Analýza chodu UV-B a globální radiace na agrometeorologické stanici Žabčice v období

Transkript

1 Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav agrosystémů a bioklimatologie Analýza chodu UV-B a globální radiace na agrometeorologické stanici Žabčice v období Diplomová práce Vedoucí práce: Ing. Petr Hlavinka, Ph.D. Vypracovala: Bc. Zuzana Járová Brno 2013

2 PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že jsem diplomovou práci na téma Analýza chodu UV-B a globální radiace na agrometeorologické stanici Žabčice v období vypracovala samostatně a použila jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém seznamu literatury. Diplomová práce je školním dílem a může být použita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího diplomové práce a děkana Agronomické fakulty Mendelovy univerzity v Brně. dne.. podpis diplomanta..

3 PODĚKOVÁNÍ Ráda bych upřímně poděkovala Ing. Petru Hlavinkovi, Ph.D., vedoucímu mé diplomové práce, který byl v průběhu zpracování daného tématu velice ochotný a trpělivý a důsledně mi poskytoval odborné rady a cenné připomínky. Dále bych ráda poděkovala Ing. Janu Brotanovi, který technicky zajišťoval měření v Žabčicích a ochotně poskytoval potřebná data.

4 ABSTRAKT Analýza chodu UV-B a globální radiace na agrometeorologické stanici Žabčice v období 2011 až V první části této diplomové práce jsou vymezeny základní pojmy týkající se radiace obecně, slunečního záření a ozonu. Podrobněji se práce zaměřuje na UV-B radiaci a její vliv na živé organismy a jsou zde také popsány metody měření zkoumaných veličin. Další část práce se zabývá vyhodnocením dat UV-B a globální radiace naměřených na agrometeorologické stanici v Žabčicích. Z těchto dat byla nejdříve zpracována databáze, která byla následně doplněna i o hodnoty naměřeného celkového stratosférického ozonu, které byly získány ze Solární a ozonové observatoře v Hradci Králové. Znalost množství celkového ozonu byla potřebná pro dopočet chybějících údajů UV-B radiace. Veškerá data byla popsána a statisticky vyhodnocena. Pro dopočet chybějících dat UV-B radiace byl použit model využívající globální radiaci, extraterestrickou radiaci, ozon a nadmořskou výšku. Spolehlivost modelu byla dokázána pomocí koeficientu determinace. Díky této diplomové práci byla zjištěna odchylka v měření UV-B radiace na stanici v Žabčicích za uplynulé tři roky (2010 až 2012), která byla způsobena pravděpodobně změnou citlivosti čidla používaného biometru. Biometr byl proto poslán do Rakouska na kalibraci a pomocí ověřeného modelu byla v letech 2010 až 2012 provedena systematická korekce dat. Klíčová slova: UV-B radiace, globální radiace, extraterestrická radiace, stratosférický ozon

5 ABSTRACT The analysis of UV-B and global radiation at agro-meteorological station Žabčice during the period In the first part of this thesis the basic concepts related to radiation in general, solar radiation and ozone are defined. The work is focused in detail on UV-B radiation and its effect on the living organisms, and measurement methods of examined values are described. Other part the thesis deals with the evaluation of the data of UV-B and global radiation measured at the agro-meteorological station in Žabčice. These data were first compiled into a database that was subsequently completed with the values of measured total stratospheric ozone, which were obtained from the Solar and Ozone Observatory in Hradec Králové. Information about the amount of the total ozone was necessary for the calculation of missing data of UV-B radiation. All data were described and statistically evaluated. For the calculation of missing data of UV-B radiation the model using global radiation, extraterrestrial radiation, ozone and altitude was used. Reliability of the model was proved by the coefficient of determination. Thanks to this diploma thesis a deviation in the measurement of UV-B radiation at the Žabčice station for the past three years was detected (from 2010 to 2012), which was probably caused by the transformation of the sensor sensitivity of the used biometer. The biometer was therefore sent to Austria for re-calibration and using verified model a systematic data correction was performed in the years Keywords: UV-B radiation, global radiation, extraterrestrial radiation, stratospheric ozone

6 OBSAH 1 ÚVOD LITERÁRNÍ PŘEHLED Radiace obecně Sluneční záření Slunce Dělení slunečního záření Intenzita slunečního záření Přímá sluneční radiace Rozptýlená sluneční radiace Odražená sluneční radiace Globální radiace Extraterestrická radiace Ultrafialová radiace UV-index UV-B radiace Účinky UV radiace Účinky UV-B na člověka Účinky UV-B na rostliny Měření UV radiace na území ČR Dlouhodobé změny UV záření nad územím ČR Ozon Troposférický ozon Ozonová vrstva Látky poškozující ozonovou vrstvu Měření ozonu CÍL... 35

7 4 METODIKA Použitá data Měření globální radiace na agrometeorologické stanici v Žabčicích Měření UV-B radiace na agrometeorologické stanici v Žabčicích Výpočet extraterestrické radiace Databáze množství stratosférického ozonu Dopočet chybějících denních sum UV-B radiace Vyhodnocení měření UV-B a globální radiace na agrometeorologické stanici v Žabčicích Stanovení závislosti UV-B a globální radiace Hodnocení metody dopočtu UV-B radiace Korekce dat UV-B radiace Srovnání slunečných a zatažených dnů z hlediska UV-B a globální radiace VÝSLEDKY Vyhodnocení měření globální radiace na agrometeorologické stanici v Žabčicích za období až Vyhodnocení měření UV-B radiace na agrometeorologické stanici v Žabčicích za období až Stanovení závislosti mezi UV-B a globální radiací Vyhodnocení měření celkového ozonu na SOO-HK za období až Hodnocení metody sloužící k odhadu UV-B radiace Rekonstrukce dat UV-B radiace v letech Průběh UV-B, globální radiace a ozonu v letech 2002 až Srovnání let 2011 a 2012 s víceletým průměrem ( ) Srovnání globální radiace s víceletým průměrem Srovnání UV-B radiace s víceletým průměrem Srovnání celkového ozonu s víceletým průměrem... 54

8 5.9 Typický slunečný a zatažený den z hlediska UV-B a globální radiace DISKUSE ZÁVĚR POUŽITÁ LITERATURA SEZNAM OBRÁZKŮ PŘÍLOHY... 65

9 1 ÚVOD Není pochyb, že současné globální ekologické problémy jsou způsobeny nevhodnými lidskými činnostmi nejrůznější povahy. Jedním z nich je narušování ozonové vrstvy Země v důsledku nadměrné emise nízkomolekulárních organických látek obsahujících chlor a brom (freony, halony apod.) a některých oxidů dusíku pocházejících z provozu dopravních letadel ve velkých výškách. Odhaduje se, že ve středních zeměpisných šířkách nad Evropou se koncentrace ozonu ve stratosféře snižuje rychlostí asi 5 % za jedno desetiletí (LIPPERT, 1995). Výrazné zeslabování ozonové vrstvy Země dnes již prokazatelně způsobuje nárůst UV-B záření, především v oblastech ozonových anomálií. Fotobiologické výzkumy přinášejí stále nové důkazy o škodlivém působení zvýšených dávek UV-B radiace na různé složky biosféry včetně rostlin, zvířat a lidské populace (VANÍČEK, 1996). Biologické účinky jsou vyvolané absorpcí jednotlivých kvant záření živočišnými a rostlinnými buňkami. Záření pak působí na DNA, RNA a proteiny v buňkách (VANÍČEK, 1994). Množství biologicky aktivního ultrafialového záření (UV-B) dopadajícího na zemský povrch je tedy důležitým klimatickým prvkem, a proto se i stavu ozonové vrstvy naší planety věnuje značná pozornost (VANÍČEK, 1996). Tato diplomová práce se zabývá měřením UV-B radiace a radiace globální, která je součtem přímého a rozptýleného záření, jehož součástí je i UV-B záření. Tyto dvě veličiny tedy z hlediska množství dopadajícího na Zemský povrch tvoří přímou úměru. Vzhledem k prokazatelnému vztahu množství celkového stratosférického ozonu v atmosféře a množstvím UV-B záření na Zemském povrchu, je v této práci zahrnuta kromě analýzy UV-B a globální radiace také analýza celkového ozonu. Data globální a UV-B radiace pochází z měření na agrometeorologické stanici v Žabčicích v letech 2011 a 2012 a hodnoty celkového stratosférického ozonu byly naměřeny na Solární a ozonové observatoři v Hradci králové. Veškerá analyzovaná data z období 2011 až 2012 byla popsána a statisticky vyhodnocena a kvůli zjištění možných narůstajících či klesajících trendů také srovnána s víceletým průměrem za období 2002 až

10 2 LITERÁRNÍ PŘEHLED 2.1 Radiace obecně Radiace (záření) znamená šíření energie prostorem, která se ze svého zdroje šíří ve formě uspořádaného pohybu částic. Všechna tělesa, která mají teplotu vyšší než absolutní nula (která odpovídá 0 K nebo -273,15 C), jsou zdroji záření. V meteorologii se na záření pohlíží nejčastěji jako na elektromagnetické vlnění. Elektromagnetické vlny představují kmity, tedy periodické změny elektrických a magnetických sil, vyvolané pohybem elektrických nábojů ve zdroji záření, které se šíří v prostoru. Toto záření se ze svých zdrojů šíří všemi směry rychlostí světla (rychlost světla ve vakuu je m s -1 ). Další formou záření je záření korpuskulární, neboli částicové, kterým se meteorologie zabývá spíše okrajově. Jedná se o proud elektricky nabitých atomárních a subatomárních částic (atomová jádra, elektrony, protony, neutrony, pozitrony, mezony atd.), které se pohybují velkými rychlostmi, nedosahují však rychlosti světla (ŠPÁNIK a kol., 1997). Korpuskulární záření Slunce vyvolává při interakci se zemským magnetickým polem a atmosférou polární záře, magnetické bouře a další geofyzikální jevy (BEDNÁŘ a kol., 1993). Energie záření je přenášena tzv. fotony, tedy elementárními kvanty energie. Fotony můžeme charakterizovat kvalitativně - vlnovou délkou, frekvencí a spektrálním složením, a kvantitativně - množstvím kvant, intenzitou zářivého toku, sumou záření za čas apod. (ROŽNOVSKÝ, HAVLÍČEK, 1999). Základní charakteristikou radiace využívanou v meteorologii je vlnová délka (λ), která je udávaná v nanometrech (nm), mikrometrech (μm), milimetrech (mm) nebo v metrech (m). Podle vlnové délky se radiace dělí na krátkovlnnou a dlouhovlnnou. Krátkovlnné záření se pohybuje ve vlnových délkách do 4000 nm a dlouhovlnné záření v intervalu od 4000 nm do přibližně 100 až 200 m (ŠPÁNIK a kol., 1997). Meteorologie z hlediska radiace studuje zejména přenos a přeměnu energie v soustavě Země - atmosféra, kde hlavním zdrojem energie je sluneční záření. Pro sluneční záření používáme jako základní veličinu intenzitu, která je definována jako množství zářivé energie procházející jednotkou plochy za jednotku času (ROŽNOVSKÝ, HAVLÍČEK, 1999). Nejčastěji používanou jednotkou je watt na metr čtverečný 9

