HOMOGENIZACE ŘADY ERYTÉMOVÉHO UV SLUNEČNÍHO ZÁŘENÍ NAMĚŘENÉHO

Transkript

1 MASARYKOVA UNIVERZITA PŘÍRODOVĚDECKÁ FAKULTA GEOGRAFICKÝ ÚSTAV HOMOGENIZACE ŘADY ERYTÉMOVÉHO UV SLUNEČNÍHO ZÁŘENÍ NAMĚŘENÉHO NA SOO HRADEC KRÁLOVÉ Bakalářská práce Klára Čížková Vedoucí práce: Mgr. Kamil Láska, Ph.D. Brno 2014

2 Bibliografický záznam Autor: Název práce: Studijní program: Klára Čížková Přírodovědecká fakulta, Masarykova univerzita Geografický ústav Homogenizace řady erytémového UV slunečního záření naměřeného na SOO Hradec Králové Geografie a kartografie Studijní obor: Geografie Vedoucí práce: Mgr. Kamil Láska, Ph.D. Akademický rok: 2013/2014 Počet stran: 61+4 Klíčová slova: Ultrafialové záření; UV-Biometr; Brewerův spektrofotometr; Solární a ozónová observatoř Hradec Králové

3 Bibliographic Entry Author Title of Thesis: Degree programme: Klára Čížková Faculty of Science, Masaryk University Department of Geography Homogenization of time series of erythemal UV solar radiation measured at the SOO Hradec Králové Geography and Cartography Field of Study: Geography Supervisor: Mgr. Kamil Láska, Ph.D. Academic Year: 2013/2014 Number of Pages: 61+4 Keywords: Ultraviolet radiation; UV-Biometer; Brewer spectrophotometer; Solar and Ozone Observatory Hradec Králové

4 Abstrakt Cílem této práce bylo homogenizovat časovou řadu erytémového ultrafialového slunečního záření naměřenou v období na Solární a Ozónové observatoři Hradec Králové Robertson-Bergerovým UV-Biometrem. Homogenizace byla provedena s využitím dat ze dvou stejně umístěných Brewerových spektrofotometrů a s důrazem na vliv zenitového úhlu Slunce, celkového ozónu a množství oblačnosti. Na časovou řadu intenzity erytémového ultrafialového záření byla aplikována oprava na kosinovou chybu a oprava na dráhu paprsku ozónosférou, načež byla porovnána efektivita těchto oprav. Jako nejúčinnější se ukázala být oprava na dráhu paprsku ozónosférou, která časovou řadu homogenizovala a minimalizovala průměrnou chybu měření UV-Biometru. Abstract The aim of this thesis was to homogenize a time series of erythemal ultraviolet solar radiation measured between 1996 and 2012 at the Solar and Ozone Observatory Hradec Králové by a Robertson-Berger UV-Biometer. The homogenization was performed using the data from two collocated Brewer spectrophotometers and with the emphasis on the effects of solar zenith angle, total ozone and cloud cover. The time series of erythemal ultraviolet radiation intensity was processed using the cosine error correction and the correction for the sunray path through the ozonosphere, the efficiency of these corrections was then compared. The most effective one turned up to be the correction for the sunray path through the ozonosphere, which homogenized the time series and minimized the mean error of the UV-Biometer measurements.

5 Masarykova univerzita P írodovědecká fakulta ZADÁNÍ BAKALÁ SKÉ PRÁCE Student: Studijní program: Studijní obor: Klára Čížková Geografie a kartografie Geografie editel Geografického ústavu P írodov decké fakulty MU Vám ve smyslu Studijního a zkušebního ádu MU určuje bakalá skou práci s tématem: Homogenizace ady erytemového UV slunečního zá ení namě eného na SOO Hradec Králové Homogenization of time series of erythemal UV solar radiation measured at the SOO Hradec Králové Zásady pro vypracování: Proveďte homogenizaci časové ady erytemového ultrafialového (EUV) slunečního zá ení nam eného na SOO Hradec Králové v období P i zpracování proveďte opravu EUV zá ení nam eného UV-Biometry v či m ením Brewerovými spektrofotometry v závislosti na celkovém ozonu, zenitovém úhlu Slunce a clearness indexu globálního zá ení. Jako doporučené zdroje dat použijte pr m rné 10-min intenzity EUV zá ení nam ené UV- Biometry ( ), okamžité intenzity EUV zá ení nam ené Brewerovými spektrofotometry B098 ( ) a B184 ( ), pr m rné denní hodnoty celkového ozonu ( ), pr m rné hodinové intenzity globálního a extraterestrického zá ení ( ) a pr m rné denní sumy globálního zá ení za jasných dn. P i ešení tématu se zam te zejména na: 1) získání aktuální odborné literatury a její zpracování formou rešerše 2) výpočet opravných faktor pro dílčí období a zvolené vstupní parametry 3) analýzu dlouhodobých zm n opravných faktor a hodnocení jejich závislosti na ozonu, zenitovém úhlu Slunce, clearness indexu, atp. 4) hodnocení zm n opravných faktor v závislosti na množství oblačnosti (zejména jasné dny) 5) stanovení tabulky nebo funkce opravných faktor vhodné pro korekci ady EUV zá ení 6) diskuzi obsahující záv ry týkající se p esnosti m ení a stability kalibračních konstant UV-Biometr

6 Rozsah grafických prací: Rozsah pr vodní zprávy: podle pot eby cca stran Seznam odborné literatury: Brock, F.V., Richardson, S.J. (2001): Meteorological Measurement systems. Oxford University Press, USA, 304 s. Goody, R.M., Yung, Y.L. (1995): Atmospheric Radiation: Theoretical Basis. Oxford University Press, USA, 544 s. Holton, J. R. (2004): An Introduction to Dynamic Meteorology. Academic Press, 535 s. Seinfeld, J.H., Pandis, S.N. (2006): Atmospheric Chemistry and Physics: From Air Pollution to Climate Change. Wiley-Interscience, 1232 s. vybrané články v odborných časopisech v nované problematice slunečního zá ení a ozonu (nap. Atmospheric Chemistry and Physics, Atmospheric Research, International Journal of Climatology). Jazyk závěrečné práce: Vedoucí bakalářské práce: čeština Mgr. Kamil Láska, Ph.D. Podpis vedoucího práce:... Datum zadání bakalářské práce: íjen 2013 Datum odevzdání bakalářské práce: do 12. kv tna 2014 RNDr. Vladimír Herber, CSc. pedagogický zástupce editele ústavu Zadání práce převzal(a):... dne...

