280 nm sa neznatnom sekundarnom

emisijom, takozvani interferentni filter. Koristimo ga ukoliko nas zanima globalno UV

zraenje. Mogu se koristiti i uskopojasni filteri koji omoguavaju merenje i nižih

komponenti UV spektra u oblastima od 310 nm do 330 nm i od 360 nm do 380 nm.

Difuzor - teflonski disk, debljine 1 mm, koji ne samo da smanjuje fluks zraenja na

prihvatljiv nivo, nego takoe omoguuje vezu sa Lamberovim kosinusnim zakonom.

Difuzor obezbedjuje da se veliina signala ne menja znaajno do 30o od normale na

diodu.

Drveno postolje i aluminijumski drža tubusa su sa promenljivim uglom što

omoguuje merenje direktne komponente UV zraenja u bilo koje doba dana, odnosno

za bilo koji položaj Sunca.

Pojaava signala UV osetljive fotodiode - pojaava signal po zakonu:

Vout=Idiode⋅R


36

9.1. Karakteristike silikonske UV fotodiode za precizna fotometrijska merenja, oznake S1337-16QB (sa keramikim kuištem)

Spektralni odziv. Fotostruja proizvedena za dati nivo svetlosnog pobuivanja varira sa

talasnom dužinom. Ovaj odnos talasne dužine i odziva poznat je kao karakteristika

spektralnog odziva i izražava se kao osetljivost na zraenje, stepen iskorišenja,

detektibilnost.

Osetljivost na zraenje (A/W). Ovo merenje osetljivosti je odnos energije zraenja

izražene u vatima i fotostruje izražene u amperima. Osetljivost na zraenje se nalazi

unutar 5% vrednosti pika.

NEP (ekvivalentna snaga šuma). To je koliina svetlosti ekvivalentna nivou

unutrašnjeg šuma ureaja. NEP je jedan od naina izražavanja spektralnog odziva.

Pošto je nivo šuma proporcionalan kvadratnom korenu širine opsega, NEP se izražava

u W/Hz1/2

NEP=struja šuma (A/Hz1/2)/osetljivost na zraenje na piku (A/W)

D* Detektibilnost. D je inverzna od NEP-a i koristi se kao mera detekcione osetljivosti

ureaja. Pošto je šum proporcionalan kvadratnom korenu fotoosetljive površine, što je

manja fotoosetljiva površina, bolji su i NEP i detektibilnost. Da bi uzeli u obzir

materijalna svojstva, detektibilnost D pomnožimo kvadratnim korenom površine i

dobijemo D*, izraženo u jedinicama cmHz1/2

Struja kratkog spoja ISH. Struja kratkog spoja je struja koja tee kada je otpor

optereenja nula i kada je proporcionalan fotoosetljivoj površini ureaja.

Struja mraka (ISH) i otpor šanta (RSH). Struja mraka je mala struja koja tee kada

reversni napon primenimo na fotodiodu dok je ona u mraku. Za posmatranje struje

mraka postoje dva metoda: posmatranje odnosa V/I u oblasti od 0 V ili posmatranje

struje u stvarnim primenjenim uslovima. RSH=10 (mV)/struja mraka pri VR=10 mV (A)

Kapacitet spoja (Cj). Stvarni kondenzator je formiran p-n spojem fotodiode. Njegov

kapacitet odreuje brzinu reakcije fotodiode

Vreme uspona (tR) - ovo je brzina odziva fotodiode pri naglom osvetljavanju diode.

To je vreme potrebno za prolazak 10% do 90% od normalne izlazne vrednosti najvišeg

nivoa. Brzina reakcije je funkcija talasne dužine upadnog svetla, otpornosti

optereenja, a obrnuto proporcionalan kapacitetu spoja.

Granina frekvencija (fc) - je granina mera odziva diode na upadnu svetlost sinusnog

oblika i esto se koristi na PIN fotodiodama. Definiše se kao frekvenca na kojoj


37

izlazna struja opada za 3 dB za niskofrekventne reakcije (na otpornosti od 50 Ω)

Maksimalan reversni napon (VRmax) - korišenje reversnog napona na fotodiodama

može prouzrokovati uništenje ili deformaciju osobina diode. Zato reversni napon treba

da bude niži od maksimalne propisane vrednosti, VRmax, ak i za trenutno primenjene

reverzne napone polarizacije.

9.1.1. EKVIVALENTNO KOLO DIODE

Šema br. 1: Ekvivalentna šema fotodiode (Selection guide, "Hamamatsu").

