ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ

 

Η εργασία αυτή έγινε στα πλαίσια του ετήσιου Προγράμματος Επιμόρφωσης Καθηγητών Δευτεροβάθμιας Εκπαίδευσης, περιόδου 2000-2001.

Ευχαριστώ θερμά όλους τους καθηγητές του Φυσικού και του Παιδαγωγικού τμήματος του Πανεπιστημίου Αθηνών που κατέβαλαν κάθε δυνατή προσπάθεια ώστε το πρόγραμμα αυτό να τελειώσει με επιτυχία και να προσφέρει  σημαντική υποστήριξη στο εκπαιδευτικό μας έργο μας..

Ιδιαίτερα  ευχαριστώ τον καθηγητή κ. Κων/νο Βαρώτσο με την επίβλεψη και καθοδήγηση του οποίου πραγματοποιήθηκε η εργασία αυτή.

Τέλος, ευχαριστώ την Μαρία Ευσταθίου και Ελίνα Πιπερίδη για την πολύτιμη βοήθειά τους στην θεωρητική προσέγγιση των μετρήσεων.    

 

Στέλιος Μαργαρίτης 

        Φυσικός

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ

 

1.ΕΙΣΑΓΩΓΗ                                                                                                           σελ.3

1.1 Πεδίο ηλιακής ακτινοβολίας – Ορισμοί

1.2 Ατμοσφαιρικό όζον και η UV-B

1.3 Η τρύπα του όζοντος και οι χλωροφθοράνθρακες

1.4 Επιπτώσεις των μεταβολών του όζοντος

 

2.ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ                                                                                   σελ.8

 

3.ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΠΡΟΣΕΓΓΙΣΗ ΤΩΝ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ                                       σελ.14

 

4.ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ                                                                                             σελ.23

 

5.ΑΝΑΦΟΡΕΣ                                                                                                         σελ.24

 

6.ΠΑΙΔΑΓΩΓΙΚΟ ΜΕΡΟΣ                                                                                   σελ.26

   

1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ

 

 

1.1 Πεδίο ηλιακής ακτινοβολίας – Ορισμοί

 Η ακτινοβολία γενικά είναι μια μορφή ενέργειας που διαδίδεται με ηλεκτρομαγνητικό κύμα. Ο ήλιος είναι η ισχυρότερη πηγή ενέργειας για τη γήινη ατμόσφαιρα και την τροφοδοτεί με ενέργεια τουλάχιστον 100.000 φορές μεγαλύτερη απ’ ότι όλες οι άλλες πηγές μαζί (αστραπές, κοσμική ακτινοβολία, φεγγαρόφως, μετεωρίτες κ.λ.π.).  Η εσωτερική θερμοκρασία του ήλιου είναι πολύ μεγάλη  με την φωτόσφαιρα (εξωτερική του επιφάνεια) περίπου στους .

Η ακτινοβολία που εκπέμπει ο ήλιος στη γη μεταβάλλεται μέσα σ’ ένα έτος κατά 3,5% λόγω του ότι μεταβάλλεται η απόστασή του από τη γη. 

Δύο είναι τα κύρια χαρακτηριστικά του πεδίου της ακτινοβολίας: η Ένταση και η Ροή.

·        Η Ένταση της ακτινοβολίας (radiance-luminocity)  είναι μια ποσότητα ενέργειας στη μοναδιαία περιοχή μηκών κύματος, στη μοναδιαία στερεή γωνία ανά μονάδα χρόνου και ανά μονάδα επιφάνειας κάθετη προς τη διεύθυνση διάδοσης της ακτινοβολίας. 

Μονάδα μέτρησης της ολικής έντασης της ακτινοβολίας σε μοναδιαία γωνία είναι το .

·        Η Ροή ακτινοβολίας (radiant flux ή irradiance)  εκφράζει την ενέργεια της ακτινοβολίας μήκους κύματος  ανά μονάδα επιφάνειας και ανά μονάδα χρόνου. 

Η συμβατή μονάδα της ροής της ακτινοβολίας είναι το

·        Το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα της ηλιακής ακτινοβολίας φαίνεται στον παρακάτω πίνακα:

 

Φασματική περιοχή (μ)

Υποομάδες

Συμβολισμός

ΥΠΕΡΙΩΔΗΣ - UV

(0,20-0,40)

 

0,20-0,28

UV-C

0,28-0,32

UV-B

0,32-0,40

UV-A

 

 

 

ΟΡΑΤΗ - S

(0,40-0,75)

 

0,40-0,52

S-A

0,52-0,62

S-B

0,62-0,75

S-C

ΥΠΕΡΥΘΡΗ - IR

(0,75-24)

 

0,75-1,4

IR-A

1,4-3,0

IR-B

3,0-24

IR-C

 

Η φασματική περιοχή με τα μικρότερα μήκη κύματος λ< 400 nm ονομάζεται υπεριώδης.  Οι ομάδες που υποδιαιρείται η υπεριώδης είναι οι εξής:

α) “κοντινή UV  (320 - 400 nm)

β) “μακρινή UV” (280 – 320 nm)

γ) “κενού UV    (1 – 280 nm)

 

                 Ποιά είναι όμως η συνεισφορά της ηλιακής υπεριώδους ακτινοβολίας στο συνολικό ποσό της ηλιακής ακτινοβολίας και από τι επηρεάζεται;

·         Η ηλιακή σταθερά είναι περίπου

·        H UV-A  είναι περίπου , ποσοστό 5,6  - 6,4 της ολικής ηλιακής ακτινοβολίας.