7 Poděkování Na tomto místě bych chtěla poděkovat Mgr. Kamilu Láskovi, Ph.D. za zodpovědné vedení práce, ochotu, trpělivost a poskytnutí cenných rad a připomínek. Rovněž děkuji pracovníkům Solární a ozonové observatoře Hradec Králové, zejména pak svému konzultantovi RNDr. Karlu Vaníčkovi, CSc., za poskytnutá data a informace, a dále RNDr. Ladislavu Budíkovi za pomoc při praktické aplikaci oprav časové řady. V neposlední řadě také děkuji své rodině a přátelům za jejich podporu a trpělivost. Prohlášení Prohlašuji, že jsem svoji bakalářskou práci vypracovala samostatně s využitím informačních zdrojů, které jsou v práci citovány. Brno XX. května 2014 Jméno Příjmení

8 OBSAH 1 ÚVOD ULTRAFIALOVÉ ZÁŘENÍ Fyzikální podstata a zdroje ultrafialového záření Účinky ultrafialového záření Faktory ovlivňující intenzitu ultrafialového záření Historie a cíle výzkumu ultrafialového záření Veličiny využívané pro měření ultrafialového záření PŘÍSTROJE PRO MĚŘENÍ ULTRAFIALOVÉHO ZÁŘENÍ Charakteristika přístrojového měření ultrafialového záření Spektrofotometry Úzkopásmové/vícepásmové radiometry Širokopásmové radiometry MONITORING A DATABÁZE ULTRAFIALOVÉHO ZÁŘENÍ Svět a Evropa Česká republika SOLÁRNÍ A OZÓNOVÁ OBSERVATOŘ HRADEC KRÁLOVÉ Základní informace o observatoři a výzkumu Přístrojové vybavení observatoře METODIKA Použitá data Pracovní postup HOMOGENIZACE ČASOVÉ ŘADY INTENZITY ERYTÉMOVÉHO ULTRAFIALOVÉHO ZÁŘENÍ Z HRADCE KRÁLOVÉ Analýza časové řady intenzity EUV záření před provedením oprav Oprava časové řady intenzity EUV záření Analýza změny vlivu nezávisle proměnných na přesnost měření UV-Biometru Ověření ročního chodu opravného faktoru k i-o Hodnocení časové stability UV-Biometru DISKUSE ZÁVĚR SEZNAM LITERATURY Knihy a časopisy Elektronické zdroje SEZNAM ZKRATEK SEZNAM PŘÍLOH... 61

9 1 ÚVOD Ultrafialové (UV) záření představuje pouze několik procent celkového slunečního záření v krátkovlnné oblasti spektra, přesto hraje důležitou roli v mnoha biologických a chemických procesech. Jeho působení výrazně ovlivňuje ekosystémy (mimo jiné způsobuje poškození struktury DNA či zpomalení růstu rostlin) i organismus člověka. Lidské zdraví je UV zářením ovlivněno jak pozitivně (syntéza životně důležitého vitamínu D), tak negativně (např. předčasné stárnutí či rakovina kůže nebo oční onemocnění). Intenzita dopadajícího UV záření závisí na mnoha faktorech, v atmosférické absorpci UV záření však hraje nejdůležitější roli celkový ozón. Proto je vzhledem k možné změně negativních vlivů sledována intenzita UV záření rovněž ve vztahu k zeslabení či znovuobnovování ozónové vrstvy (DIFFEY, 2002; KERR, a kol., 2002; SECKMEYER a kol., 2008). Pro kvantifikaci účinků UV záření, porozumění jeho geografické distribuci a sledování dlouhodobého vývoje jeho intenzity jsou zapotřebí přesná měření. Monitoring UV záření ale není jednoduchý a neobejde se bez využití velmi přesného přístrojového vybavení, vykazujícího dlouhodobou stabilitu citlivosti a umožňujícího mezinárodní srovnání naměřených dat. Právě zachování vysoké kvality měření je v současnosti jedním z důležitých cílů v oblasti výzkumu UV záření. Přesnost měření mnoha přístrojů však není stálá a mění se v závislosti na některých faktorech, kterými jsou například výška Slunce nad obzorem nebo celkový ozón, proto je potřeba data naměřená těmito přístroji analyzovat a v případě potřeby homogenizovat (SECKMEYER a kol., 2006). Hlavním cílem této práce je homogenizace časové řady intenzity erytémového UV záření, naměřené Robertson-Bergerovým UV-Biometrem na Solární a ozónové observatoři Českého hydrometeorologického ústavu (ČHMÚ) Hradec Králové v období Tato práce má ověřit nejvhodnější způsob homogenizace těchto dat. Homogenizovaná časová řada intenzity erytémového UV záření může následně přispět k objasnění variability intenzity erytémového UV záření v České republice, jejích změn a trendů. Výsledky práce by také mohly pomoci ke studiu vlivu dílčích atmosférických faktorů, například celkového ozónu či množství oblačnosti, ovlivňujících intenzitu UV záření. Bakalářská práce se skládá z rešeršní části (kapitoly 2 5), v níž se pojednává o UV záření, jeho účincích, měření a výzkumu. Je zde obsažena mimo jiné i charakteristika několika typů přístrojů používaných k měření UV záření. Stěžení částí práce jsou kapitoly 6 a 7, obsahující proces homogenizace časové řady. Na něj v kapitole 8 navazuje diskuse, zabývající se přesností a dlouhodobou stabilitou Robertson-Bergerova UV-Biometru používaného na Solární a ozónové observatoři ČHMÚ Hradec Králové. -9-

10 2 ULTRAFIALOVÉ ZÁŘENÍ 2.1 Fyzikální podstata a zdroje ultrafialového záření UV záření je součástí elektromagnetického spektra a spolu s viditelným a infračerveným zářením je považováno za součást optického záření. UV záření zahrnuje vlnové délky nm. Již roku 1932 bylo zavedeno jeho rozdělení do tří spektrálních pásem dle vlnové délky (λ): UVA, UVB a UVC záření. UVC záření zahrnuje vlnové délky nm, UVB záření pak nm a UVA záření nm. Toto dělení je však arbitrární a může se mírně lišit. Například pro účely dermatologie či ve studiích zabývajících se životním prostředím se UV záření dělí do spektrálních pásem následujícím způsobem: UVC záření zde představují vlnové délky nm, UVB záření nm a UVA záření nm (viz obr. 1.) (DIFFEY, 2002; MORYS, BERGER, 1993). Obr. 1. Postavení UV záření v rámci spektra elektromagnetického záření. Upraveno dle webové stránky Canadian Centre for Occupational Health and Safety ( Nejvýznamnějším přirozeným zdrojem UV záření je Slunce. Podíl UV záření (λ < 400 nm) na solární konstantě (1,37 kw.m -2 ) je přibližně 9 %, avšak tato hodnota se mění v závislosti na rotaci Slunce a na 11letých cyklech solární aktivity. Ani v případech extrémně vysoké intenzity dopadajícího UV záření však v Evropě jeho podíl na globálním záření nepřesahuje 5 %, tedy přibližně 0,250 W.m -2 (ANTÓN, 2009; DIFFEY, 2002; PODSTAWCZYŃSKA, 2009). Antropogenními zdroji UV záření jsou například fluorescenční UV lampy či xenonové obloukové lampy, které jsou využívány například pro experimentální studie ve fotobiologii jako simulátory slunečního svitu (DIFFEY, 2002). Tato práce se však antropogenními zdroji UV záření nebude dále zabývat. -10-