IL - struja generisana upadnim svetlom (proporcionalna koliini sveta)

ID - diodna struja, CJ - kapacitet spoja, RSH - otpor šanta

RS - serijska otpornost, I - struja otpora šanta

VD - napon kroz diodu, Io - izlazna struja

Io=IL-ID-I

V0 – izlazni napon, IS - reversna struja zasienja fotodiode

e - naelektrisanje elektrona

T - apsolutna temperatura fotodiode

K - Boltzmann-ova konstanta

VOP - napon otvorenog kola je izlazni napon kada Io teži 0

VOP= (K⋅T/e)⋅ln(IL-I/IS+1)

IS logaritamski raste sa porastom temperature okoline, VOP je inverzno proporcionalno

okolnoj temperaturi

ISH=IL-IS⋅(exp⋅e⋅(ISH)/KT-1)- ISH⋅RS/RSH - izlazna struja kada je ulazni otpor jednak nuli i

Vo jednako nuli.

9.1.2. Karakteristike fotodiode

Kada na zamraenu diodu primenimo neki napon, karakteristika dobijene krive bie

slina kao i kod ispravljake diode (1). Kada diodu pogodi svetlost, kriva (1) prelazi u krivu


38

(2) i daljim poveanjem koliine svetlosti prelazi u krivu (3) koja se pomera paralelno sa

poveanjem svetlosnog intenziteta.

Grafik 6. Strujno naponska karakteristika diode u zavisnosti od koliine upadne

svetlosti (Selection guide, "Hamamatsu").

Struja kratkog spoja ISH je izuzetno linearna sa poveanjem koliine upadne svetlosti.

Opseg linearnosti dostiže 6 do 8 redova veliine, u zavisnosti od tipa fotodiode i kola koje se

koristi. VOP varira logaritamski sa poveanjem koliine upadne svetlosti i vrlo je zavistan od

promena temperature, inei ih nepogodnima za merenje intenziteta svetlosti.

Šema 2. Radni ciklus fotodiode sa operacionim pojaavaem.

Šema br.8 nam pokazuje metod merenja svetla merenjem struje ISH. Ukoliko se koristi

operacioni pojaava, i karakteristika povratne sprege, tako da je otpornost ekvivalentnog

ulaza nekoliko redova veliine manja nego Rf, što omoguuje gotovo idealno merenje ISH.


39

Vrednost Rf se može podešavati tako da omogui merenje u širokom opsegu. Izlazni napon

Vout se dobija iz:

Vout=-(ISHxRF)

Struja mraka je linearna u naponskom opsegu oko ±10 mV. Nagib krive je definisan

otporom šanta RSH.

9.1.3. Karakteristika spektralnog odziva

Ukoliko je talasna dužina apsorbovanih fotona manja od λ=1240/EG [nm] fotonaponski

efekat se ne opaža. Što je tanji difuzni sloj i P-N spoj bliži površini, vea je osetljivost, tako

da je za UV diode osetljivost ispod 190 nm. Granina talasna dužina odreena je unutrašnjim

osobinama fotodiode, ali takoe i spektralnom transmitivnošu prozorskog materijala. Za

talasne dužine ispod 300 nm za prozorsko staklo se koristi "sinterovano staklo".

Grafik 7. Karakteristika spektralnog odziva (Selection guide, "Hamamatsu").

9.1.4. Karakteristike šuma

Donja granica detekcije svetlosti za fotodiode je definisana karakteristikama šuma u

ureaju. Šum fotodiode (in) je suma termalnog šuma (ij) prouzrokovanog otporom šanta (RSH)

i šuma (iS) koji je posledica struje mraka i fotostruje:

in=(ij2+iS

2)1/2

Kada se dioda koristi u kolu sa operacionim pojaavaem, pošto je primenjeni napon

ofset napon operacionog pojaavaa, struja mraka se može zanemariti, pa sledi da je:

in=ij=(4kTB/RSH)


40

gde je: k - Bolcmanova konstanta, T - apsolutna temperatura fotodiode, B - opseg šuma.

Donja granica osetljivosti za fotodiodu se obino izražava kao intenzitet upadne

svetlosti potreban da bi ona generisala struju jednaku struji šuma, što predstavlja ekvivalentnu

snagu šuma (NEP)

NEP=im/S [W/Hz1/2],

gde je: in - šum, S - pik osetljivosti zraenja.