·        Η UV-B είναι περίπου , ποσοστό 1,5 - 1,7 της ολικής ηλιακής ακτινοβολίας.

·        Τέλος, το ποσοστό της UV- C είναι περίπου το 0,7 μόνο.

                 Τελικά το φάσμα των μηκών κύματος της ηλιακής υπεριώδους ακτινοβολίας (λ< 400 nm) θα συμβάλλει περίπου 4 στη συνολική ενέργεια που λαμβάνει η επιφάνεια της γης από τον ήλιο.

Όσο μειώνεται η γωνία πρόσπτωσης της ηλιακής ακτινοβολίας μειώνεται και η ποσότητα της ακτινοβολίας που φτάνει στην ατμόσφαιρα, με εμφανέστερη τη μείωση των μικρών μηκών κύματος.  Το μεγαλύτερο όμως ποσοστό της ενέργειας για μήκη κύματος 390 nm ή λιγότερο θα απορροφηθεί από το Ο3  ή το Ο2 μέσα στη στρατόσφαιρα.  Από τα  περίπου της UV-B εξωγήινης ηλιακής ακτινοβολίας μόνο το  περίπου φτάνει στην επιφάνεια της γης για γωνία πρόσπτωσης 900.

1.2 Το ατμοσφαιρικό όζον και η UV-B

To 1839 ανακαλύφθηκε το όζον και καθιερώθηκε ως ένα φυσικό συστατικό της ατμόσφαιρας μετά το 1850.  Το όζον είναι εξαιρετικά λίγο στην ατμόσφαιρα του πλανήτη μας.  Κατά μέσο όρο σε κάθε 10 εκατομμύρια μορίων αέρα, μόνο τα 3 μόρια είναι όζον.  Το σπάνιο αυτό αέριο βρίσκεται κατά 90% στη στρατόσφαιρα, ανάμεσα στο 10 Km – 50 Km από τη γήινη επιφάνεια και το υπόλοιπο 10% στην τροπόσφαιρα, δηλαδή από 0 – 10 km ύψος.

Πειράματα που έγιναν το 1880 έδειξαν ότι το όζον απορροφά έντονα την υπεριώδη ακτινοβολία. Έτσι τα μόρια του όζοντος παίζουν ένα ζωτικό ρόλο για τη ζωή στον πλανήτη μας, αφού απορροφούν το μεγαλύτερο μέρος της βιολογικά καταστρεπτικής ηλιακής υπεριώδους ακτινοβολίας και ιδιαίτερα της UV-B, επιτρέποντας μόνο μικρές ποσότητες να  φτάσουν στην επιφάνεια της γης.  Το «λιγοστό» λοιπόν αυτό αέριο που αν μεταφερόταν υπό κανονικές συνθήκες στην επιφάνεια της γης θα δημιουργούσε ένα στρώμα πάχους μόλις 3mm(!) περίπου, παίζει καθοριστικό ρόλο για τη ζωή και όχι μόνο.  Η μέγιστη συγκέντρωση που εμφανίζει το όζον είναι ανάμεσα στο 19ο και 23ο Km.

Tο 1920 ο G.M.B Dobson τελειοποίησε ένα όργανο για τη μέτρηση του όζοντος που χρησιμοποιείται μέχρι και σήμερα. Μέχρι το 1970, κανένας δεν είχε φανταστεί ότι η μείωση του στρώματος του όζοντος μπορεί να οφείλεται και στην ανθρώπινη δραστηριότητα.  Υπήρχαν πάντως υποψίες για ένα συσχετισμό του καρκίνου του δέρματος με την αυξημένη υπεριώδη ακτινοβολία.

1.3 Η τρύπα του όζοντος και οι χλωροφθοράνθρακες

Το φαινόμενο της έντονης μείωσης του στρατοσφαιρικού όζοντος που σε μερικές τοποθεσίες όπως στην Ανταρκτική φτάνει το 60% την περίοδο Σεπτεμβρίου-Οκτωβρίου (περίοδος ανοίξεως για το νότιο ημισφαίριο), είναι κοινά γνωστό σαν «τρύπα του όζοντος».

Γενικά στα μέσα και μεγάλα γεωγραφικά πλάτη υπάρχουν τα μεγαλύτερα ποσοστά μείωσης.  Μειώσεις του όζοντος της στρατόσφαιρας της τάξης του 10% θα μπορούσαν να έχουν ως αποτέλεσμα βιολογικά πιο ενεργή UV-B ακτινοβολία κατά 20%.  Η σημαντικότερη μείωση του όζοντος εμφανίζεται την άνοιξη πάνω από την Ανταρκτική, λόγω του μοναδικού συνδυασμού των καιρικών συνθηκών.  Οι συνθήκες αυτές ευνοούν τις καταστρεπτικές για το όζον αντιδράσεις με την παρουσία του ηλιακού φωτός.

