Monitoring slunečního ultrafialového záření v Krkonoších

Transkript

1 Janouch M., Harčarik J., Sieger L., Kholová I. & Žák D. 2018: Monitoring slunečního ultrafialového záření v Krkonoších. Opera Corcontica 55: Monitoring slunečního ultrafialového záření v Krkonoších Monitoring ultraviolet radiation in the Krkonoše Mts Michal Janouch¹, Josef Harčarik², Ladislav Sieger³, Irena Kholová²& David Žák 4 1 Univerzita Hradec Králové, Fakulta informatiky a managementu, Centrum základního a aplikovaného výzkumu, Rokitanského 62, Hradec Králové, CZ, janouch.michal@seznam.cz 2 Správa Krkonošského národního parku, Dobrovského 3, Vrchlabí, CZ, jharcarik@krnap.cz, ikholova@krnap.cz 3 Katedra fyziky, Fakulta elektrotechnická ČVUT v Praze, Technická 2, Praha 6, CZ, sieger@fel.cvut.cz 4 Hotel Labská bouda, Bedřichov 31, Vítkovice v Krkonoších, CZ, zak@lucni-labska.cz Abstrakt V rámci rozšíření dlouhodobého monitoringu ultrafialového slunečního záření (UV záření) na území České republiky byl koncem roku 2003 instalován ve spolupráci se Správou Krkonošského národního parku (KRNAP) tzv. UV-Biometr na meteorologické stanici Labská bouda v západních Krkonoších. Jedná se o nejvýše umístěný přístroj na měření UV záření a jediný na území národního parku v České republice. Výsledky měření z období ukazují statisticky významný nárůst UV záření v jarních a letních měsících. Toto zvýšení může být dalším potenciálním stresovým faktorem ovlivňujícím vitalitu a také budoucí stabilitu horských smrkových porostů. Klíčová slova: UV záření, ozonová vrstva, celkové množství stratosférického ozonu, stanice Labská bouda Abstract As part of the extension of the long-term monitoring of solar ultraviolet radiation (UV) in the Czech Republic, a UV-Biometer was installed in late 2003 in cooperation with the Administration of the Krkonoše Mts National Park (KRNAP) at the meteorological station Labská bouda in the western part of the Krkonoše Mts. This is the first and only instrument for measuring UV radiation in a national park in the Czech Republic. The measurements show a statistically significant increase in UV radiation during the spring and summer months in the period. This increase may be another potential stress factor affecting the vitality and the future stability of mountain spruce stands. Key words: UV radiation, ozone layer, total amount of stratospheric ozone, Labská bouda station Úvod Sluneční záření je elektromagnetické vlnění, které se skládá ze tří spektrálních složek ultrafialová (UV), viditelná (světlo) a infračervená (IR). Tyto složky jsou vymezené jejich vlnovou délkou. Ultrafialová část zahrnuje vlnové délky nanometrů a obsahuje pouze 8 % z celkové energie sluneční radiace. Sluneční ultrafialové spektrum se dále dělí na tři části UV-C ( nm), UV-B ( nm) a UV-A ( nm). Sluneční záření je možno měřit jako intenzitu toku energie na jednotkovou plochu ve W/m² nebo jako dávky energie za určité časové období v J/m². Množství biologicky aktivního ultrafialového slunečního záření dopadající na zemský povrch je důležitým klimatickým prvkem. Měření tohoto radiačního prvku je technicky nesnadné a finančně náročné. Měření se provádí pomocí speciálních radiometrů, které jsou schopny přesně měřit intenzitu radiačního toku v rozmezí šesti dekadických řádů. Na území České republiky se první a pravidelná měření slunečního ultrafialového záření (UV záření) pomocí těchto radiometrů (Obr. 1) začala provádět na Solární a ozonové observatoři (SOO) Českého