11 2.2 Účinky ultrafialového záření UV záření způsobuje mnohé fotobiologické jevy, například poškození či rozpad struktury DNA, baktericidní (bakterie ničící) účinky, fotosenzitivní reakce (fotoalergie, fototoxicita), poškození rostlin včetně fytoplanktonu, zpomalení jejich růstu, či degradaci polymerických materiálů (plasty, asfalt, barvy, textilie, atd.). UVA i UVB záření se rovněž podílejí na vzniku fotochemického smogu v atmosféře (PODSTAWCZYŃSKA, 2009; REICHRATH, NÜRNBERG, 2008). Z hlediska lidského zdraví pak UV záření způsobuje melanogenní a erytrogenní procesy (zčervenání či pigmentace kůže), nemoci očí (katarakty) a rakovinu kůže. Dle Programu Organizace spojených národů pro životní prostředí (United Nations Environmental Programme, UNEP) bylo odhadnuto, že se v důsledku účinků UV záření ve světě každý rok vyskytne přes 2 miliony případů nemelanomové rakoviny kůže a dalších případů zhoubného melanomu. UV záření je přičítáno více než úmrtí ročně (většinou jde o zhoubné nádory) a pokud by měl pokračovat úbytek ozónové vrstvy, tyto hodnoty by se mohly ještě zvýšit (PODSTAWCZYŃSKA, 2009; SECKMEYER a kol., 2010b; WHO, 1999). UV záření je však pro člověka nezbytné pro syntézu až 90 % potřebného množství vitaminu D. Nedostatek vitaminu D může způsobit závažné zdravotní problémy, například různé typy rakoviny, nemoci kostí nebo kardiovaskulární onemocnění (REICHRATH, NÜRNBERG, 2008). Vzhledem k tomu, že se biologické účinky UV záření zeslabují s prodlužující se vlnovou délkou, účinky UVB záření, ač tvoří pouze několik procent UV záření dopadajícího na zemský povrch, jsou mnohem významnější než účinky UVA záření (COST 726, 2014). 2.3 Faktory ovlivňující intenzitu ultrafialového záření Intenzita UV solárního záření dopadajícího za jasné oblohy na zemský povrch je dána vzdáleností Země od Slunce, výškou Slunce nad obzorem, celkovým ozónem a koncentrací aerosolů, například prachových částic, oxidu siřičitého a oxidu dusičitého v atmosféře. (KRZYŚCIN a kol., 1996, PODSTAWCZYŃSKA, 2009). Protože Země obíhá kolem Slunce po eliptické dráze, liší se její vzdálenost od Slunce a tedy i množství přijatého záření. Z toho důvodu v perihelu (nejkratší vzdálenost Země od Slunce) dopadá na horní vrstvu atmosféry Země o 7 % více UV záření než v afelu (nejdelší vzdálenost Země od Slunce) (DIFFEY, 2002). Jeden z nejdůležitějších faktorů ovlivňujících množství dopadajícího UV záření v denním i ročním chodu je výška Slunce nad obzorem, respektive zenitový úhel Slunce -11-

12 (dále SZA, z angl. solar zenith angle). Uvedený parametr ovlivňuje úhel dopadu i intenzitu záření, protože se zvyšujícím se SZA roste optická hmota atmosféry a dráha procházejících fotonů se prodlužuje, takže se zvyšuje pohlcování i rozptyl záření (ANTÓN, 2009). Zejména díky denním změnám výšky Slunce nad obzorem připadá přibližně % denního úhrnu dopadajícího UV záření na zhruba čtyřhodinový interval kolem místního poledne. SZA však ovlivňuje i kvalitativní vlastnosti dopadajícího záření vzhledem k tomu, že krátké vlnové délky jsou v atmosféře pohlcovány nejvíce, se vzrůstajícím SZA jejich poměr v dopadajícím UV záření klesá (DIFFEY, 2002). Dalším důležitým faktorem ovlivňujícím intenzitu UV záření je celkový ozón, tedy celkové množství ozónu ve vertikálním sloupci atmosféry nad zemským povrchem. Ozón pohlcuje významnou část UV záření dopadajícího na horní hranici atmosféry, je však selektivní absorbér. Delší vlnové délky pohlcuje slaběji, zatímco krátkovlnné UV záření pohlcuje mnohem silněji (MELETI a kol., 2009). I výrazně oslabená ozónová vrstva pohltí veškeré UVC záření, absorpce v UVB oblasti záření je slabší (přibližně 90 %) a intenzita dopadajícího UVA záření není ozónovou vrstvou téměř vůbec ovlivněna (DAHLBACK, 2008; LUCAS a kol., 2006). Například při 1% změně celkového ozónu se při Slunci v zenitu změní intenzita dopadajícího UV záření o vlnové délce 295 nm o 5 %. Při vyšších SZA je dráha paprsku ozónosférou delší a 5% změna je detekovatelná již v intenzitě záření o delších vlnových délkách (SECKMEYER a kol., 2001). Rovněž aerosoly mohou absorbovat určitý podíl dopadajícího UV záření. Některé studie ukazují, že snížení množství aerosolů v atmosféře o 60 % může mít za následek statisticky významný nárůst intenzity UV záření v dané lokalitě (MELETI a kol., 2009). Vliv aerosolů však nezávisí jen na jejich celkové koncentraci v atmosféře, ale i na jejich fyzikálních a chemických vlastnostech. Například částečky sazí záření silně absorbují, zatímco sulfátové aerosoly záření pouze rozptýlí (DAHLBACK, 2008). Intenzita UV záření je díky kombinaci faktorů ovlivněna i nadmořskou výškou. Nejvýznamnější z těchto činitelů jsou nižší rozptyl a pohlcování UV záření tenčí vrstvou atmosféry a změna koncentrace aerosolů a troposférického ozónu v atmosféře. Se vzrůstající nadmořskou výškou roste za bezoblačného počasí intenzita UV záření přibližně o 5 10 % na kilometr výšky. Lokální efekty, jako například změna odrazivosti povrchu, však mohou růst intenzity UV záření zvýšit až na 50 % na výškový kilometr (BAIS a kol., 2007; KERR a kol., 2002). Oblačnost spolu s molekulami plynů tvořících vzduch hrají roli zejména v rozptylu UV záření. Molekuly plynů v atmosféře zapříčiňují takzvaný Rayleighův (molekulární) rozptyl, který je silně závislý na vlnové délce. Například při Slunci v zenitu a mocnosti ozónové vrstvy 350 DU je na vlnové délce 310 nm podíl rozptýleného záření 43 %, zatímco za stejných podmínek tento poměr činí na vlnové délce 380 nm jen 21 %. -12-

