Solární a ozonová observatoř, Zámeček 456, 500 06 Hradec Králové 6 tel.:+420 495 279 261 e-mail: obshk@chmi.cz Ozonová vrstva: Monitoring, stav, vývoj a budoucnost L.Metelka ČHMÚ Solární a ozonové oddělení Hradec Králové •Monitoring ozonové vrstvy v ČR a ve světě •Princip měření ozonu •Pozemní měření vertikálních profilů ozonu •Systém kalibrací přístrojů •Ochrana ozonové vrstvy •Současný stav a budoucí vývoj ozonové vrstvy •Antarktická ozonové díra •Budoucnost měření ozonu Česká republika – pracoviště ČHMÚ: Radiosondážní oddělení ČHMÚ v Praze na Libuši Ozonové sondáže 3x týdně (pondělí, středa, pátek) od ledna do dubna Ozonové čidlo je elektrochemický koncentrační článek tvořený dvěma elektrodami ponořenými v katodové a anodové komůrce do roztoků jodidu draselného odlišných koncentrací. Komůrky jsou vzájemně propojeny iontovým můstkem. V průběhu měření je čidlem pomocí pumpy prosáván vzduch obsahující ozon. Ozon reaguje s katodovým roztokem a z výsledků elektrochemické reakce jsou následně počítány koncentrace ozonu. Vzorkování: dříve po 5 s, dnes standard 2 s, nejnovější systémy (Libuš - DigiCora) po 1 s. Výhody: vysoká přesnost a vertikální rozlišení Nevýhody: cena, vertikální dosah (30-35 km) Jen stručně, výhody a nevýhody Solární a ozonové oddělení ČHMÚ v Hradci Králové: Vzniklo v 50.letech 20.století jako „experimentální pracoviště“ ČHMÚ, umístěno v budově (tehdy nové) hvězdárny v Hradci Králové. Měření ozonu od roku 1961 (Dobsonův spektrofotometr), stejně jako klimatologická měření (dnes automatická stanice). Radiační měření od roku 1964. Měření: ozon včetně vertikálních profilů, UV záření (UV index), složky radiační bilance atmosféry (globální, přímé, difuzní záření v krátkovlnné oblasti + reflexe nad travnatým porostem, vyzařování oblohy v IR oblasti) 4 zaměstnanci Solární a ozonové oddělení ČHMÚ v Hradci Králové - funkce: 1.Národní radiační centrum •kalibrace čidel pro staniční síť ČHMÚ i externí zákazníky (pyranometry, UV biometry, elektronické slunoměry) •metodické vedení radiačních měření v síti ČHMÚ •národní pyrheliometrický etalon • 2.Sekundární regionální evropské kalibrační centrum pro Dobsonovy spektrofotometry •Primární evropský standard = D064, Hohenpeissenberg, Německo (RDCC-E) •Sekundární evropský standard = D074, SOO Hradec Králové • 3.Subregionální kalibrační centrum pro Brewerovy spektrofotometry •Pro ČR, Slovensko, Polsko, Maďarsko •B098 (Mk IV - jednoduchý monochromátor) •B184 (Mk III - dvojitý monochromátor) • 4.Řešitel projektu měření ozonu a UV záření v Antarktidě (stanice Marambio, Antarktický poloostrov), B199 (Mk III – dvojitý monochromátor), od února 2010 P1010006 Princip přístrojů viz dále Jedna nutná definice – UVA, UVB, UVC. Význam UVB oblasti pro měření ozonu Ozonová vrstva •Objevena 1913 – Charles Fabry, Henri Buisson •Počátek 20. století – znám Planckův zákon, Stefan-Boltzmannův zákon,… •Intenzity UV záření při povrchu neodpovídaly teoretickým předpokladům Þ něco v atmosféře absorbuje UV záření • • • • • • • • •Ozon absorbuje právě na těch vlnových délkách, kde je u povrchu deficit UV záření Þ to „něco“ je ozon •Ozonu je ale při zemi málo na to, aby takto silně absorboval UV záření Þ výše v atmosféře se vyskytují vyšší koncentrace ozonu než jaké jsou při zemi •Způsob vzniku ozonu v atmosféře (absorpce UV záření na O2) Þ teoretické odvození výšky ozonové vrstvy uv_flux_graph.gif Albert Einstein, Max Planck, Svante Arrhenius,… Ozonová vrstva Jen stručně Ozonová vrstva Vertikální profil odvození.png Jen schema, důležité rozdělení na 2 oblasti Princip