Η συνεχιζόμενη μείωση της ολικής τιμής του όζοντος από το 1970 είναι στατιστικά σημαντική, κατά τη διάρκεια όλου του έτους. Η αθροιστική μείωση πάνω από τα μέσα και πολικά γεωγραφικά πλάτη είναι κοντά στο 10%, ενώ πάνω από τη ζώνη του Ισημερινού δεν παρατηρούνται σημαντικές μεταβολές. 

Το πρώτο διεθνές μήνυμα για τον κίνδυνο της μείωσης του όζοντος λόγω των ανθρωπίνων δραστηριοτήτων και τις πιθανές συνέπειες, διατυπώθηκε το 1975 από τον Παγκόσμιο Μετεωρολογικό Οργανισμό (WMO).  Από τότε, η έρευνα εκατοντάδων επιστημόνων σε ολόκληρο τον κόσμο, έχει προσφέρει πολλά στοιχεία με την απειλή για το στρώμα του όζοντος.

Την κύρια ευθύνη για τη μείωση του στρατοσφαιρικού όζοντος φέρουν τα ανθρωπογενή χημικά. Οι χημικές ενώσεις που καταστρέφουν το όζον είναι οι αλογονάνθρακες, δηλαδή αέριες ενώσεις που περιέχουν άνθρακα, υδρογόνο και αλογόνα. Ιδιαίτερα αυτές οι ενώσεις που περιέχουν μόνο άνθρακα, χλώριο και φθόριο, ονομάζονται χλωροφθοράνθρακες και αποδίδονται με τον κωδικό συμβολισμό CFCs. Οι ενώσεις αυτές χρησιμοποιούνται κυρίως στα ψυκτικά και κλιματιστικά μηχανήματα, στα βαφεία, στα καθαριστικά ηλεκτρονικών στοιχείων και στα διαλυτικά.  Αλογονάνθρακες επίσης που περιέχουν άνθρακα, βρώμιο και φθόριο είναι τα halons και χρησιμοποιούνται κυρίως στους πυροσβεστήρες.

Οι παραπάνω ανθρωπογενείς χημικές ενώσεις μεταφέρονται στη στρατόσφαιρα με τις κατακόρυφες κινήσεις του αέρα. Tο χλώριο που ελευθερώνεται από τους χλωροφθοράνθρακες με τη δράση της ηλιακής ακτινοβολίας, καταστρέφει μέσω μιας σειράς καταλυτικών αντιδράσεων σημαντικό μέρος του όζοντος της στρατόσφαιρας. Υπολογίζεται ότι ένα μόριο χλωρίου μπορεί να καταστρέψει περίπου 100.000 μόρια όζοντος!

Το Βρώμιο επίσης που μπορεί να ελευθερωθεί από τα halons έχει ακόμη πιο καταστρεπτικές συνέπειες για το όζον. Δεδομένου ότι μερικοί CFCs και halons μπορούν να επιζήσουν στην ατμόσφαιρα για περισσότερο από έναν αιώνα, οι ενώσεις αυτές (που έχουν ήδη ελευθερωθεί τελευταία 60 χρόνια) αποτελούν απειλή για το στρώμα του όζοντος τις ερχόμενες δεκαετίες.

 

1.4 Επιπτώσεις των μεταβολών του όζοντος

Η ικανότητα του όζοντος να απορροφά μέρος της επικίνδυνης υπεριώδους ακτινοβολίας με λ< 320 nm φανερώνει τον προστατευτικό του για τη ζωή ρόλο. Όμως η μείωση του ολικού όζοντος έχει δημιουργήσει μια μικρή (προς το παρόν) αύξηση της UV-B. Κάθε μείωση κατά 1% στο όζον, υπό συνθήκες ανέφελου ουρανού, έχει ως αποτέλεσμα μια αύξηση στη UV-B της τάξης περίπου του 1,3%. 

Η μικρή ποσότητα της UV-B που καταφέρνει να εισχωρήσει από την «τρύπα» του όζοντος θα μπορούσε να προκαλέσει σοβαρές βλάβες τόσο στην ανθρώπινη υγεία, όσο και στις άλλες μορφές ζωής του πλανήτη μας.  Αξιοσημείωτες τέτοιες βλάβες είναι:  η αύξηση του μη-μελανωματικού καρκίνου του δέρματος, ο καταρράκτης των οφθαλμών, η εξασθένιση του ανοσοποιητικού συστήματος και ακόμη βλάβη στο γενετικό υλικό του DNA.  Πρόσφατα εκτιμήθηκε ότι μια ελάττωση στην τιμή του ολικού όζοντος θα  έχει ως αποτέλεσμα μια αύξηση κατά 2% περίπου του μη-μελανωματικού καρκίνου του δέρματος.