9.1.5. Brzina odziva

Brzina odziva fotodiode je mera vremena potrebnog da bi akumulisano punjenje postalo

spoljnja struja i uopšte se izražava kao vreme odziva tr, što predstavlja vreme potrebno za

odziv 10% do 90% normalne izlazne vrednosti. Definisano je sledeim faktorima:

vremenskom konstantom τ1, koja je definisana krajnjim kapacitetom fotodiode Ct i

ulaznm otpornošu RL

τ2 vremnom stvaranja nosilaca generisanih van osiromašenog sloja

Grafik 8. Primer talasnog oblika fotodiodnog odziva (Selection guide, "Hamamatsu").

9.1.6. Temperaturne karakteristike

Varijacije temperature okoline jako pogaaju osetljivost fotodiode i struju mraka.

Razlog ove zavisnosti je taj što je koeficijent apsorpcije svetlosti povezan sa temperaturom.

Za duže talasne dužine osetljivost raste sa porastom temperature, i ovaj rast postaje znaajan

na talasnim dužinama veim od od talasne dužine pika. Za krae talasne dužine on opada.

Pošto su ultravioletne diode konstruisane tako da imaju nisku apsorpciju na nižim talasnim

dužinama, temperaturski koeficijent je ekstremno mali za talasne dužine krae od pika talasne

dužine.

τ >>τ1 2

τ <<τ1 2


41

Grafik 9. Primer karakteristike zavisnosti odziva silicijumske diode od temperature

(Selection guide, "Hamamatsu").

9.1.7. Rad sa operacionim pojaavaima

Struja pobude: s obzirom na to da stvarna ulazna impendanca nije konana, postoji neka

struja pobuenja koja ulazi u krajeve pojaavaa ili izlazi iz njih. Ovo može rezultirati

greškom koja zavisi od veliine detektovane struje.

Kao što je sluaj sa ofset naponom, naponska greška koja nastaje zbog struje pobude

može se regulisati potenciometrom vezanim za krajeve za podešavanje ofseta. Štaviše, curenje

struje na štampanoj ploi može biti vee nego struja pobude operacionog pojaivaa. Mora se

obratiti posebna pažnja na arhitekturu i dizajn kola i njegovih delova. Takoe je važan i izbor

kvaliteta i karakteristika operacionog pojaavaa.

9.1.8. Pouzdanost

Ako se koristi unutar odreenih operativnih odnosa, fotodioda nee pokazati bitan

gubitak osetljivosti. Gubitak osetljivosti može esto biti pripisan pakovanju, voenju ili lošem

filteru. Curenje pakovanja na visokim temperaturama i vlazi, naroito esto prouzrokuju

slabljenje otpota šanta. Zbog toga keramika pakovanja fotodioda imaju ogranienje na

temperaturu i vlažnost. Fotodiode sa filterima su esto pogoene prisustvom otprora filtera

zbog okolnih uslova. Svi ovi faktori se moraju uzimati u obzir pri odabiranju i korišenju

fotodioda.


42

9.2. Pojaavaka elektronika sa napajanjem

Pojaava sadrži: silicijumsku UV fotodiodu proizvoaa "Hamamatsu", oznake S1337-

16QB sa keramikim kuištem, trim potenciometar od 10 KΩ za podešavanje "offseta"

operacionog pojaavaa, višeobrtni trim potenciometar od 1 KΩ za podešavanje struje mraka i

kondenzator koji odreuje vreme integracije signala iz fotodiode. Konstanta integracije služi

za spreavanje visoko-frekventnih oscilacija i formira niskopropusni filter sa vremenskom

konstantom vrednosti: CfxRf. Struja mraka je šum koji se javlja kada fotodioda nije izložena

zraenju i ona predstavlja najvei problem celog ureaja, jer varira sa vremenom. Te

varijacije nastaju zbog promena temperature, vlage itd. Da bi postigli stabilan rad operacionog

pojaava, napon smo stabilisali sa stabiliatorima: LM79L12 i LM78L12. Oni se nalaze u

okviru same elektronike koja se nalazi unutar tubusa zajedno sa UV fotodiodom, da bi se

izbegle eventualne smetnje na vodovima. Kao novina u odnosu na prethodni model meraa

UV zraenja, radi poveanja stabilnosti, korišena je referentna dioda LT1009. To je

naponska referentna dioda visokih performansi koju karakteriše garantovana temperaturna

stabilnost (opseg radne temperature je od -55 oC do 125 oC) i veliki operativni strujni opseg.

Šema 3. Pojaavaka elektronika sa stabilisanim naponom.

