Optické vlastnosti aerosólovej substancie vzduchovej hmoty

Jan Lukáč (Geofyzikálny ústav SAV) – Stanislav Racko (SHMÚ) – Miroslav Kocifaj (Astronomický ústav SAV)

 

OPTICKÉ VLASTNOSTI AEROSÓLOVEJ SUBSTANCIE VZDUCHOVEJ HMOTY

 

"Optical properities of aerosol substance of air mass." The contribution submitted is devoted to the study of optical properities of aerosol in relation to air mass. Basic characteristic is optical thickness of aerosol which is computed from surface measurements of radiaton characteristics with the aid of an inverse method. Running results showed that in case of strong flow from north – western quadrant values of optical thickness of aerosol are the lowest and in case of moderate south – eastern flow reach the highest values.

 

 

1. ÚVOD

Vzduchové hmoty patria medzi základné objekty synoptickej meteorológie. Podľa [7] sú to veľké masy vzduchu, čo do plošných rozmerov porovnateľné s veľkými časťami morí a pevnín, ktoré majú zhruba rovnaké vlastnosti a pohybujú sa v smere všeobecnej cirkulácie atmosféry. Vzduchová hmota vzniká v ohnisku, kde prijíma charakteristické vlastnosti daného prostredia (určené predovšetkým charakterom aktívneho povrchu a režimom slnečného žiarenia), ktoré sa však menia pri jej transformácii. Vnútri vzduchovej hmoty sú priestorové zmeny meteorologických prvkov pomalé a spojité, čo sa najčastejšie vyskytuje v oblastiach s malým horizontálnym tlakovým gradientom. Klasifikáciou vzduchových hmôt sa meteorológovia a klimatológovia zaoberajú už takmer celé storočie. Pri klasifikácii sa vychádza predovšetkým z rozličných fyzikálnych charakteristík vzduchových hmôt, čomu zodpovedajú aj rôzne prevládajúce typy počasia.

Veľký dôraz na klasifikáciu vzduchových hmôt sa kládol najmä pred druhou svetovou vojnou, predovšetkým z prognóznych dôvodov a dôvodov klimatologickej regionalizácie. Meteorológia vzduchových hmôt spočívala v podrobnom štúdiu termodynamických, optických, vlhkostných, prípadne elektrických vlastností vzduchových hmôt. V súčasnosti sa u nás používa v synoptickej praxi šesť typov vzduchových hmôt (podľa geografickej klasifikácie), klasifikácia M.Končeka používala až 14 typov. Klasifikácie Schinzeho mala deväť typov, ale J.Jílka len štyri typy [9]. Detailné rozlišovanie vzduchových hmôt viedlo k zložitosti klasifikácie, pri jednoduchom triedení dochádzalo zase k širokému rozpätiu počasia v jednotlivých typoch, čo sťažovala praktické uplatnenie klasifikácie. Okrem geografickej (podľa geografickej polohy ohnísk vzniku) sa v súčasnosti zvykne používať aj termodynamická klasifikácia.

Pri skúmaní vlastností vzduchovej hmoty sa analyzovali najmä charakteristiky teploty a vlhkosti vzduchu, slnečného svitu s dohľadnosti [5].

V prekladanej práci ukážeme na ďalší možný náhľad na vzduchovú hmotu, a to z hľadiska jej optických vlastností, konkrétne z hľadiska optických vlastností aerosólovej substancie.

Jedným zo spôsobov stanovenia optických vlastností aerosólovej substancie atmosféry je aplikácia metód obrátených úloh na merania spektrálnych charakteristík slnečného žiarenia [6].

Na základe trojročných meraní je analyzovaná optická hrúbka aerosólu vo vzťahu k rôznym vzduchovým hmotám.

 

2. MERANIE RADIAČNÝCH CHARAKTERISTÍK

            Merania priameho spektrálneho slnečného žiarenia za jasnej oblohy pomocou interferenčných filtrov nadviazali na merania spektrálnej žiary oblohy v Geofyzikálnom ústave SAV v roku 1991. Na základe týchto meraní je možné stanoviť optické charakteristiky aerosólu.

            Priame spektrálne slnečné žiarenie je merané pomocou 6 – kanálového slnečného fotometra SPM1040. Šesť interferenčných filtrov je zabudovaných v prístroji a ich efektívne vlnové dĺžky sú 377, 406, 520, 599, 749 a 857 nm. Pološírka týchto filtrov je okolo 10 nm. Presnosť spektrálnych meraní je deklarovaná 0,03 % v celom rozsahu. Kalibrácia prístroja sa uskutočňuje za priaznivej poveternostnej situácie „dlhou metódou“.