13 Se zvětšujícím se SZA roste i podíl rozptýleného záření na celkovém krátkovlnném záření (DAHLBACK, 2008). Voda absorbuje UV záření pouze slabě, ale zapříčiňuje aerosolový rozptyl, který je na všech vlnových délkách podobný. Kvůli silnému rozptylu změny troposférické oblačnosti silně ovlivňují intenzitu UV záření, ta může být za přítomnosti oblačnosti až o třetinu nižší než za bezoblačného počasí. V extrémních případech může oblačnost zeslabit intenzitu UV záření až o 99 %. Částečné pokrytí oblohy oblačností a následný vícenásobný odraz však mohou mít i opačný efekt: v některých případech může oblačnost zvýšit intenzitu UV záření až o 25 %. Vliv oblačnosti na intenzitu UV záření je tedy velmi obtížně kvantifikovatelný (DAHLBACK, 2008; DIFFEY, 2002; KERR a kol., 2002; SECKMEYER a kol., 2008). Intenzita odraženého UV záření závisí také na odrazivosti (albedu) povrchu. Většina povrchů UV záření z velké části pohlcuje, odrazí většinou méně než 10 % záření. Například klidná voda odrazí pouze 5 % dopadajícího UV záření, zatímco zvlněná voda jej může odrazit až 20 %. Nejsilnější odraz ale způsobuje sněhová pokrývka, která odráží až 90 % dopadajícího UV záření (DIFFEY, 2002). 2.4 Historie a cíle výzkumu ultrafialového záření UV záření bylo objeveno v roce 1801 J. Ritterem, který s pomocí chloridu stříbra pozoroval chemickou reakci za fialovým okrajem spektra. Vztah mezi slunečním UV zářením a nemelanomovou rakovinou byl poprvé pozorován již v 19. století dermatology Unnou a Dubreuilhem, účinky UV záření ale bylo možné kvantifikovat až od prvních dekád 20. století. Přesné měření intenzity UV záření bylo dlouhou dobu velmi složitým úkolem, poprvé se o něj pokusil v 50. letech 20. století Gustav Bener na meteorologické observatoři v Davosu. Dalšího výzkumu a kvalitního měření se UV záření dočkalo teprve o několik dekád později (DIFFEY, 2002; MORYS, BERGER, 1993; REICHRATH, NÜRNBERG, 2008; SECKMEYER a kol., 2008). Zájem o měření intenzity UV záření značně vzrostl v 80. letech 20. století ve spojitosti se zjištěním míry zeslabení ozónové vrstvy nad Antarktidou. V současnosti tedy existuje jen velmi málo kontinuálních časových řad delších než 20 let. Nejdelší evropská časová řada je z polského Belsku a v současnosti je delší než 30 let. Síť stanic monitorujících UV záření je velmi nerovnoměrná na severní polokouli je poměrně hustá, zatímco v rozsáhlých oblastech jižní polokoule a nad oceány monitorování UV záření probíhá jen velmi omezeně. (DAHLBACK, 2008; KERR a kol., 2002; KRZYŚCIN a kol., 2004). Měření UV záření je potřeba v UV klimatologii pro sestavení dlouhodobých trendů vývoje intenzity UV záření, to je však vzhledem k nehomogennímu rozmístění stanic -13-

14 a velkému počtu faktorů ovlivňujících intenzitu UV záření velmi složité. Jedním z důležitých cílů je v současnosti měření nárůstu intenzity UV záření v závislosti na úbytku celkového ozónu, případně zkoumání poklesu intenzity UV záření z důvodu obnovování ozónové vrstvy. Rovněž je zkoumán vliv koncentrace aerosolů či troposférického ozónu v atmosféře na intenzitu UV záření. Získaná data jsou také důležitým vstupem pro různé studie a pro validaci modelů energetické bilance a satelity naměřených hodnot. Díky měření UV záření lze porozumět geograficky podmíněným rozdílům v distribuci UV záření a v neposlední řadě také získat aktuální informace, které slouží například pro výpočet UV indexu a tedy pro informování veřejnosti (KERR a kol., 2002; SECKMEYER a kol., 2001). 2.5 Veličiny využívané pro měření ultrafialového záření Kvantitativní charakteristiky UV záření lze vyjádřit běžnými radiometrickými veličinami, které jsou znázorněny v tab. 1. Účinky UV záření na lidskou pokožku se však výrazně liší v závislosti na vlnové délce, takže například dávka UV ozáření 1 J.cm -2 nic nevypovídá o následném zčervenání kůže člověka (DIFFEY, 2002). Z toho důvodu bylo zavedeno erytémové UV záření (EUV záření), které je získáváno vážením dopadajícího UV záření pomocí erytémového akčního spektra přijatého v roce 1987 komisí CIE (Mezinárodní komise pro osvětlování). Tato křivka simuluje schopnost lidské kůže vytvořit mírný erytém, tedy zčervenání, opálení kůže (ANTÓN, 2009). Podobné křivky simulující účinky UV záření jsou vytvořeny pro poměrně velké množství dalších biologických jevů, k nimž patří například fotoinhibice fytoplanktonu či poškození struktury DNA (MORYS, BERGER, 1993). Tab. 1. Vybrané základní radiometrické veličiny dle DIFFEY, 2002 Název veličiny Jednotka Symbol Vlnová délka nm λ Zářivý tok / zářivý výkon W Q Zářivá energie J φ Intenzita vyzařování W.m -2 E Expozice / dávka ozáření J.m -2 H Dlouhou dobu se jako jednotka erytémového UV záření používala tzv. minimální erytémová dávka (MED), což je dávka erytémového UV ozáření, po jejímž překročení začíná lidská pokožka rudnout. Tato jednotka nemá jednotnou definovanou hodnotu, protože zahrnuje různorodou individuální citlivost lidské pokožky vůči UV záření. U různých jedinců je k dosažení stejného účinku zapotřebí jiná dávka UV ozáření, MED se tedy liší. Pro jedince se světlou kůží, kteří velmi snadno podléhají účinkům UV záření, činí MED přibližně 200 J.m -2, pro jedince s tmavší pokožkou může být MED až několikrát -14-