Kao operacioni pojaava za probna merenja korišeno je kolo sa FET (tranzistor sa

efektom polja) ulazima LF 13741. Ovaj operacioni pojaava je vee stabilnosti, zbog

izuzetno velike (5⋅1011 Ω) ulazne, a male izlazne impedance i koja je opšta karakteristika FET

operacionih pojaavaa. Otpor povratne sprege (10 MΩ) je odreen strujom signala diode i

željenim izlaznim naponom, koji je podešen tako da, kada se stavi teflonski difuzor, signal


43

bude od 0 do 1 V.

Ispravlja za napajanje operacionog pojaavaa: (12 V DC ) sadrži: transformator (2 x

15 V), 4 diode, dva elektrolita (1000 µF, 25 V), 2 stabilizatora od 12 V, 2 tantala (1 µF).

Šema 4. Konfiguracija pinova operacionih pojaavaa 13741 i referentne diode

LT1009.

Kao merni instrument naponskog signala može da se koristi digitalni voltmetar ili

osciloskop. Pri spoljašnjim merenjima treba koristiti temperaturno stabilisani voltmetar.

10. Ispitivanje karakteristika meraa UV zraenja

Da bismo odredili karakteristiku meraa UV zraenja, t.j. da bi smo mogli da odredimo

snagu upadnog zraenja, koje pri prolasku kroz kvarcni filter pada na površinu diode, kao

izvor smo iskoristili standardnu lampu koja je sekundarni standard u oblasti pirometrije. To je

standardna volframska lampa sa trakom: OSRAM Wi 17/G, N0 897. Lampa je specijalnog

oblika da bi se eliminisala reflektovana svetlost, a na prednjoj strani lampe nalazi se prozor od

optikog kvarca koji propušta oko 80 % zraenja u intervalu od 200 nm do 2500 nm.

Temperatura sjaja volframove lampe, odnosno trake, zavisi od jaine struje koja prolazi kroz

nju. Podatak zavisnosti temperature sjaja TS od struje grejanja dobili smo kalibracijom u

odnosu na primarni etalon. Lampa se napaja strujnim izvodom "HARRISON 6282 A DC

POWER SUPPLY" koji je izuzetno stabilan (0.1 %), a struja je kontrolisana merenjem pada

napona pomou digitalnog voltmetra koji je redno vezan sa lampom. Korišeni etalonski

otpornik izraen je od mangana. Negova vrednost na temperaturi T=20 0C, iznosi R=0.09985

Ω sa greškom ±0.02 %.


44

Plankov zakon nam daje vezu izmeu spektralne radijancije i temperature:

N(λ,T)=C1⋅[λ5⋅(exp(C2/λ⋅T)-1)]-1

gde je: C1=2⋅h⋅c/Ω0=1.1919 10-16 Wm2/Sr

prva, a:

C2=h⋅c⋅N0/R0=1.4388 10-2 mK

druga radijaciona konstanta, koje se definišu atomskim konstantama.

N(λ,T)=C1/λ5⋅exp(C2/λ⋅T)-1

gde je:

C1=2h⋅c/Ω0=1.1919 10-16 Wm2/sr prva,

C2=hcN0/R0=1.4388 10-2 mK druga radijaciona konstanta, a

h=6.625 10-34J⋅s - Plankova konstanta,

c=2.997 108 m/s - brzina svetlosti,

k=1.38 10-23 J/K - Bolcmanova konstanta

N0=6.02⋅1023 mol-1 - Avogadrov broj

Ω0=1 steradijan - jedinini prostorni ugao

R0=8.314 J/mol⋅K - univerzalna gasna konstanta

Veza izmeu spektralne radijancije proizvoljnog tela na temperaturi T i spektralne

radijancije crnog tela na istoj temperaturi, data je preko koeficijenata emisivnosti ε(T,λ), koji

predstavlja odnos izmeu radijancije crnog tela NC(T,λ) i radijancije stvarnog tela NS(T,λ).

NS(T,λ)= ε(T,λ)⋅NC(T,λ)

Koeficijent emisivnosti je bezdimenziona veliina sa vrednošu izmeu 0 i 1.

Zavisnost temperature sjaja TS volframske lampe OSRAM Wi 17/g, N0 897, od struje

grejanja volframske trake data je relacijom polinoma etvrtog stepena:

TS=-3571.41924+1754.5543⋅I-236.53382⋅I2+15.2472⋅I3-0.37155⋅I4

Odreivanje spektralne radijancije volframske trake na temperaturi TW, i talasnoj dužini

λ, vrši se preko relacije koja je poznata kao Kirhofov zakon;

NW(TW,λ)=ε (TW,λ)⋅NC(TW,λ)

ε (TW,λ) - emisivnost volframa data u tablicama De Vosa

NC(TW,λ) - spektralna radijancija crnog tela data prema Plankovom zakonu

TW - prava temperatura volframske trake

Temperatura volframske trake TW odreuje se preko temperature sjaja TS. Temperatura

sjaja (TS) je temperatura koju bi imalo ono crno telo koje ima istu spektralnu radijanciju kao i

volframska traka na temperaturi TW i talasnoj dužini od 900 nm.