11 (W m -2 ), který se používá pro okamžitou intenzitu toku, případně joule na metr čtverečný (J m -2 ) pro sumy energie za zvolené období (TOLASZ a kol., 2007). Pro světelný tok dopadající na jednotku plochy, tedy osvětlení, se používá jednotka 1 lux (lx), který je definován jako světelný tok jednoho lumenu rovnoměrně rozložený na ploše 1 m 2. Vztah mezi vyzařováním energie povrchem (E) a absorpcí energie dopadající na povrch z okolí (A) vyjadřuje Kirchhoffův zákon poměrem E/A. Tento poměr závisí pouze na povrchové teplotě a platí pro jednotlivé vlnové délky vyzařování. Znamená to, že daný povrch nejvíce pohlcuje záření v těch vlnových délkách, ve kterých on sám vyzařuje, a naopak nejméně vyzařované vlnové délky jsou zároveň nejméně pohlcovány (ROŽNOVSKÝ, HAVLÍČEK, 1999). Na následujícím obrázku (Obr. 1) lze vidět obecné rozdělení záření podle vlnových délek. Zleva je to záření gama (γ), rentgenové záření (X-ray), za nimi následuje sluneční záření v podobě ultrafialového záření, viditelného světla a infračerveného záření, které uzavírá krátkovlnnou radiaci. Následuje dlouhovlnná radiace zastoupená radarovými vlnami (radar) a rádiovým zářením s vlnovými délkami od 1 mm po tisíce km - zleva, rádiová frekvence (FM), televizní frekvence (TV), krátké vlny (KV) a střední vlny (AM). Obr. 1: Přehled záření dle vlnových délek (Czech Solar, online, 2013) 10

12 2.2 Sluneční záření Sluneční záření je prakticky jediným zdrojem tepla pro zemský povrch a atmosféru a světla nezbytného pro život. Záření přicházející od hvězd a od Měsíce je oproti němu nepatrné (ŠPÁNIK a kol., 1997). Sluneční záření je rozhodujícím činitelem většiny atmosférických procesů, formuje globální klima, ovlivňuje životní prostředí a je i důležitým obnovitelným zdrojem energie. Charakterizujeme ho jako elektromagnetické vlnění vyzařované termojadernými procesy na Slunci s různou intenzitou (TOLASZ a kol., 2007), které má rozsah vlnových délek přibližně 10-1 nm až 1 m, přičemž více než 98 % z této energie se pohybuje ve vlnových délkách v rozsahu od 150 do 4000 nm. Z tohoto důvodu se sluneční radiace řadí do krátkovlnného záření. Jak již bylo uvedeno, sluneční radiace je základním zdrojem energie pro procesy v atmosféře, a také na aktivním povrchu. (Aktivním povrchem rozumíme povrch, na kterém probíhá odraz a přeměna sluneční energie. Prakticky může mít velmi různorodé fyzikální vlastnosti, tvar a prostupnost pro sluneční záření, jak je typické pro povrch půdy, vody, porostů apod.) Tyto procesy jsou základem radiační a energetické bilance soustavy Země - atmosféra (ROŽNOVSKÝ, HAVLÍČEK, 1999), která je rozdílem množství slunečního záření vstupujícího do zemské atmosféry a záření Země (tj. záření povrchu a atmosféry Země unikající do prostoru) (BEDNÁŘ a kol., 1993). Při průchodu kosmickým prostorem je sluneční záření ovlivňováno velmi málo, protože se takřka nesetkává s hmotným prostředím. Na zemský povrch se pak dostává přes zemskou atmosféru, kde podle jejího stavu prodělává určité změny. Vlivem atmosféry může sluneční záření prodělat odraz (reflexi), rozptyl (difuzi) nebo pohlcení (absorpci). Tyto procesy ovlivňují složení a množství slunečního záření dopadajícího na zemský povrch (ROŽNOVSKÝ, HAVLÍČEK, 1999). Vzhledem k rozdílům v postavení slunce je potenciál záření různý v různých zeměpisných šířkách a v různých ročních obdobích (ALLEN a kol., 1998). Atmosféra a oblaka odráží zpět do vesmíru až jednu čtvrtinu dopadajícího slunečního záření. Po přičtení odražené energie zemským povrchem, molekulami vzduchu, prachovými částicemi a vodní párou zjistíme, že zpět do kosmického prostoru se odráží asi jedna třetina zářivé energie. V průměru je odraz největší ve středních a vysokých země- 11

13 pisných šířkách a nejmenší naopak v subtropech (MAVI, TUPPER, 2004). Zbývající dvě třetiny záření jsou vystaveny rozptylu a absorpci. Pokud je záření rozptylováno molekulami vzduchu, jedná se o rozptyl molekulární a pokud prachovými částicemi, vodními kapičkami, ledovými krystalky apod., jde o rozptyl aerosolový (ROŽNOVSKÝ, HAVLÍČEK, 1999). Na absorpci se nejvíce podílí ozon, kyslík, oxid uhličitý a vodní pára (MAVI, TUP- PER, 2004). Při průchodu atmosférou ve výškách km (ionosféra) je pohlcováno hlavně ultrafialové a rentgenové záření. Další část ultrafialového záření je pak pohlcena v ozonosféře. V troposféře a ve spodních vrstvách dochází k pohlcování infračerveného záření vodními parami, oxidem uhličitým, prachem, kapkami vody apod., což činí asi 22 % dopadající energie. Znečištěním ovzduší a zvýšeným obsahem vodní páry se zvyšuje absorpce slunečního záření (ROŽNOVSKÝ, HAVLÍČEK, 1999). Oslabení intenzity dopadajícího slunečního záření k povrchu je velmi významné pro život na Zemi, protože živé organismy jsou schopny tolerovat jen malé množství tohoto záření (MAVI, TUPPER, 2004) Slunce Slunce je hvězda ležící ve středu naší galaxie v průměrné vzdálenost 149,6 milionů kilometrů od planety Země. Doba oběhu Země kolem Slunce je 31, s, což je přibližně 365 dnů. Průměr Slunce je km, průměrná hustota 1,4 g cm -3 a teplota mil. kelvinů. Slunce tvoří plazma a vysoce ionizované horké plyny (74 % vodíku, 23 % hélia, 3 % ostatní prvky). Zdrojem energie slunečního záření je termonukleární přeměna vodíku na helium nazývaná proton-protonový cyklus, při kterém se uvolňuje 97 % z veškeré zářivé energie Slunce (ROŽNOVSKÝ, HAVLÍČEK, 1999). Intenzita toku zářivé energie Slunce, dopadající na vnější hranici zemské atmosféry, vztažená na jednotku plochy kolmé k paprskům při střední vzdálenosti Země od Slunce, se nazývá sluneční (solární) konstanta (TOLASZ a kol., 2007). Solární konstanta má proměnlivou hodnotu v souvislosti s kolísáním sluneční aktivity. Její hodnoty se uvádějí v rozmezí 1353 až 1390 W m -2. ALLEN a kol. (1998) pro aplikované výpočty v oblasti energetické a vodní bilance používá hodnotu 1366,67 W m -2, což odpovídá 0,0820 MJ m -2 min

14 2.2.2 Dělení slunečního záření Nejpoužívanějším dělením podle vlnové délky je dělení dané schopností lidského oka vnímat určitou část slunečního záření. Z tohoto pohledu jsou vymezeny tři části krátkovlnného záření (ROŽNOVSKÝ, HAVLÍČEK, 1999): ultrafialové (UV - ultraviolet) do 400 nm, viditelné (VIS - visible) od 400 do 700 nm a infračervené (IR - infrared) od 700 do 4000 nm. Procentuální složení slunečního záření je následující (ŠPÁNIK a kol., 1997): ultrafialové záření cca 7 %, viditelné záření cca 46 %, infračervené záření cca 47 %. Po té, co radiace projde atmosférou, se poměr složek záření dopadajícího na zemský povrch změní následovně: UV - 1 %, VIS - 50 %, IR - 49 %. Ultrafialové záření, které lidské oko nevidí, je z velké části pohlceno v ozonosféře. Jeho množství na horní hranici atmosféry tvoří asi 5-7 % sluneční radiace a na zemský povrch dopadá jen přibližně 1 %. S nadmořskou výškou hodnoty UV stoupají. Z hlediska obsahu energie se UV záření dělí do tří skupin: UV-A, UV-B a UV-C. Každá z jeho složek způsobuje různá poškození živých organismů. Ultrafialové záření bude podrobněji popsáno v samostatné kapitole. Infračervené záření představuje na horní hranici atmosféry přibližně % záření a stejně jako UV záření je pro lidské oko neviditelné. Dělí se na tři části: IR-A (λ nm), IR-B (λ nm) a IR-C (λ nad 3000 nm). Vlnové délky kolem 1000 nm mají morfologické účinky na rostliny (zejména na prodlužovací růst) a vlnové délky nad 1400 nm mají účinek hlavně tepelný. Viditelné záření tvoří na horní hranici atmosféry asi % sluneční radiace. Označujeme ho jako světelné záření (světlo), na které reaguje lidské oko (nejcitlivěji v rozmezí 510 až 610 nm). Přirozeným zdrojem světla na Zemi je přímé a difúzní sluneční záření. Jeví se nám jako světlo bílé, ale skládá se z jednotlivých monochromatických záření, která oko vnímá jako barvy. Základní barvy jsou: fialová (λ nm), modrá (λ nm), zelená (λ nm), žlutá (λ nm), oranžová (λ nm) a červená (λ nm). 13