měření ozonu Lambert-Beerův zákon pro 2 vlnové délky I‘ = I0‘ . e-mt‘ I” = I0” . e-mt” Zlogaritmováním a úpravou: ln(I0‘ / I0”) - ln(I‘ / I”) = m(t‘ - t”) ln(I0‘ / I0”) » const. (nutno zjistit při kalibraci, „extraterestrické konstanty přístroje“) ln(I‘ / I”) – měří se m - optická hmota atmosféry, geometrický faktor (zenit = 1) t - optická tloušťka atmosféry (reprezentuje schopnost atmosféry zeslabovat záření) t‘ - t” – pokud je vliv „neozonových“ plynů a aerosolů přibližně stejný na obou vlnových délkách, závisí jen na množství ozonu Þ lze spočítat množství ozonu Páry vlnových délek vybrány tak, aby byl rozdíl v absorpčních koeficientech na ozonu co největší, ale na ostatních plynech a aerosolech co nejmenší. Vysvětlit extraterestrickou konstantu PŘÍSTROJE Dobson optical.jpg hdoas_fig6.jpg Dobson Dobson_Spectrometer.jpg Manuální obsluha Otevřená optika (nelze měřit při dešti, sněžení,…) Měření: •DS (Direct Sun) •ZB (Zenith Blue) •ZC (Zenith Cloud) Měří pouze ozon Schema Dobsona popsat stručně 61_DP_prinzipiell_Add_D-MR.jpg 61_DP_prinzipiell_Add_D-MR single.jpg Brewer Automatický, řízený počítačem Lze měřit za jakéhokoli počasí Jednoduchý nebo dvojitý monochromátor Měření: •DS (Direct Sun) •ZS (Zenith Sky) •GI (Global Irradiance) •FM (Focused Moon) Měří: •ozon •vertikální profily ozonu („Umkehr“) •intenzity UV záření od cca 286 do 325 nm (single), resp. 286 do 363 nm (double) Brewer - stručně Umkehr měření – vertikální profily ozonu Zenitová měření těsně po východu nebo těsně před západem Slunce. Vyžaduje dobré metrorologické podmínky (bez oblačnosti, zejména v zenitu). Vychází z kombinace rozptylu UV záření na molekulách vzduchu a jeho absorpce na molekulách ozonu. Výsledek: množství ozonu ve vrstvách po cca 5 km umkehr.jpg Normálně lze z profilu spočítat závislost intenzity záření na zenitovém úhlu. Řešíme ale obrácenou úlohu – ze závislosti intenzity záření na zenitovém úhlu odvodit profil Apriori profil, iteracemi se přiblížit k řešení (profilu) – není úplně matematicky jednoduché. Klára – nutnost dvou APP na Marambiu. Umkehr měření – vertikální profily ozonu SONDÁŽ ODMI-LIBUŠ, 29.1.2016.png UMKEHR HK-SOO, 29.1.2016.png Umkehr měření hrubší, ale do větších výšek, výrazně levnější (používá se stávající technika) Jednotky množství ozonu: Dobsonova jednotka (D.U.) = 0,01 mm silná vrstva ozónu shromážděného ze sloupce ozónu nad daným místem u zemského povrchu za standardních podmínek (teplota 0 °C a tlak 1013,25 hPa). Homogenní atmosféra: hustota nezávislá na výšce, stejná jako přízemní při 0 °C a 1013,25 hPa – výška cca 8 km. Rozvrstvení podle plynů: N2 = 6240 m, O2 = 1680 m, Ar = 80 m, CO2 = 3,2 m, ... , O3 = 3-4 mm. Různé jednotky na vodorovné ose. Vysvětlit D.U. Možno zmínit homogenní atmosféru. CO2 kdysi bylo něco přes 2 m, teď je něco přes 3 m. Monitoring ve světě Základ = Brewerovy spektrofotometry Dobsonovy spektrofotometry – přemísťování nepoužívaných přístrojů do oblastí bez měření Ozonové sondy – někde poměrně nestabilní síť, v chudších zemích se neobejde bez dotací nebo stanici přímo provozuje „cizí“ meteorologická služba. Červen – trénink operátorů Nairobi (Brewer) Satelitní monitoring Vzájemný „překryv“ družic (vzájemná kontrola, stárnutí čidel, nemožnost kalibrace – porovnání s pozemním měřením) Několik typů měření (nadir, limb) A-Train: •družice pro monitorování Země (atmosféra včetně chemie, oblačnost, led, oceány,…) •heliosynchronní dráha •přelety – časné odpoledne (cca 1:30 PM místního času) •komplexní monitoring 1x denně Satelitní monitoring Projekt AC SAF (dříve