15 vyšší. Vhodnější je proto použití standardní erytémové dávky (SED), která je ekvivalentní efektivnímu erytémovému ozáření o 100 J.m -2. Ozáření o hodnotě 4 SED pak zapříčiní mírné zčervenání světlé a na UV záření neaklimatizované pokožky. V létě za bezoblačného počasí se v Evropě průměrné denní ozáření pohybuje přibližně mezi SED (DIFFEY, 2002; LUCAS a kol., 2006). Veřejnost je o intenzitě erytémového UV záření většinou informována prostřednictvím UV-Indexu. Zveřejňován by měl být alespoň nejvyšší denní UV-Index. Jeho hodnota je odvozena od intenzity erytémového UV záření ve W.m -2, která je vynásobena faktorem 40. Tento postup vede k vytvoření zprava otevřeného intervalu možných hodnot UV-Indexu. Hodnoty UV-Indexu lze rozdělit na nízké (1 2), střední (3 4), vysoké (5 6), velmi vysoké (7 8) a extrémní (9 a vyšší). Běžné hodnoty UV-Indexu se v nulové nadmořské výšce pohybují mezi 0 a 16. V nízkých zeměpisných šířkách a vysokých nadmořských výškách se může UV-Index přiblížit hodnotě 20, ve vzácných případech ji může i překročit (například na havajské stanici Mauna Loa ve m n. m.) (DAHLBACK, 2008; SECKMEYER a kol., 2001; VANÍČEK a kol., 2001; WHO, 1999). -15-

16 3 PŘÍSTROJE PRO MĚŘENÍ ULTRAFIALOVÉHO ZÁŘENÍ 3.1 Charakteristika přístrojového měření ultrafialového záření Intenzita UV záření může být měřena pomocí pozemních přístrojů, ale také pomocí satelitních měření kombinovaných s modelovanými údaji. Přístroje umístěné na zemském povrchu jsou přesnější, poskytují však pouze bodové informace. Satelitní měření mají globální pokrytí, v některých případech i s rozlišením nižším než 1 km 2. Jejich nevýhodou je nízká přesnost (na severní polokouli dochází k podhodnocování intenzity EUV záření až o 40 %) a nízká frekvence měření. Využití satelitních měření a modelovaných údajů je proto vhodné zejména pro oblasti, kde chybí pozemní měření. (DAHLBACK, 2008; MARTIN a kol., 2000, SECKMEYER a kol., 2008; COST 726, 2012). Nejznámějším satelitním přístrojem určeným pro měření intenzity UV záření je TOMS (Nimbus Total Ozone Mapping Spectrophotometer) umístěný na družici Nimbus 7. Tento přístroj měřil změny celkového ozónu, které byly následně použity k výpočtu pronikání UV záření atmosférou (MCPETERS, 1994; WANG a kol., 1994). Pozemní přístroje většinou měří intenzitu celkového UV záření na horizontálním povrchu. Podle principu, na kterém pracují, je lze dělit na spektrofotometry a na filtrové přístroje, k nimž se řadí úzkopásmové/vícepásmové radiometry a širokopásmové radiometry. Tyto přístroje se vzájemně se liší nejen způsobem sběru dat, ale i přesností měření a v konečném důsledku také pořizovacími a provozními náklady (COST 726, 2012; DIFFEY, 2002; KERR a kol., 2002; WEBB, GROBNER, BLUMTHALER, 2006). Intenzita UV záření se výrazně mění v závislosti na vlnové délce, proto jsou k jejímu měření vyžadovány přístroje s vysokým dynamickým rozsahem, vysokým spektrálním rozlišením a vysokou přesností měření. K udržení požadovaných vlastností přístrojů jsou však nutné jejich pravidelné a pečlivé kalibrace (CANCILLO a kol., 2007; KERR a kol., 2002). Přesnost měření všech současných pozemních přístrojů značně závisí na SZA jak se mění úhel dopadajícího záření, mění se i přesnost detekce. Při vysokém SZA mohou i velmi kvalitní přístroje vykazovat poměrně velkou chybu. Tento jev se nazývá kosinová chyba přístroje a lze ji zjistit laboratorně pomocí změny úhlu dopadajícího záření z UV lampy. Záření o intenzitě E(θ) přijaté přístrojem pod úhlem dopadu θ (který se může lišit mezi 0-90 ) by mělo být proporční intenzitě záření přijatého z úhlu 0, tedy E (0 ), vynásobenému kosinem úhlu θ. Poměr X(θ) lze tedy vyjádřit následovně (FEISTER a kol., 1997): Xθ= Eθ E0.cosθ -16-

17 θ liší. Z důvodu kosinové chyby přístroje se však poměr X(θ) pro různé úhly dopadu záření Kosinovou chybu K(θ) v procentech lze pro daný úhel dopadu záření θ vypočítat pomocí poměru X(θ) tímto způsobem (SECKMEYER a kol., 2010b): Kθ=Xθ Křivka kosinové korekce C(θ) v závislosti na úhlu dopadu záření θ pak může být pro daný přístroj vypočítána pomocí tohoto vztahu (FEISTER a kol., 1997): Cθ= 1 Xθ Kosinová chyba může být při vysokém SZA poměrně výrazná i u velmi kvalitních přístrojů například při SZA = 60 se kosinová chyba i těch nejkvalitnějších přístrojů pohybuje až kolem 10 % (SECKMEYER a kol., 2001). Vzhledem k tomu, že průchodnost paprsků přes vstupní optiku přístrojů je při vysokých SZA nižší a intenzita EUV záření je podhodnocena, oprava na kosinovou chybu naměřené hodnoty zpravidla zvyšuje (KIMLIN a kol., 2005). 3.2 Spektrofotometry Spektrofotometry jsou v současnosti považovány za nejpřesnější pozemní přístroje měřící intenzitu UV záření (DAHLBACK, 2008). Tyto přístroje rozkládají UV záření podle vlnové délky do pásem o šířce 1 nm nebo méně (viz tab. 2.). Spektrofotometry tedy umožňují zjistit tvar spektra a intenzitu záření v závislosti na vlnové délce. Rozdělení spektra na úzká pásma rovněž umožňuje aplikaci libovolného akčního spektra a následný výpočet biologických účinků UV záření. Nevýhodou spektrofotometrů jsou jejich vysoké pořizovací náklady a značné nároky na obsluhu, údržbu a kalibraci (DAHLBACK, 1998; DIFFEY, 2002; MORYS, BERGER, 1993). Spektrofotometry se dělí na skenovací a řadové. Skenovací spektrofotometry (angl. scanning spectrophotometers) se skládají ze vstupní optiky, monochromátoru a z detekční části přístroje (viz obr. 2.). Vstupní optika zajišťuje, že paprsek prochází systémem vždy stejně, čehož lze dosáhnout kulovým integrátorem či rozptylovačem (angl. diffuser). Monochromátor je zařízení, které rozloží dopadající záření na spektrum podle vlnové délky, k tomuto účelu slouží například rotující holografická mřížka. V některých přístrojích jsou monochromátory pouze jednoduché, v jiných dvojité. Největší výhodou dvojitých monochromátorů je velmi dobrá schopnost redukce detekce nežádoucího rozptýleného záření o vlnových délkách mimo měřený interval (angl. stray light), což je v případě přístrojů s jednoduchým monochromátorem problematické. Jako -17-