15 Rozsahu viditelného záření odpovídá i fotosynteticky aktivní záření (FAR, anglicky PAR - photosyntetically active radiation), které se díky svému spektrálnímu rozsahu uplatňuje při fotosyntéze (ROŽNOVSKÝ, HAVLÍČEK, 1999). FAR tvoří oblast elektromagnetického spektra o vlnových délkách 0,4 až 0,7 μm, v níž je rozloženo pohlcování asimilačních pigmentů, které v rostlinné buňce vyvolávají proces fotosyntézy (BEDNÁŘ a kol., 1993) Intenzita slunečního záření Jak již bylo řečeno výše, intenzita dopadajícího slunečního záření na zemském povrchu je ovlivněna hlavně zeměpisnou polohou (vliv postavení Slunce), reliéfem (stínění slunečních paprsků) a oblačností (pohlcení a rozptyl záření). Směrem k povrchu se intenzita záření snižuje a v důsledku absorpce okrajových částí spektra se rozsah vlnových délek zužuje na nm. Působením odrazu, rozptylu a pohlcování na zemský povrch dopadá přibližně 50 % z celkového slunečního záření dopadajícího na horní hranici atmosféry. Z kvalitativního hlediska se krátkovlnná radiace dělí na tři formy záření: přímé, rozptýlené a odražené. Dalším typem je pak globální radiace, která je součtem přímého a rozptýleného záření (ROŽNOVSKÝ, HAVLÍČEK, 1999) Přímá sluneční radiace Jedná se o tu část slunečního záření, která nebyla v atmosféře zeslabena pohlcováním nebo rozptylem. Přímé sluneční záření přichází vzhledem k velké vzdálenosti Země od Slunce do oka pozorovatele jako svazek prakticky rovnoběžných paprsků. Jeho intenzitu (I) charakterizujeme jako množství přímého slunečního záření dopadajícího za jednotku času na jednotkovou plochu horizontálního zemského povrchu. Množství energie dopadající na obecně orientovanou plochu nazýváme insolace (I ). Jelikož na plochu kolmou dopadne více paprsků než na plochu ozářenou pod úhlem (obecně orientovanou), používá se pro výpočet insolace vztah (1): I = I sin α (1) kde α značí úhlovou výšku Slunce nad ideálním (geometrickým) obzorem (KOPÁČEK, BEDNÁŘ, 2005). 14

16 Maximální intenzita přímého slunečního záření je v České republice měřena v poledních hodinách koncem jara. Intenzita stoupá s nadmořskou výškou a výškou Slunce nad horizontem a naopak klesá s rostoucím zákalem atmosféry. Na horách jsou proto hodnoty vyšší než v nížinách a mohou dosahovat až 1100 W m -2. Maxima se projevují v zelenožlutých vlnových délkách (ROŽNOVSKÝ, HAVLÍČEK, 1999). V praxi se tento radiační tok běžně kontinuálně neměří. Většinou se určuje jako rozdíl mezi naměřenými hodnotami rozptýleného a globálního záření (VANÍČEK a kol., 1994) Rozptýlená sluneční radiace Intenzita difúzního záření je podstatně menší než intenzita přímého záření a její maxima nepřesahují 500 W m -2. V poledních hodinách jasného dne se pohybuje okolo 66 W m -2. O něco větších hodnot intenzita rozptýleného záření nabývá za výskytu oblaků či mlhy a v případě úplně zatažené oblohy je intenzita největší. Záření je také například více rozptylováno ráno a večer (ROŽNOVSKÝ, HAVLÍČEK, 1999). V případě molekulárního rozptylu (záření je rozptylováno molekulami vzduchu) jsou ve slunečním záření nejvíce zastoupeny krátké vlnové délky příslušející v oblasti viditelné části spektra především fialové a modré barvě. Naproti tomu rozptyl aerosolový (rozptyl slunečního záření na částicích) má vzhledem k vlnové délce neutrální charakter, to znamená, že různé vlnové délky jsou stejně účinně rozptylovány a rozptýlené světlo má přirozenou bílou barvu. Z těchto skutečností vyplývá vysvětlení modré až modrofialové barvy oblohy, působené rozptylem záření především molekulami vzduchu, a bílé až šedé barvy ozářených oblaků či mlhy, kdy je vnímáno sluneční záření rozptýlené oblačnými kapkami nebo ledovými částicemi. V případě zakalení atmosféry například prachovými částicemi je modrá barva tlumena a obloha nabývá bělavého vzhledu (KOPÁČEK, BEDNÁŘ, 2005). Difúzní záření spolu se zářením přímým tvoří záření globální. V našich klimatických podmínkách představuje difúzní záření v celoročním průměru % hodnoty globálního záření. Soustavné měření rozptýleného záření v České republice se provádí například na stanici radiační sítě ČHMÚ (Český hydrometeorologický ústav)v Hradci Králové (VANÍČEK a kol., 1994). 15

17 Odražená sluneční radiace Část dopadajícího záření (přímého či difúzního) se odráží od aktivního povrchu a směřuje zpět do atmosféry. Intenzita a spektrální složení tohoto záření jsou závislé na vlastnostech dopadajícího záření a na odrazivé schopnosti povrchu, kterou označujeme jako albedo (ROŽNOVSKÝ, HAVLÍČEK, 1999). Albedo neboli odrazivost je veličina, vyjadřovaná v procentech nebo jako bezrozměrné číslo, jehož hodnota leží v intervalu <0, 1>, která vyjadřuje poměr množství odraženého záření k množství záření dopadajícího na určitý povrch (BEDNÁŘ a kol., 1993). Albedo je tedy schopnost povrchu odrážet záření. Velikost albeda závisí na fyzikálních vlastnostech povrchu (barva, vlhkost, zenitová vzdálenost od slunce apod.). Z přirozených povrchů má největší albedo sněhová pokrývka (případně zaledněné oblasti), protože čistý čerstvě napadlý sníh odráží přes 70 % z dopadajícího slunečního záření. Ostatní přirozené povrchy půdy a vegetačního krytu mají albedo obvykle v rozmezí 5-30 %, přičemž vyšší hodnoty mají například povrchy písků nebo povrchy porostlé řídkou suchou trávou. Albedo vodních ploch se velmi různí (2-70 %), protože výrazně závisí na výšce Slunce nad obzorem. Při malých výškách Slunce má vodní plocha velké albedo (a projevuje se zrcadlovým leskem hladiny) a naopak při polohách Slunce vysoko nad obzorem je albedo malé (a projevuje se tmavým odstínem hladiny) (KOPÁČEK, BEDNÁŘ, 2005). Záření odražené zemským povrchem se v České republice dlouhodobě měří v radiační síti ČHMÚ v Hradci Králové. V místech, kde jsou k dispozici údaje o globálním záření a o zemském povrchu, lze charakteristiky odraženého záření určit jednoduchou rovnicí (2): R = A G (2) kde R je odražená radiace, A je albedo, G je globální radiace (VANÍČEK a kol., 1994). 16

18 Globální radiace Globální radiace je součtem vertikální složky přímého slunečního záření (insolace) a rozptýleného slunečního záření dopadajícího na vodorovnou plochu. Globální radiace je významnou charakteristikou přenosu sluneční energie do atmosféry a na zemský povrch. Její intenzita roste s výškou Slunce nad obzorem a s poklesem zakalení atmosféry. Dále závisí také na oblačnosti (BEDNÁŘ a kol., 1993). Za bezoblačného dne je globální záření téměř rovno záření přímému a za dne zcela zataženého naopak záření rozptýlenému. Z hlediska denních chodů je intenzita globální radiace největší v měsíci červnu kolem poledne, kdy bývají naměřeny hodnoty až 1100 W.m -2. Naopak nejnižší hodnoty bývají naměřeny v zimních měsících. V oblasti průmyslových center či velkých sídlišť dochází k poklesu intenzity záření až o 15 % (ROŽNOVSKÝ, HAVLÍČEK, 1999). Globální záření je v daném místě významným činitelem formulujícím klimatické podmínky a také ovlivňuje technologie spojené s lidskou činností. Roste zájem o jeho aktivní i pasivní využívání jako přirozeně obnovitelného a ekologicky čistého zdroje energie a o popis jeho působení na různé materiály a biologické procesy. Změny globální radiace mohou být také indikátorem ovlivnění životního prostředí v důsledku lidské činnosti. Z agrometeorologického hlediska se tak jedná o nejvýznamnější a nejčastěji měřenou veličinu slunečního záření. Na území České republiky provádí dlouhodobá a pravidelná měření globální radiace Český hydrometeorologický ústav (ČHMÚ), který své výsledky poskytuje tuzemským i zahraničním zájemcům. VANÍČEK a kol. (1994) podrobně popsali stav globálního záření za desetileté období na území České republiky, kde jsou veškeré charakteristiky získány z přímo naměřených datových souborů, ze kterých je možné zpracovat specializované analýzy. Hlavní faktory působící na formování pole globální radiace na území ČR: - expozice území ČR vůči všeobecné cirkulaci atmosféry (růstem kontinentálního charakteru a poklesem maritimního charakteru klimatu ve směru západ-východ) - výrazné působení orografie na tvorbu oblačnosti, zejména v pohraničních oblastech - oblastně rozdílné koncentrace aerosolů v atmosféře. 17

19 Podle výše uvedených činitelů lze Českou republiku rozdělit na několik oblastí, ve kterých má pole globálního záření zřetelně rozdílné vlastnosti a podle toho se k nim přiřadí určité stanice radiační sítě, které je reprezentují (VANÍČEK a kol., 1994). Přehled stanic Národní radiační sítě ČHMÚ je zobrazen na mapě na obrázku 2. Obr. 2: Přehled stanic Národní radiační sítě ČHMÚ (ČHMÚ, online, 2013) Globální radiace je v důsledku intenzivních atmosférických procesů a vlivem astronomicky podmíněného denního a ročního chodu časově velice proměnlivá, proto se k podrobnějšímu popisu pole slunečního záření často používá KT index (clearness index) a KD index (diffuse index). Tyto indexy jsou definovány následujícími obecnými vztahy (3), (4): KT = R G /R A (3) KD = D/R G (4) kde R G je globální radiace, R A je extraterestrická radiace, D je difúzní radiace. Veličiny KT a KD se většinou určují z hodinových nebo denních sum globálního a difúzního záření, s použitím hodnot extraterestrické radiace. Díky KT a KD indexům můžeme přímo charakterizovat fyzikální stav atmosféry z hlediska její propustnosti a rozptylu vůči slunečnímu záření (VANÍČEK a kol., 1994). 18

20 2.3 Extraterestrická radiace Extraterestrická radiace (R A ) je sluneční radiace, která dopadá na horní hranici atmosféry, atmosférou neprochází a není jí tedy nijak ovlivněna. Intenzita záření je zde určena úhlem mezi dopadajícími slunečními paprsky a povrchem atmosféry. Tento úhel se mění v průběhu dne a je rozdílný v různých zeměpisných šířkách a v různých ročních obdobích. Pokud je slunce přímo nad hlavou, úhel dopadu je nula a extraterestrická radiace je rovna solární konstantě 0,0820 MJ m -2 min -1. Se změnou ročního období, postavení Slunce a délkou dne se mění i extraterestrická radiace, která je tedy funkcí zeměpisné šířky, datumu a času (během dne). Její denní sumy můžeme vypočítat na základě následujících vztahů (5), (6), (7) a (8). (ALLEN a kol., 1998) ( ) [ ( ) ( ) ( ) ( )] (5) kde R A je denní suma extraterestrické radiace [MJ m -2 den], G sc je solární konstanta = 0,0820 MJ m -2 min -1, d r je proměnlivá relativní vzdálenost Země-Slunce (-) dle vzorce (6), ω s je hodinový úhel zapadajícího slunce [rad], dle vzorce (8), φ je zeměpisná šířka [rad], δ je solární deklinace [rad], vypočtena podle rovnice (7). ( ) (6) ( ) (7) kde J je pořadové číslo v roce. [ ( ) ( )] (8) 19