45

NS(TS,900)= ε(TW,900)⋅NC(TW,900)

Temperatura TW se izraunava korišenjem tablica zraenja crnog tela i podataka o

emisivnosti volframa metodom iteracije, a zatim se odreuje spektralna radijancija

volframove lampe na datoj temperaturi TW za proizvoljnu talasnu dužinu λ..


46

Šema 5. Optika šema aparature za kalibraciju UV meraa.


47

10.1. Optika aparatura

Mera UV zraenja je zajedno sa standardnom lampom i kvarcnim soivom postavljen

na optiku klupu. Pošto je žižna daljina kvacnog soiva koje preslikava volframsku nit u

odnosu 1:1 na površinu fotodiode f=15 cm, kvarcno soivo je postavljeno na 30 cm rastojanja

od površine fotodiode, sa jedne, i volframske trake standardne lampe sa druge strane. sloja

volframske trake je 2 mm).

površina koju osvetlljava standardna lampa jednaka Projekcija lika koji pada na

osetljivu površinu fotodiode je nomalan na nju, tako da je 2 mm2 (širina fotodiode je 1.1 mm,

a širina emisionog sloja volframske trake je 2 mm.

11. Rezultati merenja i njihova obrada

U cilju dobijanja intenziteta zraenja pojedininoj površini i jedininom uglu prvo

smo izraunali temperaturu sjaja TS, zatim smo iz Plankovog zakona izraunali spektralnu

radijanciju na temperaturi sjaja TS za talasnu dužinu od 900 nm (zato što je standardna lampa

kalibrisana na 900 nm) Za datu temperaturu sjaja TS, iz tablica De Vosa smo dobili spektralnu

emisivnost za talasnu dužinu od 900 nm. Zatim smo spektralnu radijanciju stvarnog tela našli

iz:

NS(TW,900) = NC(TS,900)/ε(TW,900)

Za dato NS smo iz tablica zraenja crnog tela ("Tabels of Blackbody Radiation

Function, Mc Milan Co, New York, 1961" M. Pivovonsky, M. Nagel) dobili smo stvarnu

temperaturu volframske niti TW. Za datu talasnu dužinu filtera i za dato TW izraunali smo

spektralnu emisivnost volframa za svaki filter ponaosob.

Efektivni prostorni ugao Ωe odredili smo odnosom efektivne površine soiva i

kvadratom rastojanja od soiva do izvora:

Ω=r2π/S2=π(0.019)2/(0.30)2=0.01260128 st

Karakteristike filtera su snimljene u Laboratoriji za ispitivanje materijala prof dr

Milene Napijalo. Pomou zavisnosti transmitivnosti filtera od talasne dužine koju smo, za


48

svaki filter ponaosob, dobili u obliku krive na grafiku, koristei funkciju krive Gausove

raspodele, odredili smo intenzitet zraenja koje pada na površinu diode (2.2 mm2).

)x(f2

xx,e2

1)x(f 2

2

2)xx(

⋅π⋅=σ

=⋅π⋅σ

= σ⋅−−

,

gde je:

σ - standardna devijacija,

f(x) - nalazimo kao maksimum krive karakteristike filtera

Grafik 10. Karakteristike filtera, zavisnost transparantnosti filtera (%) od talasne

dužine, za dva širokopojasna filtera i dva interferentna filtera od 320 nm i 370 nm.

Intenzitete zraenja dobili smo iz jednaine:

λ⋅λ⋅λε⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅π= d)T,(N)T,(TpS

)f2(r

I WCW

b

aF2

2

gde je:

f=150 mm - žižna daljina

S=2.2 mm2 - površina diode koju osvetljava standardna lampa

p=0.85 - transmitivnost kvarcnog soiva

a,b - opseg talasnih dužina koje obuhvata filter koji koristimo

TW - iz tabele br. 7, ε(λ,TW) - tabela br. 7

NC(λ,TW) - tabela br.7


49

( ) λλ⋅

⋅σ

⋅ε⋅⋅⋅⋅⋅=ε−

⋅λ

−σ

γ−λ−

d

e

Ce

192.0102.29.00126.0b,a,t,,TI

1T

01438.0

512

)(b

a

6

W

2

2

Jednainu smo rešavali pomou programa "MathCad" menjajui samo promenljive u

zagradi: T - temperatura sjaja, ε - emisivnost, t - transmitivnost filtera, a,b - granine talasne

dužine filtera

Tabela 6. Izlazni naponi i intenziteti zraenja za dva uskopojasna (320 nm, 370 nm) i širokopojasni filter (310-370 nm).