            Spektrálna žiara oblohy je meraná pomocou oblohového fotometra. Prístroj je osadený troma interferenčnými filtrami. Efektívne vlnové dĺžky sú 450, 550 a 650 nm. Metodika merania žiary oblohy spočíva v meraní žiary v niekoľkých horizontálnych kruhoch, predovšetkým v horizontálnom kruhu Slnka, a tiež v meraní vo vertikálnom kruhu Slnka. Pri meraniach v jednotlivých bodoch oblohy sa využíva polarizačný filter s cieľom získať čo najväčší počet charakteristík radiačného poľa.

            Z takto uskutočnených meraní získavame buď hodnoty priameho spektrálneho slnečného žiarenia (slnečný fotometer), alebo spektrálne funkcie rozptylu (oblokový fotometer). Obidve charakteristiky sú vstupnými údajmi do procedúr, na základe ktorých počítame optické charakteristiky aerosólu – optickú hrúbku aerosólu ta, funkciu rozptylu aerosólu, distribučnú funkciu a index lomu aerosólu. Optická hrúbka aerosólu ta,(l = 500 nm) je spojená so známym Schüeppovým dekadickým zákalovým koeficientom B vzťahom ta,(l = 500 nm) = B× ln(10).

 

3. PROCEDÚRY VÝPOČTU CHARAKTERISTÍK AEROSÓLU

            Rozpracovanie metód určenia vlastností aerosólovej substancie atmosféry na základe štúdia štruktúry radiačného poľa patrí k základným problémom fyziky atmosféry. Do tej miery, do akej je informácie o mikroštruktúre aerosólu obsiahnutá v optických charakteristikách atmosféry, do takej miery je možné nedeštruktívnym spôsobom skúmať aerosól pomocou metód optickej diagnostiky, riešiac pritom odpovedajúce obrátené úlohy. Ak pre priamu úlohu existuje vždy riešenie, musíme mať na zreteli, že pri nepriamej úlohe to tak zďaleka nie je. Pre získanie riešenia je podstatné, aby 1) v meraných charakteristikách bola obsiahnutá hľadaná informácia a 2) merané údaje viedli k jednoznačnému riešeniu. Úloha určenia mikroštruktúry atmosférického aerosólu však spadá do kategórie nekorektne postavených obrátených úloh vyznačujúcich sa tým, že hociako malé zmeny vo vstupných údajoch spôsobené napríklad chybami v meraní, môžu vyvolať ľubovoľne veľké zmeny v riešení. Taká nestabilita nekorektných úloh v praxi vedie k vzniku nejednoznačných riešení a ako z toho vyplýva, aj k veľkým ťažkostiam pri ich interpretácii. Zostavenie približných riešení nekorektných obrátených úloh, stabilných pri malých zmenách vo vstupných dátach, je spojené s použitím špeciálnych matematických metód, založených na existencii doplniteľných informácií a hľadanom riešení [10].

            Základnou optickou charakteristikou aerosólu je optická hrúbka aerosólu ta, ktorú získavame z meraní priameho slnečného žiarenia použitím známeho Bougeur – Lambertovho vzťahu [3]:

            I(l) = I0(l)e-t(l)M                                                                    (1)

kde I(l) a I0(l) sú spektrálne hustoty toku priameho slnečného žiarenia v mieste merania a na hornej hranici atmosféry, t(l) je celková optická hrúbka atmosféry daná súčtom optických hrúbok pre čistú atmosféru, aerosól, vodnú paru a ozón, tj. t(l) = tm(l) + ta(l) + tw(l) + tω(l), l je vlnová dĺžka žiarenia a M je optická vzduchová hmota. Pri výpočte využívame selektívne absorpčné vlastnosti ozónu a vodnej pary. Ak to technické prostriedky umožňujú, merania sú získavané v spektrálnych oblastiach, v ktorých sa neprejavuje vplyv týchto dvoch zložiek. V opačnom prípade, pokiaľ nám to technické prostriedky neumožňujú, vplyv týchto zložiek atmosféry na oslabenie slnečného žiarenia počítame na základe ich zisteného množstva v atmosfére a známych koeficientov oslabenia. Ďalšie charakteristiky aerosólu, ako sú distribučná funkcia f(r) alebo efektívny index lomu m(l), počítame na základe už známej spektrálnej závislosti optickej hrúbky aerosólu ta(l) riešením Fredholmovej integrálnej rovnice 1 – ho druhu:

            ta(l) = πQext (r, l, m)r2 f(r)dr,                                         (2)

kde Qext (r, l, m) je faktor efektívnosti extinkcie [11] a r je polomer častíc.