21 2.4 Ultrafialová radiace Ultrafialové záření, zkráceně UV-záření (od ultraviolet radiation) je část elektromagnetického vlnění, která se nachází mezi viditelným světlem a rentgenovým zářením a má vlnovou délku od 100 do 400 nm. Toto záření můžeme s ohledem na biologický účinek dále rozdělit do tří skupin: 1. UV-A záření, s vlnovou délkou nm, které je ze spektra UV nejméně pohlcováno ozonosférou (ozonová vrstva ve stratosféře), proto ho nejvíce dopadá na zemský povrch, 2. UV-B záření, s vlnovou délkou nm, které je ozonosférou pohlcováno z velké části a na zemský povrch dopadá v minimálním množství, a 3. UV-C záření, s vlnovou délkou nm, které je zcela pohlceno řadou plynů v atmosféře včetně ozonu (LIPPERT, 1995). UV-A záření spolu s UV-B vyvolává hnědnutí kůže a tvorbu provitaminu D při opalování. UV-A vyvolává fluorescenci látek. UV-B má oproti UV-A větší erytermální účinek (začervenání pokožky) s následnou pigmentací. UV-B záření ničí mikroorganismy. UV-C ničí zrak a je pro lidský organismus škodlivé. V přízemní vrstvě atmosféry se vyskytuje jen z umělých zdrojů (ROŽNOVSKÝ, HAVLÍČEK, 1999). Nejškodlivější část slunečního UV záření ( nm) je eliminována v ozonové vrstvě. Zbývající dopadající ultrafialové záření obsahuje přibližně 1-10 % UV-B a % UV-A v závislosti na propustnosti atmosféry. V důsledku úbytku ozonové vrstvy může výrazně růst aktuální množství UV-B záření dopadajícího na zemský povrch. Expozice UV záření vyvolává v živých organismech řadu akutních a chronických změn, jejichž rozsah a intenzita jsou ovlivněny jednak individuálními faktory a jednak faktory ovlivňujícími intenzitu UV záření dopadajícího na zemský povrch (RAJNO- CHOVÁ SVOBODOVÁ, 2012). Hlavní faktory, které ovlivňují příkon ultrafialové radiace, jsou: Atmosférický ozon: Ultrafialová radiace je v atmosféře absorbována a rozptylována. UV-C záření je při průchodu atmosférou zcela pohlcováno a ve stratosféře je energie UV-C využita pro tvorbu ozonu z molekulárního kyslíku. Ozon absorbuje značné množství UV-B záření, a proto na zemský povrch pronikají vlnové délky až od 293 nm. 20

22 Postavení Slunce: Úhel mezi horizontem a spojnicí místa pozorovatele s polohou Slunce na obloze se nazývá zenitový úhel Slunce. Je to tedy úhel mezi zenitem a spojnicí ke Slunci, který je doplňkem výšky Slunce do 90. Pro velké výšky (a malé úhly) má UV záření na zemském povrchu větší intenzitu, protože dráha slunečních paprsků v atmosféře je kratší a jejich absorpce je menší. Naopak, pokud je Slunce v blízkosti obzoru, musí paprsky urazit delší dráhu atmosférou a tak jsou více zeslabeny. Poloha Slunce se mění v průběhu dne a roku a také v závislosti na zeměpisné šířce. Proto je největší intenzita UV radiace kolem poledne (11-13 hod), v létě nebo v tropických oblastech. Nadmořská výška: Protože množství absorbujících látek v atmosféře s výškou klesá, intenzita ultrafialového záření s nadmořskou výškou roste. Měření ukazují, že průměrný nárůst intenzity UV záření je 6-8 % na každých 1000 m nadmořské výšky. Rozptyl v atmosféře: UV záření na zemský povrch dopadá v podobě přímých i rozptýlených paprsků ze Slunce. Na zemském povrchu je poměr přímé a rozptýlené složky přibližně 1 : 1. Rozptyl může být mnohonásobný, záleží na vlnové délce radiace. Ze slunečního spektra je nejvíce rozptylována modrá barva a UV záření, které lidské oko nevnímá, je rozptylováno ještě více. Oblačnost a zákal: Zeslabení intenzity UV záření oblačností závisí na typu a velikosti oblaků. Tenká a ojedinělá oblaka UV radiaci ovlivňují jen nepatrně a někdy ji mohou dokonce i bočním odrazem v daném místě zesílit. Prachové a kouřové částečky, vodní kapky ve vzduchu apod. vytvářejí atmosférický zákal, který UV záření taktéž zeslabuje. V silně znečištěných oblastech je proto příkon UV radiace nižší než v místech s čistou atmosférou. Odraz na zemském povrchu: Množství odraženého UV záření závisí na optických vlastnostech povrchu. Většina přirozených povrchů (tráva, zemina, asfaltová silnice) odráží kolem 10 % dopadajícího UV záření. Oproti tomu například písek odráží až 30 % a sníh až 90 % UV záření. Na jaře za bezoblačné oblohy na sněhové pokrývce tak může ozáření v důsledku odrazu dosáhnout až maximálních letních hodnot. Vodní hladinou prochází asi 95 % a asi 50 % záření proniká až do hloubky 3 m (JANOUCH, ETTLER, 2009). 21

23 2.4.1 UV-index UV-index je standardizovaná bezrozměrná veličina zavedená mezinárodními institucemi (WHO = Světová zdravotnická organizace, WMO (SMO) = Světová meteorologická organizace, UNEP = Program OSN pro životní prostředí, ICNRP = Mezinárodní komise pro ochranu před neionizujícím zářením) jako parametr vyjadřující biologický efekt UV záření na lidskou kůži, který má sloužit veřejnosti pro jednoduché hodnocení zdravotních rizik vyplývajících z oslunění UV zářením a k upozornění na nutnost použití ochranných prostředků. Pokud je UV-index určen pro jasnou oblohu, je nutné jeho hodnotu při výskytu oblačnosti opravit pomocí tzv. opravného faktoru oblačnosti. UV-index je za normálních okolností uváděný pro horizontální rovinu, proto je v případě výpočtu pro různě nakloněné roviny (například části lidského těla), tuto skutečnost při použití uvést. (JANOUCH, ETTLER, 2009) Hodnota UV-indexu spolu s tzv. celkovou dobou pobytu na slunci bez použití ochranných prostředků, po jejímž uplynutí začne lidská pokožka reagovat tvorbou erytému (zčervenání), bývá součástí předpovědi počasí. UV-index je číselně vyjádřený jako hodnota efektivního erytémového záření ve W m -2, vynásobená 40. V našich zeměpisných šířkách se UV-index pohybuje většinou mezi 0 až 9 (například v tropickém pásmu může dosahovat až 15 a více). Podrobnější stupnice jde vidět na obrázku 3. Nejvyšších hodnot u nás UV-index dosahuje v létě v poledních hodinách. (RAJNOCHOVÁ SVOBODOVÁ, 2012) V České republice je možné dohledat aktuální hodnoty UV-indexu i jeho předpověď (na dva dny dopředu) na stránkách Českého hydrometeorologického ústavu v sekci Ozonové a UV zpravodajství. Aktuální hodnoty jsou pro vybrané stanice, předpověď pro celou ČR (viz Příloha 1). Obr. 3: Rozsah UV-indexu (ČHMÚ, online, 2013) 22

24 2.4.2 UV-B radiace Z hlediska vazby na stav ozonové vrstvy a působení na biosféru je UV-B nejdůležitější částí UV záření. I když představuje malé procento energie přenášené v celém slunečním spektru, je biologicky vysoce aktivní. Vyplývá to především z jeho schopnosti rozkládat makromolekulární látky a tím poškozovat rostlinné i živočišné buněčné struktury a to včetně nosičů genetických informací DNA a RNA. Toto působení je možno charakterizovat pomocí tzv. spektrální citlivosti S (λ), která je definována poměrem (9): ( ) ( ) ( ) (9) kde BE (λ) je biologický efekt na daném subjektu vlivem působení záření o vlnové délce λ, a BE (λ 0 ) je biologický efekt způsobený radiačním tokem na referenční vlnové délce λ 0, při stejné celkové intenzitě radiačního toku UV a jejím stabilním spektrálním rozložení reprezentovaným funkcí f (λ). Pro zkoumaný fotobiologický proces se volí taková referenční λ 0, pro kterou je účinnost záření maximální. Většinou se jedná o λ 0 z intervalu nm. Veličina S (λ) má charakter váhy a umožňuje tak určit část celkové dopadající radiace, která se v daném procesu skutečně uplatňuje. Zbytek záření se od subjektu odráží nebo jím prochází bez účinku (VANÍČEK, 1996). Intenzita UV-B radiace je silně závislá na množství ozonu v atmosféře, tj. na tloušťce ozonové vrstvy. Atmosférický ozon vzniká fotodisociací kyslíku při procesu absorpce UV-C záření v atmosféře. Faktor, který vyjadřuje vztah mezi množstvím ozonu v atmosféře a změnami UV-B radiace se nazývá Radiační zesilující faktor (Radiation amplification factor, RAF). Tento faktor, který je závislý na vlnové délce, vyjadřuje, o kolik procent vzroste intenzita UV-B záření, jestliže se celkový ozon změní o 1 %. Pro celkovou biologicky aktivní oblast ultrafialové radiace je hodnota přibližně 1,2 % (JANOUCH, ETTLER, 2009). Síla ozonové vrstvy je ovlivňována ročním obdobím, intenzitou dopadajícího slunečního záření a globální cirkulací vzduchu. Množství celkového ozonu tak vykazuje typický roční průběh - na podzim většinou nastává cyklický pokles a v zimě naopak jeho nárůst, tedy zesílení ozonové vrstvy (RAJNOCHOVÁ SVOBODOVÁ, 2012). 23