18 detekční části přístroje většinou slouží fotonásobiče (DIFFEY, 2002; SECKMEYER a kol., 2001; Kipp & Zonnen, 2014). Skenovací spektrofotometry tedy přijímají vstupním otvorem světlo, které se podél ohniskové roviny výstupního otvoru rozloží na spektrum. Záření je rozkládáno pomocí otáčející se holografické mřížky. Za výstupním otvorem dopadá výsledné spektrum na katodu fotonásobiče, kde jsou fotonové pulzy zesíleny a odděleny, teprve pak jsou odeslány záznamovému zařízení. Celé spektrum je tak změřeno v průběhu několika minut (SECKMEYER a kol., 2010b; Kipp & Zonnen, 2014). Diodové spektrofotometry (angl. diode array spectrophotometers) fungují na principů mírně odlišném od výše popsaných skenovacích spektrofotometrů (viz obr. 2.). Celé dopadající spektrum se v nich zobrazí na detektor, který se skládá z velkého množství komponentů, například z řady fotodiod. Jejich největší výhodou je zkoumání celého spektra najednou, tj. za jednu sekundu či rychleji. Proto je například možné tyto přístroje použít pro zkoumání vlivu parametrů jako množství oblačnosti či koncentrace aerosolů v atmosféře na intenzitu UV záření (SECKMEYER a kol., 2010b). Obr. 2. Zjednodušené schéma principu skenovacích a diodových spektrofotometrů, upraveno dle obrázků z webových stránek University of Chicago ( -18-

19 Tab. 2. Vybrané doporučené charakteristiky spektrofotometrů podle SECKMEYER a kol., 2001 Kosinová chyba < ± 5% pro SZA do 60 Minimální rozsah měření nm Šířka pásma < 1 nm Doba skenování < 10 min na 1 spektrum Celková chyba < 10 % Spektrofotometry vyrábí například americká firma Optronic či britská společnost Bentham, avšak jedním z nejrozšířenějších skenovacích spektrofotometrů je Brewerův spektrofotometr vyráběný nizozemskou firmou Kipp & Zonen. Přístroj sleduje dráhu Slunce po obloze a slouží k měření celkového ozónu a koncentrace oxidu siřičitého v atmosféře, provádí také UV spektrální skenování přímého i globálního slunečního záření. Software pak dokáže vypočítat intenzitu dopadajícího UVA a UVB záření, intenzitu EUV záření a UV-Index. Vzhledem ke schopnosti přístroje kompenzovat tepelnou roztažnost všech komponent lze Brewerovy spektrofotometry použít ve všech typech klimatu od vlhkých tropů až po polární oblasti. V současnosti je ve více než 40 zemích nainstalováno přes 210 Brewerových spektrofotometrů. Nejvíce se uplatňují v monitorovacích sítích v Evropě, v Severní Americe a na východním pobřeží Asie. Kvůli přítomnosti ozónové anomálie jsou Brewerovy spektrofotometry často využívány rovněž v Antarktidě. Nejmodernějším typem je Brewer MK-III spektrofotometr s dvojitým monochromátorem, avšak starší typy, například Brewer MK-II a Brewer MK-IV s jednoduchým monochromátorem, jsou na některých stanicích stále v provozu (VILAPLANA a kol., 2006; Kipp & Zonnen, 2014). 3.3 Úzkopásmové/vícepásmové radiometry Úzkopásmové radiometry mají mít jednotnou spektrální citlivost ve vybraném intervalu vlnových délek (např. pro měření UVB záření od 280 do 315 nm) a nulovou spektrální citlivost na vlnových délkách mimo tento interval. Tyto přístroje se skládají z kopulky z křemičitého skla, dále ze zařízení citlivého na vlnovou délku, jako je například interferenční filtr či zabarvený skleněný filtr, a z detektoru záření, kterým může být například fotodioda. V praxi je však dosažení ideální spektrální odezvy úzkopásmových přístrojů nemožné, vzhledem k tomu, že všechny přístroje kombinující optický filtr a fotodetektor se vyznačují nejednotnou spektrální citlivostí (DIFFEY, 2002). Některé úzkopásmové přístroje měří na více kanálech zároveň a jsou tedy vícepásmovými přístroji, které většinou měří intenzitu UV záření ve 4 7 pásmech širokých 2 10 nm (viz tab. 3.). Na všech kanálech je měření provedeno poměrně rychle, takže jsou tyto přístroje vhodné pro detekci náhlých změn intenzity dopadajícího záření -19-