2 88 Opera Corcontica 55 / 2018 Obr. 1. Brewerův spektrofotometr na SOO v Hradci Králové. Fig. 1. Brewer Spectrophotometer at the solar and ozone observatory in Hradec Králové. Obr. 2. Robertson-Bergerův UV-Biometr na SOO v Hradci Králové. Fig. 2. The Robertson-Berger UV Biometer at the solar and ozone observatory in Hradec Králové. hydrometeorologického ústavu (ČHMÚ) v Hradci Králové od roku 1994 (Janouch & Ettler 2009). Použití klasických filtrových radiometrů pro měření UV záření naráží na určité komplikace, související s časovou stabilitou filtrů a dalších částí přístroje. Do kategorie filtrových přístrojů patří i tzv. UV-Biometry, které slouží k měření erytémového ultrafialového slunečního záření (EUV). Jejich optický systém je řešen tak, aby se spektrální citlivost přístroje co nejvíce blížila tvaru normované křivky erytémové citlivosti pokožky podle CIE. Potom celkové UV záření odpovídá EUV záření absorbované lidskou kůží. Příkladem takovýchto přístrojů je velmi rozšířený Robertson-Bergerův UV-Biometr (Obr. 2), vyráběný firmou Solar Light (USA). Tento typ UV-Biometru je od konce roku 1995 používán pro provozní měření na SOO v Hradci Králové a také na observatoři ČHMÚ v Košeticích (Janouch & Ettler 2009, Lajčíková & Pekárek 2009). V rámci rozšíření dlouhodobého monitoringu EUV na území ČR byl koncem roku 2003 nainstalován tzv. UV-Biometr na meteorologické stanici Labská bouda v západních Krkonoších ve spolupráci se Správou KRNAP ve Vrchlabí, která je vlastníkem přístroje. Stanice Labská bouda má nejen dobrou polohu, ale také výhodu dlouhodobých meteorologických měření, která v této oblasti byla zahájena koncem třicátých let 20. století (Flajšman 2009). Stanice se nachází v oblasti tzv. krkonošské tundry. Název tundra pochází z oblasti Finska. Slovo tundra znamená doslova holý kopec. V současné době je tento termín spíše používán k označení oblastí, které nejsou zaledněny. Tyto oblasti jsou známé hlavně z regionů Arktidy a Antarktidy. V Evropě můžeme najít tundru nad horní hranicí lesa, kterou nazýváme alpínskou tundrou. Na hřebenech Krkonoš se alpínská a arktická tundra prolínají a tento typ je označován jako arkto-alpínská tundra. Vzhledem ke geografické poloze, geologické stavbě a klimatickým poměrům zůstaly vrcholové partie Krkonoš ostrovem arkto-alpínské tundry ve střední Evropě. Jakékoli porušení rovnováhy přírodních pochodů na hřebenech Krkonoš ohrožuje existenci této vzácné přírodní památky, která je evropským unikátem (Správa KRNAP 2000). Dlouhodobý nárůst EUV a jeho zdravotní rizika na území ČR byl již v minulosti potvrzen (Janouch 2007, Janouch & Ettler 2009). Dlouhodobé změny EUV byly a jsou potvrzeny kontinuálním měřením (rekonstrukcí) EUV také v jiných oblastech světa a Evropy (Krzyscin et al. 2004, Seckmeyer et al. 2008, Den Outer et al. 2010). Materiál a metodika Meteorologická stanice Labská bouda v západních Krkonoších je umístěna v nadmořské výšce m n. m. (Obr. 3). UV-Biometr byl na této stanici instalován v prosinci roku Základním měřením jsou 10 minutové sumy EUV, které jsou archivovány

3 Janouch et al.: MONITORING SLUNEČNÍHO ULTRAFIALOVÉHO ZÁŘENÍ V KRKONOŠÍCH 89 Pro vyhodnocení dlouhodobých změn nebo klimatologii UV záření určité oblasti se používají denní, měsíční a roční sumy EUV. Analýzu trendu těchto hodnot mezi roky jsme prováděli pro každý měsíc odděleně s pomocí statistického programu R (R Development Core Team 2008) Obr. 3. Robertson-Bergerův UV Biometr (KRNAP) na stanici Labská bouda. Fig. 3. The Robertson-Berger meter (UV Biometer) at the Labská bouda meteorological station. v datalogeru. Tyto datové soubory jsou kontrolovány a dále uloženy v databázi. UV-Biometer byl po celou dobu pravidelně udržován a byla prováděna kalibrace v rámci evropského projektu COST-726 (Dlouhodobé změny UV záření v Evropě). Data jsou archivována a kontrolována pomocí speciálně vyvinutého databázového programu Database for UV-Biometer (Obr. 4 7). Obr. 4. Data jsou archivována a kontrolována pomocí speciálně vyvinutého databázového programu Database for UV-Biometer (Janouch & Smítka, ČHMÚ). Fig. 4. Special database software Database for UV-Biometer for data management. Obr. 5. Příklad denních hodnot UV záření na stanici Labská bouda. Fig. 5. Example of daily measurements of UV radiation at Labská bouda meteorological station.