Απρόβλεπτες μπορεί να είναι και οι συνέπειες από την πιθανή καταστροφή του υδρόβιου οικοσυστήματος που περιλαμβάνει το πλαγκτόν του ωκεανού. Οποιαδήποτε αντίδραση της UV-B στο θαλάσσιο φυτοπλαγκτόν θα μπορούσε να προκαλέσει μελλοντικά, αύξηση του CO2 της ατμόσφαιρας άρα και σοβαρές κλιματικές αλλαγές.

Η δόση της UV που φτάνει σε κάθε τόπο της γης εξαρτάται από τη θέση του ήλιου πάνω στον ορίζοντα, το ποσό του όζοντος της ατμόσφαιρας και την τοπική νεφοκάλυψη και ρύπανση.  Πάντως εφ’ όσον οι άνθρωποι περνούν πολύ περισσότερο χρόνο σε εξωτερικούς χώρους και η UV-B έχει την πιο υψηλή τιμή κατά τη θερινή περίοδο, η απώλεια του όζοντος αυτή την περίοδο του χρόνου αποτελεί μια πολύ μεγαλύτερη απειλή για την ανθρώπινη υγεία.

 

2. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ

 

 

Για τη μελέτη κι εκτίμηση του πεδίου της υπεριώδους ηλιακής ακτινοβολίας έγιναν πειραματικές μετρήσεις με τον τρόπο που περιγράφεται στη συνέχεια.

Text Box: Χάρτης ΑττικήςΟ τόπος όπου έγιναν οι μετρήσεις ήταν η Ραφήνα Αττικής.  Συγκεκριμένα το σημείο των μετρήσεων, ήταν η ταράτσα τριώροφης κατοικίας που απέχει από τη θάλασσα περίπου 600 m. και έχει συνολικό υψόμετρο περίπου 50 m.  Η απόσταση από το νέο αερολιμένα «Ελευθ. Βενιζέλος» είναι περίπου 7 km. Σημειωτέον ότι η λειτουργία του αεροδρομίου ξεκίνησε λίγες μέρες πριν αρχίσουν και οι μετρήσεις.  Μερικές μόνο μετρήσεις (16 συνολικά ημερών) δεν έγιναν στη Ραφήνα, αλλά κάποιες στο Πανεπιστήμιο και κάποιες στο χωριό Κατσαρού του νομού Μεσσηνίας.

Η χρονική διάρκεια των μετρήσεων ήταν από 1 Απριλίου 2002 έως και 9 Αυγούστου 2002.  Μερικές μόνο ημέρες -15 συνολικά από τις 131- δεν έγιναν οι μετρήσεις λόγω βροχής, πυκνής νεφοκάλυψης ή μακρινής απουσίας από τον τόπο. 

Το όργανο που χρησιμοποιήθηκε για τις μετρήσεις ήταν το VLX-3W. Το παραπάνω φορητό όργανο διαθέτει δύο αισθητήρες με ευαίσθητη επιφάνεια 1 cm2 , o πρώτος με ευαισθησία στο μήκος κύματος 312 nm και ο δεύτερος στο μήκος κύματος 365 nm της υπεριώδους ακτινοβολίας. Μετά την προσαρμογή του αισθητήρα, μπορούσαν να καταγραφούν οι εξής δυο μετρήσεις: α) η ένταση της ακτινοβολίας με μονάδα το  και β) η ενέργεια (ροή;) της ακτινοβολίας μέσα σε ένα λεπτό με μονάδα το .  Ο χρόνος μέτρησης της ενέργειας ήταν ελεγχόμενος και μπορούσε να αλλάζει. Έτσι στις περισσότερες μετρήσεις κρατήθηκε χρόνος 30sec. Τελικά καθημερινά γίνονταν τέσσερις συνολικά μετρήσεις, δύο με κάθε αισθητήρα.

Text Box: Η στιγμή της μέτρησης …Η ώρα των μετρήσεων ήταν κατά προσέγγιση η ώρα της μεσουράνησης του ήλιου (τοπικό μεσημέρι), όταν δηλαδή ο ήλιος βρίσκεται στο ζενίθ. Την ώρα αυτή που οι ακτίνες του ήλιου έπεφταν σχεδόν κάθετα στην επιφάνεια του αισθητήρα, οι λαμβανόμενες τιμές ήταν οι μέγιστες της ημέρας.  Εάν όμως την ώρα εκείνη υπήρχε κάποια παροδική συννεφιά, οι μετρήσεις επαναλαμβάνονταν σε κάποια ώρα μεσημεριανή που θα είχε πλήρη ηλιοφάνεια.  Εάν δεν συνέβαινε αυτό (πλήρης ηλιοφάνεια) γινόταν η μέτρηση με την προϋπόθεση η νεφοκάλυψη να μην ήταν πολύ πυκνή.  Στον πίνακα των μετρήσεων γράφεται η ακριβής ώρα της κάθε μέτρησης καθώς και ένα ποσοστό κατ’ εκτίμηση νεφοκάλυψης όταν υπάρχει. 

Η οριζόντια θέση του αισθητήρα την ώρα της μέτρησης καθώς και η απομάκρυνσή του από κοντινές κατακόρυφες επιφάνειες που ανακλούν την ακτινοβολία και επηρεάζουν τη μέτρηση, έγιναν με μεγάλη σχολαστικότητα, έτσι ώστε να ελαχιστοποιηθούν τα σφάλματα στις μετρήσεις.