25 2.4.3 Účinky UV radiace Hlavní riziko působení zvýšeného množství UV záření v přírodě spočívá především v ohrožení nižších forem života nezbytných pro zachování přirozeného životního prostředí (VANÍČEK, 1996). Chemický účinek ultrafialového záření spočívá v jeho absorpci a následné excitaci příslušných atomů a molekul, na což pak navazují další chemické procesy. Čím je vlnová délka absorbovaného UV záření kratší, tím jsou jeho fyziologické účinky podobnější účinkům známým z oblasti radiační chemie, to znamená, že k procesu excitace atomů a molekul přistupuje ještě proces úplné ionizace se všemi následnými účinky. Na nižší organismy působí UV-B a UV-C záření silně toxicky, proto se často používá k desinfekci a ke sterilizaci nástrojů či prostoru (LIPPERT, 1995) Účinky UV-B na člověka K biologickým účinkům UV záření patří ztmavnutí pokožky následkem tvorby melaninu, na čemž se však jednotlivé vlnové rozsahy UV záření podílejí individuálně. Zatímco ze zdravotních (antirachitická tvorba vitaminu D) a estetických důvodů je tento proces vítaný, existují i účinky, které žádoucí nejsou (LIPPERT, 1995). Při nadměrném nebo dlouhodobém ozáření kůže, může především UV-B radiace vyvolat řadu chemických a biologických reakcí, které se projevují různým stupněm zánětu pokožky od tvorby erytému, přes vznik puchýřů až k nekróze tkáně. Nejzávažnější formou reakce je vznik rakovinového onemocnění kůže. Maligní rakovinová onemocnění jsou spojována s krátkodobým, ale intenzivním ozářením UV a benigní formy s překročením dlouhodobé dávky UV záření (VANÍČEK, 1996). Kvůli těmto fototoxickým účinkům je nutná ochrana lidského těla před UV zářením. Lidské tělo vytváří přirozenou ochranu proti UV záření, kterou je kyselina urokanová. Dále je to kyselina 5-imidazolakrylová, která je jako trans-izomer obsažena v pokožce a vylučována potem. U černochů je tato kyselina vylučována až v třikrát větší koncentraci než u bělochů. Vlivem UV záření se trans-izomer přeměňuje na cis-izomer a tím dochází k zachycování energie tohoto záření. Kyselina urokanová je zvláště účinná proti tvorbě erytémů, proto se používá jako přísada do opalovacích krémů (LIPPE- RT, 1995). 24

26 Lidská pokožka reaguje na absorbované UV záření velmi rozdílně, což je dáno především přirozeným stupněm pigmentace a individuálními ochrannými reakcemi každého člověka. Komplex těchto vlastností určuje tzv. kožní fototyp jedince. Pro bělošskou populaci jsou stanoveny čtyři základní fototypy, které jsou definované na základě kožní reakce při první jarní jednohodinové expozici na přímém slunci v poledních hodinách: I. vždy rudne, nikdy pigmentačně neztmavne, II. obvykle rudne, pigmentuje málo, III. někdy rudne, pigmentuje dobře, IV. nikdy nerudne, vždy pigmentačně ztmavne. Každý fototyp má určitou hranici průměrné dávky UV záření, po jejímž překročení začne pokožka rudnout. Tato dávka se nazývá minimální erytémová dávka označovaná jako 1MED. Výzkumy ukázaly, že velikost 1 MED je značně geograficky a etnicky proměnlivá (VANÍČEK, 1996). Nadměrná expozice UV záření může poškodit také lidský zrak s následky přechodnými i trvalými. Lidské oko je vybaveno přirozenou ochranou vůči průniku UV záření, která spočívá v jeho absorpci rohovkou, nitrooční tekutinou a oční čočkou, ale i přesto by se měly používat sluneční brýle s UV filtrem apod. (VANÍČEK, 1996). Příkladem přechodného poškození očí je sněhová slepota, která se může objevit po delším pobytu na rozsáhlé sněhové ploše za jasného dne ve vysokých nadmořských výškách. Díky součtu odraženého záření od sněhové pokrývky a přímého záření je intenzita záření znásobena. Tomuto poškození lze předejít používáním slunečních brýlí s UV filtrem. Působením UV paprsků dochází také k poškození oční rohovky, ale i tomuto se dá předejít používáním slunečních brýlí s UV filtrem. Správné brýle by měly absorbovat až 99 % UV-B a 60 % UV-A záření. Trvalé poškození očí, které může nastat při dlouhodobé nadměrné expozici UV zářením, je katarka, neboli šedý zákal. Toto poškození postihuje spíše starší lidi. Projevuje se postupným zakalováním oční čočky, až je zcela znemožněn průchod světla a pokud se včas neoperuje, může vést až ke slepotě (KRAJSOVÁ, 1993). 25

27 Účinky UV-B na rostliny Rostliny jsou závislé na slunečním záření, protože jej využívají při fotosyntéze. Při vystavování částí svého povrchu slunečnímu záření se nevyhnou ani UV-B radiaci, která je považována za možný stresový faktor. Citlivost rostlin se ovšem liší a existují podstatné rozdíly v citlivosti jednotlivých druhů a odrůd. Citlivé rostliny mají po ozáření kratší stonek a vykazují slabší růst listů, fotosyntéza probíhá pomaleji a hmotnost rostlin je nižší (KOZUBEK a kol., 1993). Při ozáření rostlinných buněk UV-B radiací dochází ke snižování transformační aktivity nukleových kyselin (DNA, RNA), strukturním poruchám chloroplastů (zkracování a oddalování tylakoidních membrán, změně permeability apod.) a celkovému snižování aktivity buněk (inaktivní reakční centra či poškození elektronových přenašečů). Rovněž byl prokázán vliv UV-B záření na obsah fotosynteticky aktivních pigmentů a množství a aktivitu enzymu Rubisco, který je rovněž nezbytný při fotosyntéze. Tyto skutečnosti mohou vést k poklesu asimilační schopnosti rostlin a následným morfologickým a anatomickým změnám (URBAN a kol., 2001). Docházet může také ke ztrátě integrity a propustnosti membrán a k ultrastrukturální dezorganizaci, což se podobá poškození chladem. Při studiu strukturálních změn v listech ozářené cukrové řepy elektronovým mikroskopem byly zjištěny změny podobající se stárnutí (KOZUBEK a kol., 1993). Dále byl například pozorován u sazenic borovice kadidlové pokles specifické listové plochy, délky jehlic, celkové výšky vzrůstu a snížení kořenového váhového poměru (URBAN a kol., 2001). V přírodě obvykle UV-B záření působí společně s dalšími stresy. Například v poledne, kdy je záření nejintenzivnější, je společným stresem vysoká teplota a nízká relativní vlhkost. V pokusech se sójovými boby se zjistilo, že nedostatek vláhy může podstatně zvýšit negativní vliv UV-B záření na suchou hmotnost rostlin a to zejména v raných stádiích vývoje. Zvýšená intenzita zalévání tak může částečně snížit negativní účinek na rostliny. Účinek UV-B záření snižuje také působení viditelného světla. Stimulací světlem dochází k reparaci UV-indukovaných poškození citlivých molekul enzymem fotolyázou, která ke své aktivitě světlo využívá. Rostliny se proti UV-B radiaci mohou přirozeně bránit a to buď reparací již poškozených buněk, nebo předcházením poškození. Často dochází k akumulaci barviv ve vnějších vrstvách listů, která UV záření pohlcují. Tato barviva pak chrání hlouběji 26

28 uložené citlivé struktury. Bylo prokázáno, že flavonoidy a anthokyaniny absorbují UV- B záření a že vytváření těchto barviv v rostlinách je UV zářením indukováno. Maximum citlivosti pro tuto indukci se pohybuje kolem 300 nm (žijící buňky jsou nejvíce citlivé právě pro oblast 300 až 315 nm). Množství indukovaných pigmentů je úměrné dávce záření a reakce rostliny je poměrně rychlá. Dalším ochranným mechanismem rostliny je zpoždění růstu, což pravděpodobně prodlužuje dobu, po kterou mohou buňky regenerovat vzniklá poškození (KOZUBEK a kol., 1993). Vlivem UVB na fyziologii rostlin se zabývala již řada studií, které se většinou zaměřují na zemědělské plodiny. K výzkumu může docházet v laboratorních podmínkách anebo venku v terénu, kdy jsou rostliny cíleně ozařovány pomocí UV lamp. Výsledkem účinků UV-B záření na zemědělské plodiny jsou rostlinné ztráty po celém světě a snížení průměrných výnosů většiny hlavních plodin. Během několika posledních desetiletí panovala značná obava, že dojde k vyčerpání stratosférického ozonu, v důsledku antropogenního znečištění (halogeny a další chemikálie poškozující ozonovou vrstvu, emise skleníkových plynů apod.). Pokles ozonu by mohl vést k významnému zvýšení UV-B radiace a změně spektrálního složení UV radiace dopadající na zemský povrch. Předpokládá se, že tento trend bude pokračovat i v budoucnu. Ačkoliv je UV-B pouze malou částí slunečního záření, díky své vysoké energii je jeho potenciál pro vyvolání biologických poškození mimořádně vysoký. Pochopení mechanismů, podle kterých jsou fyziologické procesy poškozovány, opravovány anebo chráněny, je důležité pro pochopení ekofyziologické role UV-B záření. ZLATEV a kol. (2012) poukázali v článku o fyziologické reakci rostlin na UV-B záření na fakt, že přírodní rovnováha záření UV-B, UV-A a FAR je nezbytná pro adekvátní funkci ochranných mechanismů. V nedávných studiích bylo zjištěno, že UV-B záření není pro fyziologii a růst rostlin tolik škodlivé, jak se dříve předpokládalo. Účinky UV-B jsou druhově specifické a závisí na interakci s jinými ekologickými parametry. Například fotosyntéza je na zvýšení UV-B citlivá, ale environmentální význam vlivu UV-B na ni není jasný. Mnohé studie v laboratorních podmínkách škodlivé účinky na fotosyntézu sice prokázaly, ale působení efektivního spektra UV-B neukazuje na žádný konkrétní cílový druh molekuly. Ošetření UV-B radiací může ovlivnit vodivost průduchů, měnit rychlost vypařování vody při transpiraci a přijímání CO 2 při fotosyntéze. Nejpříkladnější studie přímého ochranného účinku UV-B záření na rostliny, zajišťo- 27