I [A] 320 [mV] 370 [mV] BB2 [mV] 10 0.93 599.1 29.38 11 2.8 968.5 88.53 12 8.56 1464 233.4 13 22.45 2103 547.5

13.5 34.6 2469 813.2 14 48.05 2894 1168

14.5 73.3 3341 1655 15 1703.3 3910 2299

15.5 146 4475 3130 16 200.8 5231 4220

Tabela 7. Temperatura sjaja TS[K], spektralna radijancija crnog tela NC(TS,900), emisivnost na (TW,900), radijancija stvarnog tela NS(TW,900), stvarna temperatura

volframske niti TW[K], intenziteti zraenja za filtere [320, 370, broad band]. Ts [K] Nc (λ,T) Nc (λ,T) ε (Tσ,900) Ns (Tw,900) Tw [K] I [320] I [370] I [BB] 1830 3.245 3.25E+10 0.394 8.236E+10 2047 0.00212 0.01694 0.02043 1937 5.257 5.26E+10 0.391 1.345E+11 2184 0.0083 0.05517 0.09713 2033 7.764 7.76E+10 0.389 1.996E+11 2309 0.0251 0.14353 0.19612 2124 10.876 1.09E+11 0.386 2.818E+11 2430 0.065 0.32875 0.47278 2167 12.629 1.26E+11 0.386 3.272E+11 2486.5 0.099 0.4725 0.69506 2209 14.532 1.45E+11 0.385 3.775E+11 2543 0.148 0.66656 1.00219 2250 16.582 1.66E+11 0.384 4.318E+11 2598.5 0.215 0.92095 1.41378 2290 18.775 1.88E+11 0.383 4.902E+11 2653 0.305 1.24834 1.95464 2331 21.231 2.12E+11 0.382 5.558E+11 2709 0.431 1.68468 2.69035 2370 23.77 2.38E+11 0.381 6.239E+11 2763.5 0.596 2.22885 3.62614


50

020406080

100120140160180200220

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6I [W/m2 ]

U [m

V]

G rafik 11. Zavisnost naponskog signala fotodiode od snage zraenja standardne lampe za interferentni filter od 320 nm

0500

10001500200025003000350040004500

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4I [W/m2 ]

U [m

V]

Grafik 12. Zavisnost naponskog signala fotodiode od snage zraenja standardne lampe za širokopojasni filter BB2

12. Zakljuak

Tema specijalistikog rada je projektovanje, izrada i ispitivanje karakteristika meraa

UV zraenja. Mera UV zraenja je projektovan kao mera UV zraenja sa fotodiodom. Za

razliku od ostalih meraa UV zraenja sa fotodiodom elektronika pojaavaa signala iz


51

fotodiode integrisana je u samo kuište što ga ini neosetljivim na spoljašnje smetnje, što je

važno ukoliko se ima u vidu da je signal iz fotodiode jako mali, pa zahteva veliko pojaanje.

Za razliku od prethodnih ispitivanja struja koja je propuštana kroz standardnu lampu

bila je skoro 50 % vea (16 A), a samim tim i zraenje u UV oblasti tako da su dobijene

vrednosti približne sunevom zraenju u atmosferskim uslovima.

Filteri koji su korišeni u merenjima pokazali su veliku linearnost u radu. Filteri od

320 nm (uskopojasni), BB1 (širokopojasni od 330 do 370 nm), a filter od 370 nm se pokazao

kao izuzetno nelinearan. To je najverovatnije zato što nije snimljen u celom spektru, pa se ne

vidi da još negde propušta neke druge talasne dužine, koje sadrži spektar standardne lampe,

koje tu nelinearnost izazivaju.

Pri merenju sunevog zraenja u atmosferskim uslovima neophodno je korišenje

teflonskog difuzora, ije je ispitivanje pokazalo da on prigušuje zraenje oko 30 % što izlazni

naponski signal svodi na vrednost od 0 do 1 V. Ukoliko se merenje vrši bez difuzora (direktno

UV zraenje) dolazi do zasienja diode, pa je merenje onemogueno.