Κάποιες μέρες έγιναν περισσότερες από μια μετρήσεις, όπως στις 2 Ιουλίου που έγιναν συνολικά οι μετρήσεις 7 φορές ανά ώρα από 10:00 π.μ. έως 16:00 μ.μ.  Έτσι παρατηρείται και η μεταβολή κατά τη διάρκεια μιας ημέρας και διαπιστώνεται το μέγιστο στις τιμές.  Οι μετρήσεις της ημέρας αυτής φαίνονται στον πίνακα Ι.

Στον πίνακα ΙΙ φαίνεται το σύνολο των μετρήσεων Απρίλιος-Αύγουστος 2002 που περιλαμβάνει όπως ήδη αναφέρθηκε τέσσερις μετρήσεις  για κάθε μέρα, δύο για τα 312 nm και δύο για τα 365 nm.  Την ένταση δηλαδή και την ενέργεια για κάθε μια από τις παραπάνω ακτινοβολίες.

ΠΙΝΑΚΑΣ  Ι  Μετρήσεις της υπεριώδους ακτινοβολίας για την 11Η Ιουνίου,

σε πλήρη ηλιοφάνεια

ΩΡΑ

WAV.(312nm)

WAV.(365nm)

 

mW/cm2

J/cm2   30sec

mW/cm2

J/cm2  30sec

10:25

0,250

0,0076

1,148

0,0349

11:25

0,409

0,0124

1,612

0,0491

12:25

0,628

0,0191

1,985

0,0603

1:25

0,792

0,0241

2,229

0,0679

2:25

0,602

0,0183

1,960

0,0596

 

ΠΙΝΑΚΑΣ ΙΙ  Ημερήσιες μετρήσεις υπεριώδους ακτινοβολίας στο τοπικό μεσημέρι, για την περίοδο 1/4/2001-9/8/2001

 
3. ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΠΡΟΣΕΓΓΙΣΗ ΤΩΝ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ

   

Όπως αναφέρθηκε και προηγούμενα στόχο της παρούσης μελέτης αποτελούσε και η υπολογιστική προσέγγιση της αφικνούμενης ηλιακής υπεριώδους ακτινοβολίας. Στα πλαίσια της μελέτης αυτού του αντικειμένου θα πρέπει να τονιστούν τα αναγκαία στάδια που απαιτούνται για την ορθή και αποτελεσματική προσέγγιση του προβλήματος. Συγκεκριμένα:

 

Η ένταση της άμεσης προσπίπτουσας ακτινοβολίας δίνεται από τον ακόλουθο τύπο (Bird and Riordan 1986).

Id(λ) = Ho(λ) Dτr(λ) τa(λ) τw(λ) το(λ) τu(λ)                                          (3.1)

όπου:

Id(λ)   Η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας στην επιφάνεια της Γης και σε μήκος κύματος  λ

Ho(λ) Η ένταση ακτινοβολίας στο όριο της ατμόσφαιρας και για την μέση απόσταση γης - ήλιου στο μήκος κύματος λ

D       Διόρθωση για την μέση απόσταση γης - ήλιου κατά την διάρκεια του έτους. Δίνεται από τον ακόλουθο τύπο:

 

D=1.00011 + 0.034221 cosy + 0.001280 siny + 0.000719 cos(2y)+0.000077 sin(2y)  (3.2)

όπου

y είναι η αντίστοιχη γωνία της

 

Οι παράμετροι τr(λ), τa(λ), τw(λ), το(λ) και τu(λ) δηλώνουν τους συντελεστές διαπερατότητας της ατμόσφαιρας στο μήκος κύματος λ για μοριακή σκέδαση (Rayleigh), εξασθένηση λόγω των αερολυμάτων (σκέδαση και απορρόφηση), απορρόφηση από τους υδρατμούς, απορρόφηση από το όζον και απορρόφηση από τα άλλα αέρια (CO2, CO, CH4, N2O, O2) αντίστοιχα.

Ακολούθως δίνεται μία λίστα με τους αντίστοιχους τύπους που χρησιμοποιήθηκαν στον υπολογισμό των όρων της εξίσωσης  (3.1).

 

Σκέδαση Rayleigh

 

          τr(λ) = exp { -M' / [ λ4 (115.6406 - 1.335 / λ2 ) ] }                                       (3.3)

 

Εξασθένηση από τα αερολύματα

 

          τa(λ) = exp ( - β λ-a Μ )                                                                      (3.4)

 

Υδρατμοί

 

Τw(λ) = exp [ - 0.23805 aw (λ) W M / (1 + 20.07 aω(λ) W M )0.45 ]             (3.5)

(Lecκner 1978)

 

Απορρόφηση από το όζον

         

          το(λ) = exp [ -aο(λ) Ο3 Μο]                                                                (3.6)

(Leckner 1978)

 

Αναμεμιγμένα αέρια

 

          τu(λ) = exp [ - 1.41 au(λ) Μ' / ( 1 + 118.3 au(λ) Μ' )0.45 ]                            (3.7)

 

Στις παραπάνω εξισώσεις:

λ                 είναι το μήκος κύματος

M      είναι η σχετική οπτική μάζα του αέρα

M'     είναι η οπτική μάζα του αέρα διορθωμένη ως προς την πίεση.