29 vaná fotoreceptory, je diferenciální produkce látek, které absorbují UV-B záření (například fenolové sloučeniny nebo již zmíněné flavonoidy v listech - především v epidermis). Tento typ reakce není škodlivý, nýbrž zahrnuje stimulaci konkrétních genů UV-B zářením, které mohou UV-B detekovat nebo vedou při transdukčních procesech k regulaci transkripce (ZLATEV a kol., 2012) Měření UV radiace na území ČR Sluneční záření se měří pomocí radiometrů, které se dělí na pyrheliometry, používané pro měření přímého slunečního záření a na pyranometry, které měří záření globální, rozptýlené nebo odražené zemským povrchem. Současné typy těchto přístrojů dosahují přesnosti měření 0,5-1 %. Na území České republiky se sluneční záření měří v radiační síti ČHMÚ (Obr. 2, viz výše) (TOLASZ a kol., 2007). Měření množství biologicky aktivního UV záření dopadajícího na zemský povrch se provádí pomocí speciálních radiometrů, které jsou schopny přesně měřit intenzitu radiačního toku v daných vlnových délkách. To klade vysoké nároky na jejich konstrukční řešení a kalibrování, neboť se navíc nejedná o přístroje laboratorní, ale o radiometry určené k dlouhodobé venkovní expozici. Použití klasických filtrových radiometrů spočívá v měření celkové energie dopadající v daném vlnovém pásmu. Kvůli časové nestabilitě filtrů ovšem dochází k určitým nesrovnalostem a také se naráží na problém spočívající s podhodnocováním krátkovlnné části UV-B záření, která je z biologického hlediska nejdůležitější. Do kategorie filtrových přístrojů patří tzv. UV-biometry, které slouží k měření erytémového záření (EUV). Optický systém těchto přístrojů je řešen tak, aby se spektrální citlivost přístroje co nejvíce přibližovala tvaru normované křivky erytémové citlivosti pokožky (CIE). Celková měřená UV radiace pak odpovídá EUV záření absorbovanému lidskou kůží. Příkladem je Robertson-Bergerův UV- biometr, který je používán pro měření na některých observatořích ČHMÚ (např. v Hradci Králové a Košeticích) a umožňuje měření dávek EUV přímo v MED h -1 (minimální erytémová dávka za hodinu). Dále je možné použití spektrofotometrů, které, na rozdíl od filtrových radiometrů, umožňují měření UV záření na jednotlivých vlnových délkách a tím určují spektrální intenzitu toku přímo ve fyzikálních jednotkách. Tato měření jsou velmi důležitá pro zjištění působení UV-B záření, protože umožňují určit efektivní UV radiaci pro libovolný fotobiologický proces, nejen pro erytémové působení. Nejrozšířenějším 28

30 typem je v současné době Brewerův spektrofotometr, který je rovněž součástí některých radiačních stanic ČHMÚ (JANOUCH, ETTLER, 2009; VANÍČEK, 1996) Dlouhodobé změny UV záření nad územím ČR Nežádoucí účinek UV záření na přírodní ekosystémy, zvířata, rostliny i lidské zdraví byl již mnohokrát vědecky potvrzen. Jestliže množství UV záření překročí hranice přirozených ochranných možností některých biologických látek, muže je nenávratně poškodit. Nárůst UV záření byl prokázán nejen na území ČR a střední Evropy, ale také v jiných částech světa. Tento nárůst byl řešen v různých projektech Evropské komise. Změny pole UV záření a jeho současná i budoucí úroveň na území ČR úzce souvisí s vývojem stavu ozonové vrstvy nad střední Evropou, zejména s nástupem její přirozené obnovy. ČHMÚ disponuje dlouhodobou řadou měření celkového ozonu, kterou lze k identifikaci obnovy vrstvy ozonu nad střední Evropou použít. Z měření ČHMÚ ročních úhrnů UV záření a vybraných měsíců (březen, červen, září a prosinec) je patrné, že nejvíce UV záření dopadá ve formě sluneční radiace v celoročním měřítku na jihovýchodní Moravě. Tato část ČR je totiž nejméně ovlivněna výskytem frontální oblačnosti a má proto výraznější kontinentální charakter klimatu. Nejnižší úhrny UV se naopak vyskytují v pohraničí, kde v pohořích dochází k orografické tvorbě oblačnosti, a v severozápadních Čechách, kde je UV záření zeslabeno větším výskytem oblačnosti a znečištěním atmosféry emisemi průmyslových aerosolů. V zimním období lze v horských oblastech nad inverzní vrstvou oblačnosti naměřit srovnatelné nebo i větší množství UV zářené než v nížinách. Dlouhodobé změny globálního záření a slunečního svitu charakterizují kolísání klimatu v dané oblasti. Na území ČR celkově došlo během posledních dvou desítek let ke zvýšení UV radiace, dopadající na zemský povrh. Tyto změny nastaly nejen vlivem poklesu celkového množství ozonu v atmosféře, ale také vlivem změn cirkulace atmosféry a tím i výskytu oblačnosti. V posledních dvou dekádách se ale příkon sluneční energie opět zvyšuje a v roce 2003 zatím dosáhl svého maxima za sledované období. (JANOUCH, ETTLER, 2009) 29

31 2.5 Ozon Ozon (O 3 ) je modifikací molekuly kyslíku, která je oproti obvyklé dvouatomové formě kyslíku složena ze tří kyslíkových atomů. Za normálních podmínek je ozon plynná látka, jejíž molekulová hmotnost je 48 a hustota 2,14 kg/m 3. V tomto stavu jde o poměrně nestabilní chemickou látkou, která se spontánně rozkládá na jednu molekulu kyslíku a jeden samostatný kyslíkový atom (O 3 O 2 + O). V čistém prostředí (vzduchu) a při malých koncentracích se rozkládá pomaleji, ale při teplotách kolem 100 C nebo za přítomnosti oxidu dusičitého, chloru nebo oxidů těžkých kovů je rozklad urychlen. Pod teplotou -192,7 C tvoří ozon černomodré krystaly a v rozmezí -192,7 C až -111,9 C (bod varu) kondenzuje v tmavomodrou kapalinu (KOPÁČEK, BEDNÁŘ, 2005). Ozon je vedle fluoru nejsilnější známé oxidační činidlo, které se mimo v chemii využívá také k ozonizaci vody pro desinfekci při přípravě pitných vod, kde slouží jako náhrada za méně vhodný chlor. V ovzduší vzniká přirozeně ozon z dvouatomového kyslíku různými fotochemickými procesy vlivem slunečního záření nebo také při přirozených elektrických výbojích. Vzdušný obal Země je asi z 10-6 až 10-5 objemových procent tvořen ozonem. Z toho se % ozonu nachází ve stratosféře. Maximální výskyt je kolem výšky 25 km, kde vzniká působením slunečního UV záření na molekuly kyslíku. Zbývajících % se nachází ve výškách asi do 10 km v troposféře, kde vzniká především společným působením oxidů dusíku, těkavých organických látek a slunečního záření a kde se projevuje škodlivými účinky na organismy (LIPPERT, 1995). Souběžně se vznikem ozonu probíhá jeho rozpad vlivem absorpce slunečního záření. V důsledku toho je sluneční spektrum u zemského povrchu ostře ohraničeno u vlnové délky 290 nm. Maximální obsah ozonu bývá na jaře a minimální na podzim. Významnou vlastností ozonu je schopnost pohlcovat většinu ultrafialového záření. Pohlcuje také část infračerveného záření a uplatňuje se tak v oblasti krátkovlnného i dlouhovlnného záření, tedy v radiačních bilancích v ozonosféře (UV záření) i v troposféře (skleníkový efekt). Podle toho se rozlišuje ozon troposférický, který pohlcuje dlouhovlnné záření, a ozon stratosférický, který pohlcuje část UV záření (ROŽ- NOVSKÝ, HAVLÍČEK, 1999). Stratosférický ozon pohlcuje UV-B záření přibližně ze 77 %, UV-A asi z 28 % a UV-C záření zcela. Absorpční schopnost se tak projevuje 30

32 především v oblasti biologicky aktivního záření, a proto ozon plní důležitou filtrační funkci, bez které by existence současné formy života byla bezpochyby narušena nebo dokonce zničena (KOPÁČEK, BEDNÁŘ, 2005). Měření ozonu ve vertikálním sloupci vzduchu nad povrchem Země se udává v Dobsonových jednotkách (D.U. od Dobson unit). 1 D.U. představuje celkové množství ozonu ve vertikálním sloupci atmosféry, které by při tlaku 1013 hpa a teplotě 15 C vytvořilo vrstvu silnou 10-3 cm (např. při celkovém množství ozonu 300 D.U. by tato ozonová vrstva byla silná 3 mm) (LIPPERT, 1995) Troposférický ozon V troposféře se ozon normálně vyskytuje v malém množství. Jeho zdrojem jsou hlavně fotochemické procesy a transport ze stratosféry. Fotochemickými reakcemi těkavých organických látek, metanu, oxidu uhelnatého, uhlovodíků a oxidů dusíku, které jsou součástí automobilových výfukových plynů, dochází ke zvýšenému uvolňování ozonu. Výskyt nejvyšších koncentrací ozonu je obvykle soustředěn v blízkém okolí primárních zdrojů škodlivin a v přilehlých venkovských oblastech. Výsledná koncentrace ozonu je také závislá na okamžité intenzitě slunečního ultrafialového záření a na poměru přítomných koncentrací oxidů dusíku (NO 2 a NO), kdy k výskytu zvýšených koncentrací ozonu vlivem smogu dochází současně při vysokých hodnotách poměru koncentrací oxidů dusíku. K tvorbě troposférického ozonu dochází ve znečištěném ovzduší poměrně rychle (v rozmezí asi jedné hodiny). Obecně lze konstatovat, že se úroveň koncentrace ozonu v troposféře oproti dobám před průmyslovou revolucí zdvojnásobily až ztrojnásobily, čemuž odpovídá 2-3 % přírůstek za rok. Při výrazných epizodách fotochemického smogu mohou maximální koncentrace ozonu dosáhnout až pětinásobku přirozených koncentrací (LIPPERT, 1995). Podle mnoha studií se ozon významně podílí na poškozování rostlin včetně lesních porostů. Zvýšený obsah ozonu v přízemní vrstvě snižuje proces fotosyntézy rostlin. Podle průzkumů v USA je snižována produkce rostlinné výroby vlivem ozonu v některých oblastech až o 15 % (ROŽNOVSKÝ, HAVLÍČEK, 1999). 31

33 Troposférický ozon má z hlediska pohlcování UV radiace stejné vlastnosti jako ozon stratosférický, proto i on může zachytávat úměrnou část nežádoucího UV záření. V této souvislosti dochází k paradoxnímu stavu, kdy přítomnost zvýšené koncentrace ozonu v troposféře má zároveň negativní a zároveň pozitivní úlohu (LIPPERT, 1995) Ozonová vrstva Vznik ozonové vrstvy úzce souvisí s růstem obsahu dvouatomového kyslíku (O 2 ) v zemské atmosféře, který je produktem metabolismu zelených rostlin, během posledních 3 miliard let. Převážné množství atmosférického ozonu je obsaženo ve stratosférické ozonové vrstvě (asi %), která se díky tomu označuje také jako ozonosféra, s maximem ve výškách mezi 20 a 30 km. V této vrstvě vzniká ozon působením slunečního ultrafialového záření (λ < 242 nm), které štěpí molekuly kyslíku na jednotlivé atomy za vzniku ozonu. Vzniklý ozon se zde trvale nehromadí, ale opět se rozkládá na molekulární a atomární kyslík vlivem ultrafialového záření o větších vlnových délkách a viditelného záření. Vzniklý kyslík následně rozkládá další molekulu ozonu (LIPPERT, 1995) Látky poškozující ozonovou vrstvu Látky poškozující ozonovou vrstvu tvoří různé chemické látky, které většinou řadíme mezi freony a halony, ale patří mezi ně například i oxidy dusíku (NO, NO 2 ). Freony jsou halogenové uhlovodíky, jejichž atomy uhlíku jsou většinou úplně substituovány chlorem a fluorem. Pokud tyto látky obsahují brom, mluvíme o halonech. Tyto látky urychlují přirozený rozklad ozonu. Freony našly široké technické uplatnění jako přídavné látky do aerosolových rozprašovačů, hasících prostředků a jako pracovní látky v chladírenské technice. V troposféře se freony se jeví jako stálé látky s dobou setrvání desítky až stovky let. Vzhledem k této dlouhé době životnosti u nich dochází vlivem atmosférického proudění k rovnoměrnému rozšíření v ovzduší po celé planetě, nehledě na místo zdroje znečištění (LIPPERT, 1995). Freony také významně zvyšují skleníkový efekt. 32