O3M SAF) = Atmospheric Composition Satellite Application Facility: využití družicových dat pro sledování složení atmosféry. Veden finskou státní meteorologickou službou (FMI). Založen na datech z přístroje GOME2 (Global Ozone Monitoring Experiment–2) na družicích Metop. Celkový ozon z družice METOP A (2006) a METOP B (2012). Patří EUMETSATu. Přístroj GOME-2 (Global Ozone Measuring Experiment) - nadir. Obrázky na webu ČHMÚ. Cca 3 přelety denně Kalibrace přístrojů: •nutné k udržení kvality měření •Relativní: srovnání s přístrojem „vyšší třídy“ (kalibračním etalonem) •Absolutní: bez dalšího přístroje, na základě fyzikálních principů (nutné pro etalony „nejvyšší úrovně“) • Relativní kalibrace: Dobsonovy spektrofotometry: světový standard - Dobson D083, Boulder, Colorado •Kalibrace provozních Dobsonů 1x za 5 let pomocí regionálních standardů Brewerovy spektrofotometry • • • • • • • • • • • • • • • •„triáda“ Brewerů (B#008, B#014, B#015), Toronto (Kanada) •další „triáda“ na Izaně (Kanárské ostrovy), SOO historicky navázáno na Toronto •stabilita a přesnost do 0,5% •absolutně kalibrované na Mauna Loa (Havaj) •na kanadskou triádu navázán „cestovní“ kalibrační standard B#017 (speciálně upravený), který se používá ke kalibraci provozních spektrofotometrů •Kalibrace Brewerových spektrofotometrů 1x za 2 roky (poslední v HK v červnu 2017) Absolutní kalibrace: za vhodných podmínek lze určit extraterestrické konstanty přístroje i bez kalibračního standardu Lambert-Beerův zákon: I/I0 = e-mt I měříme, m lze spočítat, t pro ozon chceme zjistit (je závislé na celkovém množství ozonu), ale neznáme I0. I0 nutno zjistit kalibrací („extraterestrická konstanta přístroje“) Logaritmus Lambert-Beerova zákona: ln I = ln I0 - mt = lineární závislost ln I na m (t = směrnice) Za předpokladu konstantní hodnoty t měříme I pro různá m, pak lineární regrese a extrapolace k m=0 (Langley plot, Langleyho extrapolace) Vysvětlit extraterestrickou konstantu. Absolutní kalibrace- Langley plot https://eko-eu.com/images/2363/popup/langley_plot-popup.png Požadavky na kalibraci pomocí Langley plotu: •Velký rozsah hodnot m, od vysokých hodnot až co nejblíže k 1 Þ lokalita v nízkých zeměpisných šířkách v době, kdy Slunce stoupá až k zenitu Þ ideálně mezi obratníky nebo v jejich blízkosti • •Konstantní hodnoty t během měření (několik hodin) – zejména lokality s co nejmenším denním chodem aerosolů Þ izolovaná lokalita daleko od zdrojů znečištění • •Výhoda = lokality s velkou nadmořskou výškou Þ vyšší hora, kopec Podmínky nejlépe splňují např. vyšší ostrovy v subtropech, daleko od pevniny (Mauna Loa – Havaj, 3400 m n.m. nebo Izaňa-Teide – Kanárské ostrovy, 2373 m n.m.), kde se absolutně kalibrují i přístroje (standardy) pro relativní kalibrace jinde ve světě Ochrana ozonové vrstvy •po 2.světové válce využívání chlorovaných uhlovodíků (chladírenství, hnací plyny,…). Stabilní, nehořlavé, málo toxické, levné na výrobu. Průmyslové označení některých z nich – „freony“, později se tak začaly označovat prakticky všechny chlorované uhlovodíky s potenciálem ničit ozon. •1974: Sherwood Rowland (USA), Mario Molina (MEX) a Paul Crutzen (NL) upozornili na negativní účinky freonů na ozonovou vrstvu a popsali mechanismus procesu (1995 – Nobelova cena za fyziku). Začátek politických jednání. Ochrana ozonové vrstvy •1985: Joe Farman, Brian Gardiner a Jonathan Shanklin (GB) popsali naměřenou výraznou redukci ozonu v Antarktidě (až o 40%) v období 1975-1984. Pojem „ozonová díra“. Publik. 