 

Η σχετική οπτική μάζα δίνεται από την σχέση:(Leckner 1978)

 

M = [ cosz + 0.15 (93.885 - z) -1.253 ]-1                                                          (3.8)

 

όπου z είναι η ζενίθια γωνία του ήλιου σε ακτίνια.

Η διορθωμένη οπτική μάζα (ως προς την πίεση) δίνεται από την σχέση:

 

M'  = M P / Po                                                                                   (3.9)

 

όπου

P είναι η πίεση που μετράται στην επιφάνεια σε mb και Po = 1013 mb.

β είναι ο συντελεστής του Angstrom και

a είναι ο εκθέτης του μήκους κύματος.

 

Ο συντελεστής του Angstrom δίνεται από την ακόλουθη σχέση:

 

β = [ 0.025 + 0.1 cos2 ( LAT ) ] exp ( -0.7h )                                              (3.10)

 

όπου LAT είναι το γεωγραφικό πλάτος της περιοχής που και h είναι το υψόμετρο από την επιφάνεια της θάλασσας).

 

Σκεδαζόμενη ακτινοβολία

 

Γενικά η συνολική σκεδαζόμενη ακτινοβολία σε οριζόντια επιφάνεια δίνεται από την σχέση:

 

Is(λ) = Ir(λ) + Ia(λ) + Ig(λ)                                                                  (3.11)

 

όπου

Is(λ)   είναι η συνολική ένταση της σκεδαζόμενης ακτινοβολίας στην επιφάνεια και σε οριζόντιο επίπεδο, για το μήκος κύματος λ

Ir(λ)   η συνεισφορά λόγω σκέδασης Rayleigh

Ia(λ)   η συνεισφορά λόγω σκέδασης από τα αερολύματα

Ig(λ)   είναι η συνεισφορά λόγω των πολλαπλών ανακλάσεων στην επιφάνεια και τα νέφη.

Συνολική ένταση :

 

Η συνολική ένταση θα δίνεται από την σχέση:

 

It(λ) = Id(λ) cosz + Is(λ)                                                                      (3.12)

όπου

It(λ)   είναι η συνολική ηλιακή ακτινοβολία σε οριζόντια επιφάνεια και στο μήκος κύματος λ.

 

Η παραπάνω έκφραση παρέχει την συνολικά προσπίπτουσα ηλιακή υπεριώδη ακτινοβολία ανά μήκος κύματος σε μία επιφάνεια στο επίπεδο της θάλασσας. Η εκτίμηση της επικινδυνότητας για τον ανθρώπινο οφθαλμό δίνεται από την συνδυασμένη εκτίμηση της έντασης της προσπίπτουσας ακτινοβολίας και της ελάχιστης δόσης για την πρόκληση οφθαλμικής βλάβης.

 

 

ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ

 

  1)    Από την πειραματική διαδικασία προέκυψε, ότι η ηλιακή υπεριώδης ακτινοβολία εξασθενίζεται από τη νέφωση κατά ποσοστό που φθάνει το 70%

2)    Οι τιμές της ακτινοβολίας που μετρήθηκαν βρίσκονται σε πολύ καλή συμφωνία με τις αντίστοιχες του θεωρητικού αλγορίθμου, που εφαρμόσθηκε.

3)    Οι ληφθείσες μετρήσεις μπορούν να αποτελέσουν πρότυπο εργαλείο εκπαιδευτικού χαρακτήρα εφαρμογών στη δημόσια υγεία, αφού είναι άρρηκτα συνδεδεμένη με παθήσεις στο δέρμα και τους οφθαλμούς.

Αναφορές

 

Bener, P., Final technical report No. DAJA 37-68-C-1017 (Europ. Res. Office, U.S. Army), 1972

Bird R. and Riordan C.(1986): Simple Solar Spectral Model for Direct Irradiance on Horizontal and Tilted Planes at the Earth's Surface for Cloudless Atmosphere, J. Clim. Appl. Meteor., 25, 87-97.

Blumthaler, M., Solar UV measurements, pp17-69 in Environmental Effects of UV (Ultraviolet) Radiation, Boca Raton, Lewis Publisher, 1993

Brühl, C and P. J. Crutzen, On the disproportionate role os tropospheric ozone as afilter against solar UV-B radiation, Geophys. Res. Lett., 16, 703-706, 1989

Cabrera, S., S. Bozzo and H. Fuenzalida, Variations in UV radiation in Chile, Photoche. Photobiol., 28, 137-142,1995

deGruijl, F.R. and J.C. van der Leun. 1994. Estimate of the wavelength dependency of ultraviolet cacinogenesis in humans and its relevance to the risk assessment of stratospheric ozone depletion. Health Physics, 67: 319-325.

Jose and Pitts DGC. (1985): Wavelenght dependency of cataracts in albino mice following chronic exposure, Exp Eye Res, 41, 545-563.