34 Ve výškách mezi 35 a 45 km vlivem UV záření (λ < 230 nm) probíhá jejich fotodisociace, při které se z jejich molekuly odštěpuje atom chloru, který potom reaguje s molekulou ozonu za následujících reakcí: Cl + O 3 ClO + O 2 a následně ClO + O Cl + O 2 Tento cyklus reakcí se může bez přerušení opakovat až 1000 krát za sebou. Pro poklesy koncentrací ozonu pod 40 % a více se používá termín ozonová díra (ROŽNOVSKÝ, HAVLÍČEK, 1999). Kovalentní sloučeniny chloru v troposféře jsou zhruba z 20 % přirozeného a z 80 % antropogenního původu. Halony, sloučeniny bromu, mají podstatně vyšší hodnotu potenciálu ničení ozonu (ODP = veličina popisující míru schopnosti dané látky odbourávat ozon za stratosférických podmínek) než sloučeniny chloru. Přesto, že jejich obsah ve stratosféře dosahuje pouhého 1 % celkové koncentrace sloučenin chloru, podílí se z 25 % na snižování koncentrace stratosférického ozonu. Zbývajících 75 % zastávají především sloučeniny chloru (LIPPERT, 1995). Proces poškozování ozonové vrstvy je složitý proces, ale vzhledem k povaze tématu předkládané diplomové práce, nebude toto téma v textu dále podrobněji probíráno. Problematika je podrobně popsána například v publikaci Ozonová vrstva Země (LIPPERT, 1995) Měření ozonu Celkové množství ozonu v atmosféře v podstatě vyjadřuje tloušťku ozonové vrstvy nad daným místem. Udává se v tzv. Dobsonových jednotkách (D.U.). Nejpoužívanějšími přístroji na měření ozonu jsou Dobsonův spektrofotometr a novější Brewerův spektrofotometr (VANÍČEK, 2001). Princip měření Dobsonovým spektrofotometrem spočívá v rozkladu dopadajícího slunečního záření křemenným hranolem a z takto vytvořeného spektra jsou vybrány tři vlnové délky z oblasti UV-B, při kterých ozon výrazně absorbuje UV-záření. Jejich intenzita je pak porovnávána s vlnovými délkami UV-B záření téměř ozonem neovlivněnými. Následně je pomocí rovnic přenosu elektromagnetického záření atmosférou a 33

35 spektrálních absorpčních koeficientů ozonu spočítáno jeho celkové množství ve vertikálním sloupci atmosféry. Brewerův spektrofotometr je plně automatizovaný a počítačem řízený optoelektronický přístroj, který umožňuje měřit nejen celkové množství ozonu a oxidu siřičitého ve sloupci atmosféry, ale také scanuje intenzitu UV-B záření. Měření vychází ze stejného principu jako u předchozího spektrofotometru, ale sluneční záření je rozkládáno na jemné mřížce a rotující štěrbiny umožňují měřit spektrální intenzitu toku UV-B radiace v oblasti nm s krokem 0,5 nm. Počítač následně vybere potřebné vlnové délky k výpočtům celkového ozonu, oxidu siřičitého a biologicky aktivního UV-záření. Oba uvedené spektrofotometry jsou schopny měřit ozon s přesností 1-2 % (LIP- PERT, 1995). V České republice se měření ozonu provádí na Solární a ozonové observatoři (SOO) Českého hydrometeorologického ústavu (ČHMÚ) v Hradci Králové, kde se od roku 1962 pravidelně měří Dobsonovým spektrofotometrem. Přístroj je pravidelně mezinárodně kalibrován a v současné době plní úlohu sekundárního regionálního standardu ozonometrické sítě Světové meteorologické organizace (SMO) pro oblast Evropy. Denně se na observatoři provádí 3 až 6 měření, která se ihned vyhodnocují a ukládají do databáze. Od roku 1994 se na SOO k měření ozonu používá také spektrofotometr Brewerův. Jeho pořízením se pracoviště zařadilo mezi nejlépe vybavené ozonové observatoře sítě SMO. Oba přístroje jsou velmi přesné a stabilní a pravidelně se kalibrují na mezinárodních srovnáních. Monitoring celkového ozonu v Hradci Králové patří svojí délkou a kvalitou měření k mezinárodně často užívaným zdrojům informací o dlouhodobých změnách ozonové vrstvy (VANÍČEK, 2001). Stav denních průměrů celkového ozonu za necelý předchozí rok, aktuální stav a dvoudenní předpověď do budoucna je zveřejněn na portálu ČHMÚ v sekci Ozonové a UV zpravodajství (viz Příloha 2). 34

36 3 CÍL Hlavním cílem této diplomové práce bylo analyzovat chod UV-B a globální radiace na agrometeorologické stanici v Žabčicích v letech 2011 až Dílčím sílem bylo zpracovat literární přehled a poskytnout informace o problematice a významu UV-B a globální radiace, včetně popsání dalších základních pojmů v dané oblasti (radiace obecně, sluneční záření a jeho složky, ozon a ozonová vrstva). Dále si tato práce kladla za cíl zpracovat databázi měření UV-B a globální radiace v průběhu sledovaného období (2011 až 2012) a na základě dostupných metod doplnit chybějící hodnoty UV-B radiace. Jedním z cílů, který nebyl zahrnut v zadání diplomové práce, bylo posoudit, do jaké míry je závislost mezi UV-B a globální radiací ovlivněna celkovým množstvím ozonu, proto byly do databáze zahrnuty také hodnoty celkového stratosférického ozonu naměřené na Solární a ozonové observatoři v Hradci Králové. Konečným cílem diplomové práce bylo provést analýzu veškerých výše uvedených dat včetně srovnání s předchozími roky a databázi posoudit a statisticky vyhodnotit. 35

37 4 METODIKA 4.1 Použitá data Měření globální radiace na agrometeorologické stanici v Žabčicích Data použitá v této diplomové práci vycházejí ze zpracování údajů naměřených na agrometeorologické stanici v Žabčicích (179 m n. m., N, E). Tato stanice je umístěna v centru pokusné lokality Žabčice-Obora (viz Příloha 3), která je součástí experimentálních ploch Školního zemědělského podniku Žabčice Mendelovy univerzity v Brně. Lokalitu lze nalézt mezi obcemi Žabčice a Židlochovice asi 25 km jižně od Brna a v současnosti je využívána především Ústavem agrosystémů a bioklimatologie a Ústavem pěstování, šlechtění rostlin a rostlinolékařství (MENDELU, online, 2013). Globální radiace se na této stanici měří od roku 1998 pomocí pyranometru Kipp&Zonen typ CM 6B (Příloha 4) s vlnovým rozsahem 300 až 3000 nm. Čidlo je umístěno na stožáru ve výšce 12 m (SVOBODA, BROTAN, 2003). Citlivost čidla je 5-15 μv/w/m 2 a měří s odchylkou menší než 20 W m 2 / 1000 W m 2. Předpokládaná přesnost denních sum je ±5%, teplotní citlivost čidla od -20 do +50 C, a pracovní teplota - 40 až +80 C (SOLab, online, 2013). Data globální radiace zpracovaná v předkládané diplomové práci vychází z měření na výše uvedené agrometeorologické stanici. Naměřená data byla ve většině případů zpracována do podoby denních sum v MJ m -2 den -1 a to jak za rok 2011 a 2012 analyzovaných v této práci, tak za předchozích 9 let, kvůli srovnání s víceletým průměrem a možným zjištěním narůstajícího či klesajícího trendu. Pro roky 2011 a 2012 byla řada dat kontinuální bez mezer, v předchozích letech několik údajů chybělo (dny , a ) a ty byly doplněny na základě údajů z ČHMÚ Měření UV-B radiace na agrometeorologické stanici v Žabčicích Od roku 2001 se na agrometeorologické stanici v Žabčicích měří také intenzita UV-B radiace a to čidlem od firmy Solar Light typ UVB 501 (UV-Biometr Model 501, viz Příloha 5) (SVOBODA, BROTAN, 2003). Čidlo má spektrální rozsah nm a rozsah měření 0-10 MED/HR (minimální erytemální dávka za hodinu). Provozní 36

38 teplota přístroje je od -40 do +50 C. UV-Biometr 501 umožňuje navíc regulaci vnitřní teploty, která zajišťuje vyšší stupeň přesnosti ve srovnání s jinými radiometry (SOLAR light, online, 2013). Výstupní data UV-B radiace (v praxi označované někdy jako UV-ERY, jako erytemální ultrafialové záření) z Biometru v MED/HR byla následně přepočítána na W m -2 a dále ještě na J m -2 za příslušnou časovou jednotku. Pro přepočet naměřené biologicky aktivní UV radiace z MED/HR na W m -2 byl použit vztah (10): 1 MED/HR = 0,06944 W m -2 (10) pak pro 1 MED = 250 J m -2 účinné dávky (METEO, online, 2013). Tato práce vychází z měření UV-B radiace na agrometeorologické stanici v Žabčicích za období až Pro srovnání s víceletým průměrem a zjištění možných trendů byla ze stanice poskytnuta i data za předchozích 9 let ( ). Měření bylo zaznamenáváno v 30 minutových intervalech. UV-B radiace byla z MED/HR přepočítána podle vztahu (10) na J m min -1 a následně ještě na denní sumy v J m -2 den Výpočet extraterestrické radiace Pro výpočet denních sum extraterestrické radiace na území Žabčic byl použit vztah (5) (ALLEN a kol., 1998). Zeměpisná šířka agrometeorologické stanice Žabčice byla pro výpočty převedena ze stupňů na radiány, tedy ze na 0,85546 rad. Pro výpočty v této práci byla použita solární konstanta 1366,67 W.m -2, což odpovídá 0,0820 MJ m -2 min -1 (ALLEN a kol., 1998) Databáze množství stratosférického ozonu Databáze denních hodnot celkového množství stratosférického ozonu naměřených v Hradci Králové (278 m n. m., N, E) za rok 2002 až 2010 pochází z volné mezinárodní databáze PANGEA. Tyto hodnoty byly stejně jako u UV-B a globální radiace použity pro srovnání analyzovaných let (2011 a 2012) s víceletým průměrem a pro zjištění možných trendů. 37