20 (DAHLBACK, 2008). Vícepásmové přístroje jsou vhodné rovněž pro měření intenzity EUV záření či celkového ozónu v atmosféře (SECKMEYER a kol., 2010a). K nejznámějším výrobcům vícepásmových radiometrů patří americká společnost Yankee Environmental System, případně norský výrobce NILU (VILAPLANA a kol., 2006). Tab. 3. Vybrané doporučené charakteristiky vícepásmových radiometrů podle SECKMEYER a kol., 2010a Kosinová chyba < ± 5 % pro SZA do 60 Minimální rozsah měření nm Šířka pásma < 10 nm Minimální počet kanálů alespoň 1 s centrální λ < 310 nm a 1 s centrální λ > 330 nm Celková chyba přístroje < 10 % Vícepásmové radiometry mají v porovnání se spektrofotometry nízké pořizovací i provozní náklady a jejich obsluha a údržba je jednodušší, což je činí vhodnými pro instalaci v odlehlých oblastech. Jsou ale poměrně často používány v pozorovacích sítích v Evropě, Africe, Jižní Americe a v USA. Jejich nevýhodou je však nutnost komplexního zpracování naměřených dat a v porovnání se spektrofotometry nižší přesnost. Problém přístrojů využívajících interferenční filtry je rovněž spatřován v poměrně nízké dlouhodobé stabilitě jejich citlivosti (DAHLBACK, 2008; MORYS, BERGER, 1993; SECKMEYER a kol., 2010a). 3.4 Širokopásmové radiometry Širokopásmové přístroje měří buď absolutní intenzity UV záření, nebo záření spektrálně váží například podle erytémového akčního spektra. Měří v intervalu vlnových délek širším než 10 nm, může například jít o integrované UVA záření ( nm) (viz tab. 4.). Jejich výhodou jsou v porovnání se spektrofotometry nižší pořizovací náklady a nižší náklady na údržbu, které ovšem v dlouhodobém časovém horizontu mohou daleko překročit pořizovací náklady. Díky malým rozměrům se tyto přístroje poměrně jednoduše transportují. Širokopásmové přístroje rovněž mívají díky své poměrné jednoduchosti méně problémů než složitější spektrofotometry a proto je jejich použití výhodné například při monitorování UV záření v odlehlých oblastech. Nevýhodou některých širokopásmových radiometrů je však značná nestabilita citlivosti jejich měření v čase. Širokopásmové přístroje proto nejsou vhodné pro využití vyžadující vysokou přesnost a stabilitu přístroje, potřebnou například pro detekci trendů. Jsou ale často používány jako záložní zařízení či slouží pro ověřování intenzity UV záření vypočítané s pomocí satelitních dat nebo modelování. Dále je jejich použití vhodné například pro rutinní měření intenzity UVB záření, mohou sloužit zejména k odhadům vlivu dopadajícího UV záření na lidskou -20-

21 kůži (výpočet UV-Indexu) (BODHAINE a kol., 2008; DAHLBACK, 2008; SECKMEYER a kol., 2006; XU, HUANG, 2000). Širokopásmové radiometry vyrábí například nizozemská firma Kipp & Zonen nebo americká společnost Yankee Environmental systems. Jedním z nejpopulárnějších širokopásmových přístrojů je Robertson-Bergerův UV-Biometr vyráběný firmou Solar Light, v dalším textu práce jen UV-Biometr (viz obr. 3.), který měří intenzitu UV záření váženou podle erytémového akčního spektra. Princip tohoto přístroje (viz obr. 4.) spočívá v tom, že záření je přijímáno kopulkou z křemičitého skla. Záření následně prochází skrz širokopásmový UV filtr z černého skla, který eliminuje infračervené (IR) záření a viditelné světlo. UV záření pak dopadá na citlivou fosforescenční vrstvu, která jej absorbuje a emituje zpět v zelené části viditelné oblasti spektra. Zelené světlo, vyzářené fosforem, prochází zeleným filtrem a jeho intenzita je měřena fotodiodou a zaznamenána (BODHAINE a kol., 1998; MORYS, BERGER, 1993; VILAPLANA a kol., 2006). Obr. 3. Schéma detektoru UV-Biometru dle MORYS, BERGER, Obr. 4. Zjednodušené schéma principu fungování UV-Biometru, upraveno podle KENNEDY, SHARP,

22 Přesnost měření přístroje je závislá zejména na zenitovém úhlu Slunce, kde je důležitá hlavně kosinová závislost (viz kapitola 3.1). Maximální hodnoty kosinové chyby u širokopásmových radiometrů jsou přibližně 10 %, při SZA nad 60 však mohou být i vyšší (viz tab. 4.). Další nepřesnosti může způsobit i spektrální odezva širokopásmových přístrojů, která zejména u přístrojů měřících biologické účinky UV záření není ideální. Drobné odchylky mezi erytémovým akčním spektrem a skutečnou spektrální odezvou přístroje pak způsobují značnou závislost přesnosti měření širokopásmových radiometrů na celkovém ozónu, proto by se při úpravě dat získaných širokopásmovými přístroji měla brát v potaz i tato proměnná. Kombinovaný vliv kosinové chyby a závislosti přesnosti měření přístroje na množství ozónu v atmosféře může u neopravených dat naměřených některými přístroji způsobovat chybu až 50 % (BODHAINE a kol., 1998; MUSIL a kol., 2002; SECKMEYER a kol., 2006). Problémem prvních širokopásmových radiometrů byla značná závislost přesnosti měření na teplotě vzduchu a tedy teplotě přístroje, průměrná chyba činila odhadem 0,8 % na 1 C teploty přístroje. Závislost přesnosti měření širokopásmových radiometrů na teplotě přístroje byla opravena zavedením teplotních koeficientů pro detektor i jednotlivé komponenty přístroje a pro různé SZA i hodnoty celkového ozónu. Další možností řešení je teplotní stabilizace přístroje, která se provádí například pomocí Peltierova článku (MORYS, BERGER, 1993). Bylo však zjištěno, že přesnost měření některých širokopásmových radiometrů může být navíc ovlivněna vyšší relativní vlhkostí uvnitř přístroje. Tento efekt je výraznější při měření v UVA oblasti spektra, v UVB oblasti se přesnost přístroje mění pouze v rámci prvních jednotek procent. Avšak když se spojí účinek vysoké relativní vlhkosti uvnitř přístroje a změny teploty vzduchu, citlivost přístroje v UVB oblasti spektra se může změnit i o více než 10 %. Vliv vyšší relativní vlhkosti uvnitř přístroje je však obtížně odstranitelný, proto je nejvýhodnější udržovat relativní vlhkost uvnitř přístroje konstantní a nízkou (SECKMEYER a kol., 2006; WEBB, GROBNER, BLUMTHALER, 2006). Dalšími možnými zdroji nepřesností v měření širokopásmových přístrojů, a to zejména při vysokých SZA, mohou být nepravidelnosti kopulky z křemičitého skla nebo odraz záření od jejího povrchu a od filtru z černého skla, případně nerovnoměrné rozprostření fosforu či znečištění vnitřních částí přístroje. Vliv na přesnost měření může mít rovněž akumulace sněhu a jiných kontaminací na povrchu kopulky z křemičitého skla, proto je nutné povrch přístroje pravidelně čistit (KENNEDY, SHARP, 1992; MORYS, BERGER, 1993). -22-