U sluaju da je mereni naponski signal vei od maksimalne vrednosti na grafiku,

vrednost intenziteta zraenja je mogue dobiti aproksimativno, s obzirom da je grafik

linearan.

Rezultati koje smo dobili pomou meraa UV zraenja su se pokazali kao jako dobri

ne samo u pogledu linearnoasti izlaznog signala sa poveanjem intenziteta zraenja nego i u

pogledu malih odstupanja pojaavaa od nule tkzv. struje mraka (±0.05 mV) što inae

predstavlja najvei problem ureaja ovoga tipa.

Jedna od primena meraa bila je za vreme deliminog pomraenja Sunca 1999. godine

nad Beogradom kada je korišen za rad: "Komparativno posmatranje promena sunevog

zraenja pre i za vreme pomraenja Sunca", koji je objavljen na XII Nacionalnoj konferenciji

astronoma održanoj u Beogradu, a u ovom radu objavljen u Prilogu u skraenoj verziji .


52

13. Prilog

Komparativno posmatranje promena Sunevog zraenja pre i za vreme pomraenja Sunca

Tema istraživanja bila je merenje fizikih parametara koji karakterišu Sunevo zraenje

(temperatura, pritisak, vlažnost vazduha, direktno Sunevo zraenje i UV zraenje Sunca na

podruju Beograda) sa ciljem komparacije vrednosti datih parametara za pojavu pomraenja

Sunca sa vrednostima za zraenje nezaklonjenog Sunca u uslovima istog neba. Merenja su

vršena dana 10. i 11.08.1999. godine na klimatološkoj stanici Saveznog hidrometeorološkog

zavoda "Zeleno brdo" u Beogradu (geografska širina 44032', geografska dužina 20032',

nadmorska visina 243 mnm).

Na podruju Beograda pomraenje je poelo u 11:32:54, a maksimum (97.7%) je

dostiglo u 12:56:23. Pomraenje je završeno u 14:19:54, a trajalo je 2 h 49 min.

Istovremeno su vršena merenja direktnog, UV Sunevog zraenja i ostalih navedenih

meteoroloških parametara (temperatura, pritisak i vlažnost vazduha). Oblano nebo i kiša pre

poetka pomraenja onemoguili su merenja komponenti Sunevog zraenja na poetku

pomraenja, da bi se tek pred kraj pomraenja vreme razvedrilo i omoguilo preciznija

merenja. (napomena: merenje Sunevog zraenja ima smisla samo u uslovima vedrog neba).

Vrednost vazdušnog pritiska za vreme merenja: 986±0.5 hPa mereno staninim

barometrom.

Na graficima su prikazane promene temperature i vlažnosti vazduha, kao i promene

direktnog i UV Sunevog zraenja pre i za vreme pomraenja Sunca. Merenja su vršena

pomou: pirheliometra (subetalon za merenje direktne komponente Sunevog zraenja)

"Linke Feussner" G1033, meraa UV zraenja, staninog termografa, barometra i higrografa.

Zbog prodora hladnog fronta i vremenske nestabilnosti tamperaturska varijacija nije bila

kao što se oekivalo, iako je skretanje sa uzlazne putanje dnevnog porasta temperature

oigledno, za oko 2 oC. Slino temperaturi, vlažnost vazduha se poveala samo za nekoliko

procenata, verovatno zbog kratkotrajnosti dogaaja, inertnosti vlage kao i loših vremenskih

uslova tokom merenja.


53

21.5

22

22.5

23

23.5

24

24.5

25

25.5

26

26.5

9:36 10:04 10:33 11:02 11:31 12:00 12:28 12:57 13:26 13:55 14:24 14:52 15:21 15:50 16:19vreme

tem

pera

tura

(C)

70

72

74

76

78

80

82

84

86

88

10:30 10:51 11:13 11:34 11:56 12:18 12:39 13:01 13:22 13:44 14:06 14:27 14:49 15:10vreme

vla`

nost

(%)

Grafik I. Temperatura merena dana

11.08.1999. godine na stanici Zeleno brdo. Grafik II. Vlažnost merena dana 11.08.1999.

godine na stanici Zeleno brdo.

400

450

500

550

600

650

700

11:02 11:16 11:31 11:45 12:00 12:14 12:28 12:43 12:57 13:12 13:26 13:40 13:55

vreme

snag

a di

rekt

nog

Sun

~evo

g zr

a~en

ja (W

/m2)

0

100

200

300

400

500

600

700

800

10:33 10:59 11:25 11:51 12:17 12:43 13:09 13:35 14:00 14:26 14:52

vreme

snag

a di

rekt

nog

Sun

~evo

g zr

a~en

ja (W

/m2)

Grafik III. Snaga direktnog Sunevog

zraenja merena dana 11.08.199. godine na stanici Zeleno brdo.