39 Hodnoty stratosférického ozonu od do pro Hradec Králové, potřebné pro tuto diplomovou práci, byly dohledány a staženy z internetových stránek World Ozone and Ultraviolet Radiation Dana Centre (CHMI HK, online, 2013). Veškeré hodnoty ozonu jsou uváděny v Dobsonových jednotkách (D.U.). 4.2 Dopočet chybějících denních sum UV-B radiace V půlhodinových měřeních UV-B radiace na agrometeorologické stanici v Žabčicích se objevilo několik mezer, které byly zapříčiněny pravděpodobně krátkodobým výpadkem UV-Biometru. Pokud chyběl pouze jeden časový údaj (tedy jedna půlhodina), byl dopočítán interpolací předchozího a následujícího záznamu. Ve dvou dnech ( a ) chyběla data v úseku několika hodin, a proto byly tyto dva dny z databáze vyřazeny. Pro dopočet chybějících dat byla použita metoda využívající globální a extraterestrickou radiaci, stratosférický ozon a nadmořskou výšku dané oblasti, pomocí které se vytvořil i odhad průběžných denních hodnot UV-B radiace od roku 2002 až po rok Denní sumy globální radiace byly naměřeny na agrometeorologické stanici v Žabčicích, extraterestrická radiace byla vypočtena pro oblast Žabčic pomocí vztahu (5) (ALLEN a kol., 1998) a denní sumy celkového stratosférického ozonu byly naměřeny na SOO v Hradci Králové. K dopočtu chybějících dat UV-B (UV-ERY) radiace byl použit vztah (11) (HLAVINKA a kol., 2007): (11) kde: UV-ERY est je odhadovaná (estimated) denní hodnota UV-B záření (J m -2 den -1 ), R G je denní hodnota globálního záření (MJ m -2 den -1 ), R A je denní hodnota extraterestrické radiace (MJ m -2 den -1 ), TO je množství celkového ozonu (D.U.), Alt nadmořská výška stanice (m n. m.), a a až m jsou empirické koeficienty předloženého modelu. 38

40 a = 311,6368 h = 4,2594 b = 4,3597 i = 1, c = 1, j = 1, d = 9, k = 0,6273 e = 1,2436 l = 47,0864 f = 99,75 m = 7, g = 0, Vyhodnocení měření UV-B a globální radiace na agrometeorologické stanici v Žabčicích V rámci diplomové práce byly vyhodnoceny databáze denních sum UV-B a globální radiace z lokality Žabčice za období až , zvlášť pro každý rok. V každém roce, jak u UV-B tak u globální radiace, pak byla pro jednotlivé měsíce stanovena průměrná hodnota, minimální a maximální hodnota, směrodatná odchylka a součet denních sum. Hodnocení probíhalo pomocí programu MS Excel a bylo provedeno též graficky v podobě bodových a sloupcových grafů. Následně byly průměry hodnot UV-B a globální radiace v jednotlivých měsících v každém roce (2011 a 2012) porovnány s víceletým průměrem. Víceletý průměr vycházel z dat od do měřených na stanici v Žabčicích a byl spočítán taktéž pro každý měsíc zvlášť. 4.4 Stanovení závislosti UV-B a globální radiace Stanovení závislosti pro denní sumy UV-B a globální radiace proběhlo pro celé sledované období, tedy celkově pro roky 2011 a Vstupní data pocházela z měření na agrometeorologické stanici v Žabčicích. K analýze byl využit opět program MS Excel. Výsledkem je bodový graf obsahující polynomickou křivku včetně její rovnice, která odpovídá funkci nejlépe vyjadřující vztah mezi oběma proměnnými. Přesnost funkce je určena koeficientem determinace (R 2 ), který vyjadřuje hodnotu spolehlivosti a který je také součástí grafu. 39

41 4.5 Hodnocení metody dopočtu UV-B radiace Pro hodnocení metody dopočtu denních sum UV-B radiace bylo využito dvou statistických ukazatelů. Jedná se o tzv. střední chybu (MBE - Mean Bias Error), která měří systematickou chybu, a střední kvadratickou chybu (RMSE - Root Mean Square Error) (DAVIES, McKAY, 1989). Tyto dva ukazatele tedy umožnily srovnání naměřené UV-B radiace s modelovými daty vytvořenými podle výše uvedeného vztahu (11) (HLAVINKA a kol., 2007). Při hodnocení byl také používán koeficient determinace (R 2 ) a lineární spojnice trendu (y), za použití programu MS Excel. Ukazatele MBE a RMSE byly počítány pro srovnání výsledků měřených a vypočtených denních sum UV-B radiace na základě následujících vztahů (12) a (13): ( ) (12) ( ) (13) kde: UV-B est je vypočítaná (odhadovaná) hodnota denní sumy UV-B radiace (J m -2 den -1 ), UV-B obs je naměřená hodnota denní sumy UV-B radiace (J m -2 den -1 ), N obs je počet dnů, pro které byla měřena a odvozena hodnota denní sumy UV-B radiace. Pokud se výsledné hodnoty MBE a RMSE vydělí průměrem naměřených hodnot UV-B radiace a vynásobí stem, získá se výsledek v procentech. 40

42 4.6 Korekce dat UV-B radiace Na základě zjištěného systematického poklesu měřené UV-B radiace v letech 2010 až 2012 od modelových hodnot UV-B radiace vypočítaných dle vztahu (11), bylo v průběhu řešení této diplomové práce konstatováno, že tento stav byl s největší pravděpodobností zapříčiněn změnou citlivosti čidla nebo v důsledku změn v činnosti dataloggeru. Jelikož se jednalo o systematicky stabilní posun, bylo možné, i s využitím modelu UV-B radiace, provést korekci naměřených hodnot v letech 2010 až Vše probíhalo opět v programu MS Excel. Po ověření spolehlivosti modelu na starších (ověřených) datech se polovina naměřených dat (kalibrační sada) za uvedené roky 2010 až 2012 zanesla do bodového grafu společně s odpovídajícími modelovanými hodnotami, přičemž se pomocí rovnice regrese zjistila průměrná odchylka, o kterou se následně navýšily původní naměřené hodnoty UV-B záření. Následně byla využita druhá polovina dat z období 2010 až 2012 (korigované měření i model) v rámci procesu verifikace, která posloužila k ověření správnosti korekčního postupu (s využitím nezávislého vzorku dat). 4.7 Srovnání slunečných a zatažených dnů z hlediska UV-B a globální radiace V rámci diplomové práce bylo provedeno srovnání typických slunečných a zatažených dnů, zvlášť pro jeden letní a jeden zimní měsíc. Konkrétně se jednalo o dny a v létě a a v zimě. Ke zjištění, zdali byl den slunečný či zatažený byl použit vztah pro výpočet KT indexu (3). Pokud byl KT index v daném dni menší než 0,3, byla snížená prostupnost atmosféry a jedná se tak o den zatažený, a pokud byl KT index větší než 0,5, prostupnost atmosféry byla dobrá a jde tedy o den slunečný. Půlhodinové sumy UV-B radiace (J m min -1 ) v daných dnech pak byly vyneseny do grafu a vynesená křivka tak opisuje denní průběh UV-B radiace. Pro znázornění závislosti UV-B a globální radiace, byl také vynesen graf pro půlhodinové sumy globální radiace ve dnech a

43 5 VÝSLEDKY 5.1 Vyhodnocení měření globální radiace na agrometeorologické stanici v Žabčicích za období až Data globální radiace použitá v této diplomové práci vychází z měření na agrometeorologické stanici v Žabčicích. Měření v období od do probíhalo v 15 minutových intervalech, které byly přepočteny na denní sumy (MJ m -2 den -1 ). Denní sumy a chod globální radiace v letech 2011 a 2012 je znázorněn v grafu v příloze 6. V příloze 7 je pak patrná směrodatná odchylka pro průměry denních sum v jednotlivých měsících, která značí kvadratický průměr odchylek hodnot od jejich aritmetického průměru. Celkem bylo do databáze zahrnuto 731 dnů (denních sum), které byly vyhodnoceny a statisticky popsány, pro každý rok zvlášť (viz tabulka 1). Tab. 1: Vyhodnocení databáze naměřených denních sum globální radiace v Žabčicích v letech 2011 a 2012 Globální radiace [MJ/m 2 ] Průměr Směr. Směr. MIN MAX Suma Průměr Odch. Odch. MIN MAX Suma leden 3,36 1,70 1,12 7,44 104,10 4,19 2,07 0,95 8,16 129,97 únor 6,98 3,63 1,77 12,34 195,34 7,25 2,80 2,88 13,34 210,15 březen 12,68 4,82 1,89 20,25 393,23 12,44 5,28 2,52 19,86 381,98 duben 17,30 5,74 5,64 24,74 518,95 17,01 7,08 3,33 26,41 510,42 květen 23,04 7,46 6,36 30,05 714,39 22,35 6,13 7,53 30,09 692,81 červen 22,07 5,47 8,17 31,36 662,09 21,13 7,22 6,41 30,72 633,90 červenec 18,49 7,67 3,35 30,06 573,08 19,76 6,29 7,53 29,00 612,55 srpen 18,99 4,82 6,58 25,62 588,84 19,53 5,54 5,09 27,19 605,49 září 14,95 5,00 1,62 21,30 448,41 13,84 4,83 4,05 20,45 415,33 říjen 7,90 4,48 1,03 15,93 244,85 8,00 4,10 1,13 14,98 247,88 listopad 4,05 2,45 1,11 8,01 121,57 3,63 1,96 1,09 6,96 108,87 prosinec 2,68 1,51 0,88 6,25 83,20 3,27 1,86 1,02 7,41 101,30 Denního maxima v roce 2011 dosáhla globální radiace konkrétně 28. června 2011 a denního minima 12. prosince V roce 2012 bylo denního maxima dosaženo 15. června 2012 a minima 5. ledna Hodnoty jsou v tabulce 1 barevně zvýrazněny. 42

44 Roční průběh chodu globální radiace v letech 2011 a 2012 s vyznačenými maximálními, minimálními a průměrnými denními sumami lze vidět na následujících obrázcích 4 a 5. Průměrně dosahovala (zelený sloupec) globální radiace nejvyšších hodnot v měsíci květnu a nejnižších hodnot v prosinci. Průměrné hodnoty globální radiace v obou letech prudce vrcholí v květnu, a po té v červnu a červenci klesají, což je zapříčiněno pravděpodobně narůstající oblačností. V srpnu je pak zaznamenána jen minimální změna, až stagnace. Srovnání měsíčních sum globální radiace v letech 2011 a 2012 je zobrazeno v grafu v příloze 8. Obr. 4: Minimální, maximální a průměrné denní sumy globální radiace v roce 2011 Obr. 5: Minimální, maximální a průměrné denní sumy globální radiace v roce