4 90 Opera Corcontica 55 / 2018 Obr. 6. Příklad ročního chodu UV záření na stanici Labská bouda v roce Fig. 6. Example of the annual course of UV radiation at the Labská bouda meteorological station in Obr. 7. Příklad denního chodu UV záření na stanici Labská bouda. Fig. 7. Example of the daily course of UV radiation at the Labská bouda meteorological station. a jeho jednotlivých testů bfast (Verbesselt et al. 2010) a greenbrown (Forkel & Wutzler 2015), které byly vyvinuty pro analýzu vývoje trendů, sezonních změn a náhlých poruch v časových řadách, na hladině významnosti 0,05. Tyto testy rozkládají časové řady na trendové, sezonní a zbytkové komponenty s metodami pro detekci a charakterizaci náhlých změn v rámci trendových a sezónních složek. Bfast lze použít k analýze různých typů časových řad družicových snímků a lze je aplikovat i na jiné disciplíny, které se zabývají sezonními nebo nesezonními časovými řadami, jako je hydrologie, klimatologie. Tyto metody je možné použít také pro zjišťování strukturálních změn (zlomů) v časových řadách. Výsledky Dlouhodobě stabilní kalibrační úroveň mezi UV- -Biometrem na stanici Labská bouda (UV-Biometr č. 6602) a tzv. národním standardem (UV-Biometr č. 2733) byla každý rok kontrolována. Jako příklad je možné uvést výsledky srovnání přístrojů v roce (Obr. 8). Po celou dobu měření byla přesnost měření v toleranci ± 2 %. Korelační koeficient Obr. 8. Korelace mezi UV-Biometrem č (Labská bouda) a UV-Biometrem č (národní standard) v období Fig. 8. Correlation between the UV-Biometer No (Labská bouda) and UV-Biometer No (national standard) in the period. Obr. 9. Korelace UV-indexu za vybraných jasných dnů mezi UV-Biometrem č (Labská bouda) a radiačním modelem FASTR v období Fig. 9. Correlation of the UV-index between the UV-Biometer No and radiation model FASTR during selected clear days in the period.

5 Janouch et al.: MONITORING SLUNEČNÍHO ULTRAFIALOVÉHO ZÁŘENÍ V KRKONOŠÍCH 91 Obr. 10. Denní sumy erytemálního UV záření (J m-2) v období leden 2004 prosinec 2012). Fig. 10. Daily sums of erythemal UV radiation (J m-2) from January 2004 to December 2012). Obr. 11. Denní sumy erytemálního UV záření (J m-2) v dubnu Fig. 11. Daily sums of erythemal UV radiation (J m-2) in April Obr. 12. Denní sumy erytemálního UV záření (J m-2) v říjnu Fig. 12. Daily sums of erythemal UV radiation (J m-2) in October