            Tieto charakteristiky je možné získať aj z meraní spektrálnej žiary oblohy. Obe metódy riešenia boli diskutované v prácach [2, 4, 8, 12, 13].

            Distribučná funkcia f(r) je získavaná buď v diskrétnom tvare, riešiac explicitne obrátenú úlohu (napríklad aplikovaním Mellinovských transformácii [1]), alebo v tvare vybranej funkcie (zaužívané sú Jungeho mocninové rozdelenie, gama alebo lognormálne rozdelenie). Porovnanie oboch prístupov riešenia bolo diskutované v práci [6], kde predpokladaný tvar distribučnej funkcie bol daný súčtom niekoľkých gama rozdelení.

            Pre numerické zabezpečenie riešenia obrátených úloh sme vytvorili niekoľko programov v kódoch C a Pascal. tieto programy sú implementované na počítačoch IBM RISC/6000, VAX, PowerChalenge (Silicon Graphics) a menšie verzie na PC 486 (Linux verzia).

 

4. OPTICKÁ HRÚBKA AEROSÓLU A VZDUCHOVÉ HMOTY

            Určovanie pôvodu vzduchovej hmoty je v mnohých prípadoch veľkým problémom, pretože atmosféra je v neustálom pohybe a pri presúvaní sa vzduchových hmôt z jedného miesta na druhé dochádza k ich transformácii. To sa prejavuje na viacerých meteorologických charakteristikách (teplota a vlhkosť vzduchu, stabilita teplotného zvrstvenia apod.), v dôsledku čoho dochádza pri klasifikácii vzduchových hmôt k veľkým ťažkostiam, najmä pri klasifikáciách s menším množstvom typov.

            V súčasnosti u nás používané subjektívne triedenie vzduchových hmôt na šesť základných typov (morský, arktický, pevninský arktický, morský polárny, pevninský polárny, morský tropický a pevninský tropický vzduch) sme nahradili objektizovanym triedením podľa smeru výškového prúdenia, aj keď sme si vedomí, že smer prúdenia nemusí charakterizovať pôvod vzduchovej hmoty. Pre každý deň, v ktorom boli vykonávané merania, sme zistili podľa [14] smer a rýchlosť vetra nad aerologickou stanicou Viedeň vo výške 500 a 2000 m n. m. Prvá hladina reprezentuje prúdenie v hraničnej vrstve, v ktorej je najväčší podiel aerosólových častíc, a druhá hladina charakterizuje prúdenie vo voľnej atmosfére.

            Doterajšie výsledky meraní v Bratislave ukázali, že optická hrúbka aerosólu ta,(l = 500 nm)  sa pohybovala v intervale 0.1 až 0.7, na základe čoho sme dni, v ktorých boli merané radiačné charakteristiky, rozdelili do troch základných skupín podľa hodnoty optickej hrúbky aerosólu ta na dni so slabým zákalom (ta £ 0.2, B £ 0.087), s miernym zákalom (0.2 < ta £ 0.4., 0.087 < B£ 0.174) a so silným zákalom (ta > 0.4., B > 0.174).

            V rámci každej z týchto skupín dochádza z makrosynoptického hľadiska k veľkej variabilite situácií. Napriek tomu možno postrehnúť niektoré črty veľkopriestorovej cirkulácie, charakteristické najmä pre situácie so slabým a silným zákalom.

            Keďže množstvo atmosférického aerosólu závisí aj od pôvodu vzduchovej hmoty, je zrejmé, že nižšie hodnoty optickej hrúbky aerosólu budú pozorované pri prúdení morského ako pri prúdení pevninského vzduchu. Morský vzduch sa k nám dostáva prevažne pri západnom alebo severozápadnom prúdení, preto sa dá predpokladať, že pri tomto smere výškového vetra budú zistené aj nižšie hodnoty optickej hrúbky aerosólu. Absolútne početnosti nameraných smerov výškového prúdenia pre každú skupinu sme znázornili na veterných ružiciach.

            Početnosti meraní a jednotlivých skupín dní od 14. 5. 1991 do 8. 6. 1994 sú uvedené v tab.1. Početnosť dní s danou optickou hrúbkou aerosólu je znázornená na obr.1.