Grafik IV. Snaga direktnog Sunevog zraenja merena dana 10.08.1999. godine na

stanici Zeleno brdo.

1.161.181.2

1.221.241.261.281.3

1.321.341.361.38

11:16 11:31 11:45 12:00 12:14 12:28 12:43 12:57 13:12 13:26 13:40 13:55vreme

napo

n (V

)

00.150.3

0.450.6

0.750.9

1.051.2

1.351.5

1.65

11:16 11:34 11:51 12:08 12:25 12:43 13:00 13:17 13:35 13:52 14:09 14:26vreme

napo

n [V

]

Grafik V. UV Sunevo zraenje izraženo u Voltima mereno 10.08.1999. godine na


Grafik VI. UV Sunevo zraenje izraženo u Voltimab mereno 11.08.1999. godine na


Sa grafika IV i VI se jasno može videti da su opadanje intenziteta UV zraenja i

intenziteta direktnog Sunevog zraenja, pad temperature i porast vlažnosti bili simultani sa

stepenom pomraenja Sunca, dok na graficima III i V vidimo kako se ti parametri menjaju

tokom vedrog, sunanog dana.

Intenzitet UV zraenja opada malo sporije nego intenzitet direktnog Sunevog zraenja,

ali oni istovremeno dostižu minimum u trenutku najveeg stepena zaklonjenosti Sunca

Mesecom. Takoe, lokalni pikovi UV zraenja, nastali zbog velike oblanosti, su manji od


54

lokalnih pikova direktnog Sunevog zraenja. Ove pojave se mogu objasniti na sledei nain:

fluks globalnog UV Sunevog zraenja se sastoji od dve komponente: fluksa direktnog

Sunevog zraenja i fluksa difuznog Sunevog zraenja. Tokom dana difuzna komponenta

UV zraenja nadmašuje direktnu komponentu u zavisnosti od visine Sunca i atmosferske

zamuenosti. Analizom maksimuma posle pomraenja na grafiku IV i dnevnog maksimuma

dan pre pomraenja na grafiku III, vidimo da je optika zamuenost na dan pomraenja manja

nego prethodnog dana, pa je i intenzitet direktnog Sunevog zraenja vei.

Astronomski prorauni pokazuju da je stepen zaklonjenosti Sunca Mesecom bio 97.7

%, ali na žalost, pomou fizikih parametara koji su dobijeni merenjima, možemo samo da

zakljuimo da je pomraenje na podruju Beograda bilo skoro potpuno, ali ne i koliko. Da su

vremenski uslovi bili idealni (nebo bez oblaka, mala optika zamuenost..) stepen

zaklonjenosti Sunca bi verovatno mogao biti precizno procenjen na osnovu izmerenih

parametara Sunevog zraenja.


55

14. Litratura:

(1) Kinsell, C., 1975, Solar and Terrestrial Radiation, Academic Press, New York, 1975

(2) ENCYCLOPEDIA BRITANNICA, 1997.

(3) Miovi, V., 1997, Ona traumatologija, Beograd.

(4) Pathak, M. and Fitzpatric, T., 1993, Dermatology in general medicine, Vol. 1(2),

ch.137,: "Preventive Treatment of Sunburn Dermatoheliosis, and Skin Cancer with Sun

Protective Agents", McGraw Hill.

(5) Internet sajt: Institute of Medical Physics University of Veterinary Medicine Vienna.

(6) WMO (World Meteorological Organisation), 1992, WMO and the Ozone Issue,

Geneva.

(7) WMO (World Meteorological Organisation), 1996, GUIDE to Meteorological

Instruments and Methods of Observation, No6, Geneva.

(8) Centre for Atmospheric Science, 1998, Ozone, Cambridge University, UK (skinuto sa

sajta WMO).

(9) WMO (World Meteorological Organisation), 1999, THE FIFTH WMO LONG - TERM

PLAN (2000 - 2009).

(10) Kohler, U., Vandersee, W., Winkler, P., Gantner L., 1998,: Spectral and Integral

Observations of UV-B Radiation and Ozone Measurements, Deutscher Wetterdienst, 1998.

(11) Pivovonsky, M. and Nagel, M., 1961, Tabels of Blackbody Radiation Function, New

York, 1961.

suncevo zracenje

Documents