6 92 Opera Corcontica 55 / 2018 Obr. 13. Denní sumy erytemálního UV záření (J m-2) v únoru Fig. 13. Daily sums of erythemal UV radiation (J m-2) in February mezi jednotlivými přístroji je 0,996. Důležitým indikátorem stability přístroje na stanici Labská bouda je také porovnání měření za vybraných jasných dnů mezi UV-Biometrem č (Labská bouda) a radiačním modelem FASTR (Engelsen & Kylling 2005) v období (Obr. 9). Korelační koeficient je velmi vysoký 0,998 a opět potvrzuje stabilitu přístroje v daném období. Pro zjištění rozdílů aplikujeme statistický modul, který je určen pro podrobnou analýzu dvou datových souborů (výběrů). Výsledky shody průměrů a rozptylů ukazují, že jednak průměry, ale i rozptyly jsou shodné (hladina významnosti 0,05). Pokud se podíváme na dlouhodobé změny UV záření za období , vidíme rozdílné výsledky pro jednotlivé měsíce (Obr. 10). V jarních měsících (březen, duben, květen) je patrný statisticky významný nárůst hodnot (viz dubnová měření na Obr. 11). V letním období (červen, červenec, srpen) je rovněž patrný nárůst, který je ale statisticky významný pouze v srpnu. Podzimní měsíce (září, říjen, listopad) nevykazují v tomto zpracovaném období statisticky významnou změnu (pro příklad viz říjnové hodnoty na Obr. 12). V prosinci a lednu jsou změny statisticky nevýznamné, na rozdíl od února (Obr. 13). Závěr V současné době představuje více než 10letá nepřetržitá řada měření UV záření na hřebenech Krkonoš unikátní informace o množství biologicky aktivního ultrafialového slunečního záření dopadajícího na povrch Krkonoš (a to včetně polské strany pohoří). Při statistickém zpracování dat z let jsme zjistili statisticky významný nárůst UV záření v jarních a letních měsících. Naopak na podzim a v zimě (mino měsíce února) jsou změny statisticky nevýznamné. Nárůst hodnot UV záření je velmi pravděpodobně důsledkem zeslabení ozonové vrstvy v oblasti střední Evropy. Na území Krkonošského národního parku může být potenciálním dalším stresovým faktorem ovlivňující vitalitu a také budoucí stabilitu horských smrkových porostů. Může totiž významně ovlivnit například procesy fotosyntézy (Tevini & Teramura 1989). Měření UV záření slouží také k informování veřejnosti o intenzitě EUV v oblasti Krkonoš (uv-index.cz). Literatura Den Outer P. N., Slaper H., Kaurola J., Lindfors A., Kazantzidis A., Bais A. F., Feister U., Junk J., Janouch M. & Josefsson W. 2010: Reconstructing of erythemal ultraviolet radiation levels in Europe for the past 4 decades, J. Geophys. Res. 115, D Engelsen O. & Kylling A. 2005: Fast simulation tool for ultraviolet radiation at the earth s surface. Optical Engineering 44, 4: 1 7. Flajšman M. 2009: Z historie meteorologické stanice Zlaté návrší v Krkonoších. Meteorologické zprávy 65, 6:

7 Janouch et al.: MONITORING SLUNEČNÍHO ULTRAFIALOVÉHO ZÁŘENÍ V KRKONOŠÍCH 93 Forkel M., Wutzler T. 2015: Greenbrown land surface phenology and trend analysis. A package for the R software, version 2.2 [online]. [cit ]. Dostupné z: greenbrown.r-forge.r-project.org/. Janouch M. 2007: Long-term changes of UV radiation in the Giant Mountains. In: Štursa J. & Knapik R. (eds), Geoekologické problémy Krkonoš. Sborn. mez. věd. konf., říjen 2006, Svoboda n. Úpou. Opera Corcontica 44, 1: Janouch M. & Ettler K. 2009: Dlouhodobé změny ultrafialového záření na území ČR a jejich zdravotní rizika. Český hydrometeorologický ústav, Lékařská fakulta Univerzity Karlovy a Fakultní nemocnice v Hradci Králové, Hradec Králové. 29 s. Krzyscin J. W., Eerme K. & Janouch M. 2004: Long-term variations of the UV-B radiation over Central Europe as derived from the reconstructed UV time series, Ann. Geophys. 22: Lajčíková A. & Pekárek L. 2009: UV záření a jeho vliv na zdraví. Hygiena 52, 2: R Development Core Team 2008: R: A language and environment for statistical computing. R Foundation for Statistical Computing. Vienna, Austria. Seckmeyer G., Pissulla D., Glandorf M., Henriques D., Johnsen B., Webb A., Siani A.-M., Bais A., Kjeldstad B., Brogniez C., Lenoble J., Gardiner B., Kirsch P., Koskela T., Kaurola J., Uhlmann B., Slaper H., Den Outer P., Janouch M., Werle P., Gröbner J., Mayer B., De La Casiniere A., Simic S. & Carvalho F. 2008: Variability of UV Irradiance in Europe. Photochemistry and Photobiology 84: Správa KRNAP. 2000: Krkonošská tundra. Správa KRNAP, Vrchlabí. Tevini M. & Teramura A. H. 1989: UV-B effects on terrestrial plants. Photochem. Photobiol. 50: Verbesselt J., Hyndman R., Newnham G., & Culvenor D. 2010: Detecting trend and seasonal changes in satellite image time series. Remote Sensing of Environment 114: Webb A., Gröbner J. & Blumtaler M. 2006: A practical Guide to Operating Broadband Instruments Measuring Erythemally Weighted Irradiance. COST Action 726, COST Office. 21 s. World Health Organization 1994: Ultraviolet radiation. Environmental health criteria (EHC) 160. Geneva, WHO. World Health Organization 2003: Artificial tanning sunbeds: risk and guidance. Geneva, WHO. 20 s.

8 94 Opera Corcontica 55 / 2018