 

4.1 Situácie so slabým zákalom

            Výraznou črtou tejto skupiny je prevládajúce severozápadné prúdenie, a to najmä vo voľnej atmosfére, čo dokomentujú obr.2obr.3. Zo všetkých troch sledovaných skupín pripadá na situácie so slabým zákalom aj najvyššia priemerná rýchlosť výškového vetra. Vo výške 500 m bola priemerná rýchlosť 32km/h a vo výške 2000 m priemerná rýchlosť 38 km/h. V tejto skupine situácií bol pozorovaný aj najsilnejší výškový vietor, a to 14.3.1994, kedy severozápadné prúdenie dosahovalo vo výške 500 m priemernú rýchlosť 68 km/h a vo výške 2000 m rýchlosť 101 km/h. Na obr.4 je prízemná analýza z tohoto dňa, ktorá je výrazným príkladom prílevu čerstvého oceánskeho vzduchu do strednej Európy. V tento deň bola nameraná jedná z najnižších hodnôt optickej hrúbky aerosólu.

            Z hľadiska celkovej synoptickej situácie možno pre túto skupinu považovať za charakteristickú t situácie, kedy v čase merania bolo naše územie len niekoľko hodín po prechode studeného frontu od západu alebo severozápadu a za ním sa rozširoval do strednej Európy výbežok tlakovej výše. Tento typ situácie sa opakoval v 14-tich prípadoch, z toho v 6-tich prípadoch sa z výbežku oddelilo samostatné jadro vysokého tlaku, ktoré v čase merania postupovalo cez strednú Európu na východ. Išlo teda o zonálny typ cirkulácie a rýchlu anticyklonalizáciu prízemného barického poľa v čerstvom morskom vzduchu. netypickým prípadom, kedy bola zistená nízka hodnota optickej hrúbky aerosólu, bolo teplé juhozápadné prúdenie pred zvlneným studeným frontom, ktoré sa vyskytlo 9. 9. 1993 a taktiež suché a veľmi chladné juhovýchodné prúdenie na zadnej strane mohutnej tlakovej výše v dňoch 15. a 16. 2. 1994. Práve pre posledne uvedenú situáciu je typický silný zákal, čo dosvedčuje možnosť veľkej variability hodnôt optickej hrúbky aerosólu pre ľubovoľnú synoptickú situáciu.

 

4.2 Situácie s miernym zákalom

            Najpočetnejšou a zároveň najpestrejšou je skupina situácií s miernym zákalom. Napriek veľkej variabilite je možné vyčleniť niekoľko typických situácií.

            Najväčšie zastúpenie mali situácie, kedy sa od západu rozširoval nad strednú Európu výbežok tlakovej výše alebo sa od západu presúvala tlaková výš, prípadne sa tlaková výš nad strednou Európou vytvorila. V týchto prípadoch sa meranie robilo zväčša na druhý deň po preniknutí morského vzduchu od severozápadu a vplyvom zoslabenia prúdenia v hraničnej vrstve atmosféry dochádzalo k rýchlej transformácii vzduchu v našej oblasti. zo 40 dní druhej skupiny bolo takýchto prípadov 17. Aj ďalší typ bol charakterizovaná vplyvom tlakovej výše, ktorá zasahovala svojím výbežkom od severu, pričom v našej oblasti prevládalo slabé alebo mierne severovýchodné prúdenie. posledným pomerne početne zastúpeným typom situácie bolo južné alebo juhozápadné prúdenie teplého vzduchu buď na prednej strane brázdy tlakovej níže, alebo na zadnej strane tlakovej výše, ktorá sa zvyčajne nachádzala nad Bieloruskom alebo Ukrajinou.

Podľa obr.5obr.6 je vidieť, že v hladine 500 m prevládalo severné a južné prúdenie a v hladine 2000 m severozápadné prúdenie. Rôznorodosť týchto situácií je zo všetkých troch typov najväčšia.

Vo výške 500 m bola priemerná rýchlosť 24 km/h a vo výške 200 m 27 km/h.

 

4.3. Situácie so silným zákalom

            Dominantným znakom synoptickej situácie pri skupine prípadov so silným zákalom je anticyklonálne barické pole v strednej Európe, a tým následne slabé prúdenie v prízemnej časti atmosféry (obr.7). Najčastejším typom situácie bolo juhovýchodné prúdenie na zadnom okraji tlakovej výše (5 prípadov), alebo rozsiahla tlaková výš nad strednou Európou (4 prípady). V troch dňoch zasahoval od severu nad strednú Európu výbežok tlakovej výše a v dvoch prípadoch sa celá stredná Európa nachádzala v nevýraznom tlakovom poli. Ostatné prípady možno označiť za netypické pre túto skupinu.