Komhyr W.D. (1980): Operations handbook - ozone observations with a Dobson spectrophotometer, WMO Global Ozone Research and Monitoring Project, Rep. 6, WMO, 104-105, 125p.

Kondratyev, K. Ya., Global Ozone Dynamics, Moscow, VINITI, 1989, 212 pp (in Russian).

Kondratyev, K.Ya. and Varotsos, C. Atmospheric Ozone Variability: Implications for Climate Change, Human Health and Ecosystems, published by Springer/PRAXIS, Chichester, U.K., (2000).

Leckner B. (1978): The Spectral Distribution of Solar radiation at the Earth's Surface-Elements of a Model, Solar Energy, 20, 143-150.

Madronich S. (1992): Implications of recent total atmospheric ozone measurements for biologically active ultraviolet radiation reaching the earth’s surface, Geophysical Research Letters, 19, 37-40.

Madronich, S., R. L. McKenzie, M. M. Caldwell and L. O. Björn, Changes in ultraviolet radiation reaching the earth’s surface, in Environmental Effects of the Ozone Depletion, UNEP, 1994

McKinlay, A.F. and B.L. Diffey. 1987. A reference action spectrum for ultra-violet induced erythema in human skin. In Human Exposure to Ultraviolet Radiation: Risks and Regulations. W.F. Passchier and B.F.M. Bosnjakovich, eds. International Congress Series. pp. 83-87.

Piazena, H., The effect of altitude upon the solar UV-B and UV-A irradiance in the tropical Chilean Andes, Solar Energy, 57, 133-140, 1996

Pierce A. K. and Allen R.G. (1977): The solar spectrum between. 3 and     10 μm, In O.R. White (ed.)  The Solar Output and its Variation. Colorado Associated University Press, Boulder, CO, 169-192.

Scientific Assessment of Ozone Depletion: 1998. WMO Global Ozone Research and Monitoring Project-Report No. 44, Geneva, Switzerland, (1999).

Setlow, R.B. 1974. The wavelengths in sunlight effective in producing cancer: a theoretical analysis. Proceedings of the National Academy of Sciences U.S.A., 71: 3363-3366.

Setlow, R.B., E. Grist, K. Thompson, and A.D. Woodhead. 1993. Wavelengths effective in induction of malignant melanoma. Proceedings of the National Academy of Sciences U.S.A., 90: 6666-6670.

Soderberg P.G. (1989): Mass alteration in the lens after exposure to ultraviolet radiation, 300 nm, Acta Ophthalmal, 67, 633-646.

Stolarski R. G., Bloomfield P. and McPeters R. D. (1991): Total ozone trends deduced from Nimbus-7 TOMS data, Geoph. Res. Lett., 18, 1015-1018.

UNEP, Environmental effects of ozone depletion (1994).

Varotsos C. (1994): Decrease in biologically active ultraviolet radiation due to tropospheric ozone increase, Toxicological and Environmental Chemistry, 45, 173-178.

Varotsos C. (1994): Solar ultraviolet radiation and total ozone, as derived from satellite and ground-based instrumentation, Geophysical Research Letters, 21, 1787-1790.

Varotsos C. A. and Cracknell. P. (1993): Ozone depletion over Greece as deduced from Nimbus-7 TOMS measurements, International Journal of Remote Sensing, 14, 2053-2059.

Varotsos C., Alexandris D., Chronopoulos G., Catsambas A., Antoniou C.and Stratigos J. (1995): Association of the vertical ozone structure with the solar ultraviolet radiation reaching the ground, Toxicological and Environmental Chemistry, 52, 121-127.

Varotsos C., Kondratyev K. Ya. and Katsikis S. (1995): On the relationship between total ozone and solar ultraviolet radiation at St. Petersburg, Russia, Geophysical Research Letters, 22, 3481-3484.

Varotsos, C. and Kondratyev, K. Ya. On underestimation of total ozone content values for the region of Athens (Greece) obtained from satellite measurement data, Doklady of Russian Acad. Sci. (RAS), 340, 247-249, (1995 a).

Varotsos, C. and Kondratyev, K. Ya. The tropospheric pollution and ultraviolet solar radiation, Optics of the Atmosphere and Ocean, 8, 614-618, (1995 b).

Zheng, X. and R. E. Basher, Homogenisation and trend detection analysis of broken series of solar UV-B data, Theor. Appl. Climatol., 47, 189-203, 1993

 

 

ΠΑΙΔΑΓΩΓΙΚΟ ΜΕΡΟΣ

 

Η μείωση του όζοντος γνωστή σαν «τρύπα του όζοντος» και οι συνέπειες που έχει για τη ζωή στον πλανήτη, αποτελούν σήμερα ένα από τα μεγαλύτερα οικολογικά προβλήματα.  Από τότε που αυτό έγινε συνείδηση στην παγκόσμια επιστημονική κοινότητα, άρχισαν οργανωμένες προσπάθειες με στόχο την αντιμετώπιση του προβλήματος.  Οι προσπάθειες αυτές κυρίως αφορούν τη συνεργασία μεταξύ των κρατών για τον προγραμματισμό της παραγωγής και της κατανάλωσης, καθώς και τα μέτρα ελέγχου όσον αφορά τους αλογονάνθρακες που καταστρέφουν το όζον.