1985. •1985: Podpis Vídeňské konvence o ochraně ozonové vrstvy (jen rámcová dohoda bez konkrétních závazků a limitů, platnost od r. 1988, 197 států). •1987: Podpis Montrealského protokolu („realizační dohoda“ k Vídeňské konvenci, už obsahoval limity a závazky, platnost od r. 1989, 197 států). •Samotný MP nebyl schopen zajistit ochranu ozonové vrstvy, to umožnily až jeho dodatky •Dodatky: Londýn 1990, Nairobi 1991, Kodaň 1992, Bangkok 1993, Vídeň 1995, Montreal 1997, Austrálie 1998, Peking 1999, Kigali 2016 (zaměřený na HFC – skleníkové plyny) • Kigali 2016 – HFC (Kjotský nebo Montrealský protokol???) Ochrana ozonové vrstvy Před MP: CFC (chlorofluorokarbony) Vysoký ODP (Ozone Depleting Potential) + skleníkové plyny. Zakázány prvními dodatky MP na začátku 90.let 20.století První fáze: CFC nahrazovány HCFC (hydrochlorofluorokarbony). Nižší ODP, ale stále nebezpečné + skleníkové plyny. Zakázány od roku cca 2015. Druhá fáze a současnost: HCFC nahrazovány HFC (hydrofluorokarbony) Nulový ODP (neobsahují chlor), ale silné skleníkové plyny. Setrvání v atmosféře měsíce až roky. Zatím používány (např. HFC-134a v automobilových klimatizacích). Budoucnost: Stávající HFC nahrazovány jinými s kratší dobou setrvání v atmosféře (dny až týdny) Jinak k roku 2050 cca 25% skleníkového efektu by bylo způsobeno plyny typu HFC… Stav ozonové vrstvy Hodnoty EESC (Effective Equivalent Stratospheric Chlorine) klesají. Je to výsledek působení Montrealského protokolu a jeho dodatků. Návrat na hodnoty, odpovídající roku 1980, je kolem roku 2050 v mírných šířkách a 2075 v polárních oblastech. Scientific Assessment of Ozone Depletion: 2014 Celá zpráva: http://www.wmo.int/pages/prog/arep/gaw/ozone_2014/ozone_asst_report.html Každé 4 roky, zpráva 2018 se připravuje, v současnosti review. Modelování ozonové vrstvy Dynamicko-chemické modely (chemické reakce, radiační vlastnosti sloučenin) Modely ukazují souvislost mezi problematikou ozonové vrstvy a změnami klimatu: •Některé ODS (CFC, HCFC) jsou skleníkovými plyny •Jejich náhrady – HFC – zpravidla silné skleníkové plyny (pokud nebudou redukovány, mohou k roku 2050 působit cca 25% radiačního „forcingu“) Jen ukázka validace modelů. Zdůraznit souvislost problematiky ozonu a změn klimatu. Budoucnost ozonové vrstvy Po roce cca 1995 naznačen rostoucí trend, ale vzhledem k velké meziroční variabilitě zatím nelze spolehlivě statisticky ověřit (odhad: cca 2020) Návrat celkového ozonu na hodnoty roku 1980: •2025 - 2040 pro roční globální průměrné hodnoty •2030 - 2040 pro roční průměrné hodnoty mírných šířek jižní polokoule •2015 - 2030 pro roční průměrné hodnoty mírných šířek severní polokoule •2025 - 2035 pro průměrné jarní hodnoty v Arktidě •2045 - 2060 pro průměrné jarní hodnoty v Antarktidě Projekce, zmínit nárůst TOC nad hodnoty před rokem 1980 Vliv zesilování skleníkového efektu na ozonovou vrstvu •Oteplování troposféry, ale ochlazování stratosféry •Ochlazení stratosféry – vyšší koncentrace ozonu (pokud nedojde k tvorbě PSC) •Zintenzivnění Brewer-Dobsonovy cirkulace: pokles množství ozonu v tropech, nárůst v mimotropických oblastech „SUPERRECOVERY“ = souvislost se změnami klimatu Projekce pro různé scénáře radiačního působení GHG Ochlazování stratosféry a tvorba PSC: PSC I: kyselina dusičná (NAT = Nitric Acid Trihydrate, trihydrát kyseliny dusičné = HNO3+3.H2O), voda, kyselina sírová – pod cca -78°C (mírně závisí na tlakové hladině) PSC II: prakticky jen voda – pod cca -88°C (mírně závisí na tlakové hladině), v Arktické stratosféře se jen výjimečně vyskytují teploty, při kterých vzniká PSC II Polar_Stratospheric_Cloud_type_I_above_Cirrus.jpg