            Ako vidieť z obr.8obr.9, pri situáciách tretej skupiny prevláda jednoznačne juhovýchodný a južný vietor, a to najmä v hraničnej vrstve atmosféry. Ako sa dalo predpokladať, spomínaný smer prúdenia je vhodný na prílev pevninského vzduchu do našej oblasti, ktorý obsahuje najväčšie množstvo aerosólu.

            Slabé alebo mierne prúdenie, ktorého priemerná rýchlosť dosahovala vo výške 500 m 22 km/h a vo výške 2000 m 26 km/h, umožňovalo ďalšiu transformáciu vzduchovej hmoty v strednej Európe.

 

5. ZÁVER

            Predložený príspevok predstavuje ďalší pohľad na charakterizáciu vzduchových hmôt z hľadiska štúdia ich optickej hrúbky aerosólovej substancie vzduchovej hmoty. Napriek tomu, že ide o priebežné výsledky, boli postrehnuté niektoré typické prípady. Silné prúdenie zo severozápadného kvadrantu je charakterizované najnižšími hodnotami optickej hrúbky aerosólu. Mierne prúdenie z juhovýchodného kvadrantu je zase charakterizované najvyššími hodnotami optickej hrúbky aerosólu. V prvom prípade bola priemerná hodnota optickej hrúbky 0.219 (B = 0.095) a v druhom prípade 0.468 (B = 0.203). Ďalší prínos tejto štúdie je v regionálnom zhodnotení optických vlastností aerosólu vo vzťahu k vzduchovým hmotám, čím dopĺňa poznatky z iných regiónov [12].

 

Literatúra:

 

[1]       Box, B. P. – Sealy, K. M., - Box, M. A.: Inversion of Mie extinction measurements using analytic eigenfunction theory. J. Atmos. Sci. 49, 1992, č. 22, s. 2074 – 2081.

[2]       Dellago, C. – Horvath, H.: On the acuuracy of the size distribution information obtained from light extinction and scattering measurements - I. Basic considerations and models. J. Aerosol Sci. 24, 1993, č.2, s. 129 – 142.

[3]       Foitzik, L. – Hinzpeter, H.: Sonnenstrahlung und Lufttrübung. Leipzig, AVG 1958. 309 s.

[4]       Horvath, H. – Dellago, C.: On the accuracy of the size distribution information obtaind\ed from light extinction and scattering measurements – II. Case studies. J. Aerosol Sci. 24, 1993, č.2, s 143 – 154.

[5]       Iľko, J. – Krška, K. – Molnár, F.: Klimatické charakteristiky vzduchových hmôt v Bratislave za obdobie 1948 – 1977. Meteorol. Zpr., 33, 1980, č.4, s. 99 – 107.

[6]       Kocifaj, M. – Lukáč, J.: Relation between the structure of particles of the dispersion layer and its spectral optical thickness in an optically thin environment. Stud. Geoph. Geod. 38, 1994, s. 399 – 415.

[7]       Meteorologický slovník výkladový a terminologický. Praha, Ministerstvo životního prostředí ČR 1993. 594 s.

[8]       Lukáč, J. – Koficaj, M.: Utilization of inverse methods in atmospheric optics. Contr. Geof. Inst. SAS, Ser. Meteorol. 14, 1994, s. 45 – 56.

[9]       Molnár, F. – Krška, K.: Klimatologický rozbor vzduchových hmôt v Bratislave. In: Zborník prác Slovenského hydrometeorologického ústavu. 20. Bratislava, Alfa 1982. 271 s.

[10]     Tichonov, A. N. – Arsenin, V. Ja.: Metody rešenija nekorektnych zadač. Moskva, Nauka 1979. 288 s.

[11]     Van de Hulst, H. C.: Light scattering by small particles. New York, John Wiley & Sons, London, Chapman & Hall 1957. 470 s.

[12]     von Hoyningen–Huene, W. – Wendisch, M.: Variability of Aerosol Optical Parametrs by Advective Processes. 1992, Preprint.

[13]     Wendisch, M. - von Hoyningen–Huene, W.: Possibility of refractive index determination of atmospheric aerosol particles by ground – based solar extinction and scattering maesurements. Atm. Environ. 28, 1994, č.5, s. 785 – 794.

[14]     Wetterbericht der Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik, 106 – 109, 1991 – 1994. Wien.