Μια σημαντική παράμετρος στην αντιμετώπιση του προβλήματος είναι και η ευαισθητοποίηση του πολίτη σήμερα στο μεγάλο αυτό οικολογικό πρόβλημα.  Η ευαισθητοποίηση αυτή είναι απαραίτητο να ξεκινήσει από τις μικρές ηλικίες και αφορά επομένως κυρίως το εκπαιδευτικό σύστημα.  Όλες οι βαθμίδες της εκπαίδευσης είναι κατάλληλες για την ανάπτυξη και μελέτη του προβλήματος.

Μέσα στους σκοπούς της εκπαίδευσης όπως αυτοί διατυπώνονται στην υπάρχουσα εκπαιδευτική νομοθεσία –αλλά και  η αποστολή του σχολείου- είναι και η καλλιέργεια οικολογικής συνείδησης.  Ευκαιρίες γι’ αυτό προσφέρονται μέσα από μια σειρά γνωστικά αντικείμενα που διδάσκονται στις γυμνασιακές τάξεις, τα οποία δίνουν τη δυνατότητα στον εκπαιδευτικό να προσεγγίσει το θέμα διεπιστημονικά, άρα και περισσότερο αποτελεσματικά. 

 

Παραδείγματα θεμάτων που άπτονται του ζητήματος και προσφέρονται μέσα από διαφορετικά μαθήματα όλων των τάξεων της υποχρεωτικής Μέσης εκπαίδευσης για διδακτική και παιδαγωγική αξιοποίηση είναι:

 

1.                                   ΓΕΩΓΡΑΦΙΑ Α΄ ΓΥΜΝΑΣΙΟΥ. Μάθημα 10 «Δομή της ατμόσφαιρας», στη σελίδα 43 αναφέρεται:

«Πάνω από την τροπόσφαιρα βρίσκεται η στρατόσφαιρα, πλάτους 55 περίπου χλμ. και μέσα σ’ αυτήν η οζοντόσφαιρα, πλάτους 10 περίπου χλμ. που περιέχει το όζον.  Το όζον είναι ένα αέριο το οποίο απορροφά τις βλαβερές υπεριώδεις ακτινοβολίες του ήλιου και προστατεύει τη ζωή».

 

2.                                   ΧΗΜΕΙΑ Β΄ ΓΥΜΝΑΣΙΟΥ. Κεφάλαιο 2, Μάθημα 2.1.3 «Το στρατοσφαιρικό όζον», στη σελίδα 96 γίνεται αναφορά στο αέριο όζον καθώς και στην «τρύπα του όζοντος» και τους χλωροφθοράνθρακες.

 

3.                                   ΧΗΜΕΙΑ Γ΄ ΓΥΜΝΑΣΙΟΥ.  Μάθημα 7.2 «Οι ευθύνες μας για το περιβάλλον» στη σελίδα 146, γίνεται αναφορά στον έλεγχο και διαχείριση του περιβάλλοντος καθώς και στην προστασία του περιβάλλοντος.

4.                                   ΒΙΟΛΟΓΙΑ  Γ΄ ΓΥΜΝΑΣΙΟΥ.  Μάθημα 5.5 στη σελίδα 156 αναφέρεται:  «Σε υψόμετρο 20-50 χιλιόμετρα περίπου από την επιφάνεια της Γης ο ατμοσφαιρικός αέρας περιέχει ένα αέριο το όζον 3).  Τα προωθητικά αέρια (σπρέι) και οι χλωροφθοράνθρακες ψυκτικών μηχανών είναι ελαφριά αέρια, ανέρχονται στα ανώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας, αντιδρούν με το όζον, το καταστρέφουν και έτσι δημιουργούνται οι «τρύπες» του όζοντος.  Το όζον εμποδίζει το 99% περίπου της υπεριώδους ακτινοβολίας του Ήλιου να φτάσει στην επιφάνεια της Γης.  Λειτουργεί δηλαδή σαν προστατευτικό φίλτρο της Γης. Όταν μειώνεται το όζον, αυξάνεται η υπεριώδης ακτινοβολία που φτάνει στην επιφάνειά της και προκαλούνται μεταλλάξεις, μειώνεται η φωτοσυνθετική δραστηριότητα κ.α.»

   

Ως προς τη διδακτική τους διεκπεραίωση, θα μπορούσε κανείς να προτείνει εκτός από τις μεθόδους της παραδοσιακής διδασκαλίας, τη μέθοδο project (σχέδιο εργασίας) που διακρίνεται για το βιωματικό της στοιχείο και την πρωτοβουλιακή συμμετοχή του μαθητή, στη διαδικασία της μάθησης. 

Σημαντικές ακόμη ευκαιρίες για την υλοποίηση των παραπάνω στόχων αποτελούν και διάφορα προγράμματα Περιβαλλοντικής Εκπαίδευσης , καθώς και αντίστοιχα προγράμματα Αγωγής Υγείας.