Polar_stratospheric_cloud_type_2.jpg Ochlazování stratosféry – vliv na PSC. Ochlazování stratosféry a tvorba PSC: Homogenní chemie: •všechny látky ve stejném skupenství •s klesající teplotou se zpomalují procesy destrukce ozonu – množství ozonu mírně roste • Heterogenní chemie: •látky v různém skupenství (typicky PSC) •na pevných površích výrazně zesilují procesy destrukce ozonu – množství ozonu výrazně klesá (typické pro antarktickou ozonovou díru) • Chemie stratosféry: •velmi komplikovaná, desítky sloučenin (často „exotických“), stovky reakcí •Nízké teploty a tlaky – jiné reakce a jiné sloučeniny než při zemi •Vliv fotochemických procesů (UV záření) Rozdíl homogenní a heterogenní chemie. Některé látky ve stratosféře nemohou stabilně existovat v přízemních podmínkách Ochlazování stratosféry a tvorba PSC: Pokles koncentrací látek, poškozujících ozon ALE Ochlazování stratosféry: •Zesilování cirkumpolárního víru •Četnější tvorba PSC Ochlazování – větší tvorba PSC i v severních pol.oblastech – ozonové minidíry (2011) main_geography_zoom.jpg Antarktida: pevnina obklopená oceánem Arktida: oceán obklopený pevninou Rozdíly mezi Arktidou a Antarktidou Antarktida Arktida Cirkumpolární vír intenzivní symetričtější stabilnější slabší méně symetrický méně stabilní Teploty stratosféry velmi nízké vyšší než v Antarktidě Mechanismus vzniku ozonové díry Konec zimy (červenec-srpen): Intenzivní cirkumpolární vír izoluje vzduch v polárních oblastech od vzduchu mírných šířek. Při nízkých teplotách se tvoří PSC I i PSC II (kyselina dusičná může vychytávat chlor, ale je vymrzlá v PSC I). Freony nejsou aktivovány UV zářením. Poklesy ozonu dány heterogenními reakcemi na částečkách PSC I a PSC II. Kolem rovnodennosti (září): UV záření – aktivují se freony, odštěpí se z nich atomární chlor a ten začne katalyticky ničit ozon. Reakce jsou urychlovány na pevných površích (krystalky PSC II). Kyselina dusičná je stále vymrzlá v PSC I. Výrazné poklesy ozonu. Říjen-listopad: Oteplování stratosféry – vypařování PSC, kyselina dusičná zpět do atmosféry a začne vychytávat chlor. Cirkumpolární vír zeslabuje, polární vzduch méně izolovaný, do polárních oblastí vzduch z mírných šířek – vyplňování ozonové díry. Vzestup množství ozonu. Ozonová díra: oblast s celkovým množstvím ozonu 220 D.U a méně Existovala antarktická ozonová díra v „předfreonové“ době? Pravděpodobně ne nebo alespoň ne pravidelně a v takovém rozsahu Ch 4 antarkt area min.png halley_toms_ozone.png Příčina nejasná, ale možnosti: •Zesílení BDC: vysvětluje situaci v tropických a subtropických oblastech, nikoli v mírných šířkách •Nárůst výšky tropopauzy: pozorováno i v mírných šířkách • • • • • • • • • • •ODS s krátkou dobou života se rychle dostávají troposférou do spodní stratosféry, nemohou ale působit v horní stratosféře (rozpadnou se, než se tam dostanou) Velká citlivost stability ozonu na teplotě pandora.jpg Odvozené z družicových detektorů - měří na všech vlnových délkách současně (každé 2 s) Rozsah 280 – 525 nm s krokem 0,5 nm (UV-B + UV-A + částečně VIS) Detekce O3 (celkový, profil), NO2 (celkový, profil), SO2, H2O, HCHO (formaldehyd), O2O2, BrO, aerosoly, … Méně pohyblivých součástí než Brewer, levnější Detektor oddělený, světlo do detektoru optickým vláknem Budoucnost měření ozonu PANDORA Zdůraznit rozdíl oproti sekvenci měření Brewerem – 7 minut Výhoda – detektor v interieru, signál optickým vláknem Časová variabilita ozonu - Thessaloniki Hlavně vyšší četnost měření, zatím ne vyšší přesnost … a to by bylo pro dnešek všechno, děkuji za pozornost…