23 Tab. 4. Vybrané doporučené charakteristiky širokopásmových přístrojů podle SECKMEYER a kol., 2006 Kosinová chyba < ± 10 % pro SZA do 60 Dlouhodobá stabilita citlivosti ideálně 2 %, v současnosti < 5 % Teplotní stabilita ± 1 C, teplotu nejlépe zaznamenávat Citlivost k viditelnému a IR záření < 1 % Porovnáním evropských širokopásmových radiometrů bylo zjištěno, že stabilní přístroje s malou kosinovou chybou dosahují v měření erytémového ozáření průměrné chyby přibližně 7 %, chyba přístrojů s vyšší hodnotou kosinové chyby se pohybovala okolo 16% (COST 726, 2012). -23-

24 4 MONITORING A DATABÁZE ULTRAFIALOVÉHO ZÁŘENÍ 4.1 Svět a Evropa Údaje získané přístrojovými měřeními se shromažďují v databázích na národní, kontinentální či světové úrovni. V současnosti je nejvýznamnější databází měření UV záření Světové datové centrum ozónu a UV záření v Torontu (World Ozone and Ultraviolet Radiation Data Centre, WOUDC) založené již v roce 1962 Světovou meteorologickou organizací (World Meteorological Organization, WMO) jako část programu Globální sledování atmosféry (Global Atmosphere Watch, GAW). WOUDC se dále dělí na Světové datové centrum ozónu (World Ozone Data Centre, WODC) a Světové datové centrum UV záření (World Ultraviolet Radiation Data Centre, WUDC). Centrum WUDC od roku 1993 sjednocuje a archivuje spektrální, vícepásmová a širokopásmová měření UV záření. V současnosti svými daty přispívá 114 stanic (viz obr. 5.) (VANÍČEK, 2011; WOUDC, 2014). Obr. 5. Geografická distribuce stanic měřících intenzitu UV záření a přispívajících do WOUDC rozdělených podle typu používaného přístroje s využitím dat WUDC (2013) a ESRI World v souřadném systému WGS 1984 V evropském měřítku existuje Evropská UV Databáze v Helsinkách (European Ultraviolet Database, EUVDB), která obsahuje data ze 43 stanic včetně Hradce Králové (KERR a kol., 2002; Leibnitz Universität Hannover, 2004). V únoru 2004 v Evropě byla pod hlavičkou Evropské spolupráce ve vědeckém a technickém výzkumu (European Cooperation in Science and Technology, COST) započata Akce COST 726 (Dlouhodobé změny UV záření a UV klimatologie v Evropě). -24-

25 Cílem tohoto projektu bylo zejména rozvoj výzkumu UV záření, dlouhodobých trendů a faktorů ovlivňujících jeho intenzitu. Do Akce COST 726 se zapojilo 22 evropských zemí včetně České republiky. Začátky časových řad UV záření některých stanic zapojených do Akce COST 726 spadají až do 70. let (viz tab. 5.) (COST 726, 2012). Tab. 5. Vybrané časové řady stanic zapojených do programu COST 726 podle začátku doby měření, dle COST 726 (2012) jde o nejkvalitnější dostupné časové řady intenzity EUV záření v Evropě Název stanice Země Přístroj Začátek měření Belsk Polsko Širokopásmový Brewer MK-II květen 1975 leden 1996 Norrköping Švédsko Širokopásmový březen 1983 Sodankylä Finsko Brewer MK-II duben 1990 Soluň Řecko Širokopásmový srpen 1991 Ispra Itálie Brewer leden 1992 Bilthoven Nizozemsko Širokopásmový Dilor 2XY.50 únor 1994 únor 1996 Potsdam Německo Brewer MK-II, MK-III leden 1995 Bergen Norsko Vícepásmový leden 1996 Davos Švýcarsko Širokopásmový leden 1996 Hradec Králové ČR Brewer MK-IV leden 1996 Jokioinen Finsko Brewer MK-III leden 1996 Lindenberg Německo Brewer MK-IV SPECTRO 320D leden 1996 leden 2005 Kromě výše zmíněných časových řad použitých v rámci akce COST 726 se v prostoru střední Evropy provádějí kvalitní měření UV záření zejména na stanicích německých (např. Garmish-Partenkirchen, Hohenpeissenberg, Neuherberg, Offenbach a Zugspitze) a rakouských (např. Grossenzersdorf a Sonnblick) (SECKMEYER a kol., 2008). Účinky UV záření na zdraví člověka zkoumá Světová zdravotnická organizace (World Health Organization, WHO) pod hlavičkou projektu INTERSUN. Tento projekt byl započat v roce 1993 a jeho hlavními cíli je například monitoring změn účinků UV záření na zdraví člověka v závislosti na celkovém ozónu či poskytování doporučení národním vládám ohledně zdravotních důsledků vystavování se UV záření. Takto byl například vyvinut globální solární UV-Index, který má sloužit zejména pro informování veřejnosti na národní či regionální úrovni (WHO, 1999). -25-

26 4.2 Česká republika V České republice spadá měření UV záření do systematického monitoringu atmosféry, který je jednou z aktivit ČHMÚ. V České republice je UV záření monitorováno na čtyřech stanicích, jejichž geografická distribuce je znázorněna na obr. 6. Nejlépe vybavenou stanicí je Solární a ozónová observatoř Hradec Králové (SOO-HK), která je vybavena Brewerovými spektrofotometry a UV-Biometry. Měření pomocí UV-Biometrů dále probíhají na stanicích Košetice v okrese Pelhřimov, Kuchařovice v okrese Znojmo a Labská bouda v okrese Trutnov. Tyto stanice byly vybrány vzhledem k jejich situaci ve vzájemně odlišných klimatických a geografických regionech: Kuchařovice leží v nížině, Košetice v typické vrchovinné venkovské oblasti a Labská bouda je situována v horách (VANÍČEK, 2011; VANÍČEK a kol., 2014). Obr. 6. Stanice Českého hydrometeorologického ústavu, na nichž probíhá monitoring UV záření, a jejich přístrojové vybavení, vytvořeno s použitím dat ČHMÚ (2014) a ArcČR 500 v souřadném systému WGS 1984 UTM Zone 33N -26-

27 5 SOLÁRNÍ A OZÓNOVÁ OBSERVATOŘ HRADEC KRÁLOVÉ 5.1 Základní informace o observatoři a výzkumu Observatoř, založená v roce 1951, je situována v nadmořské výšce 275 m n. m. na pahorku v jižní části předměstí Hradce Králové, v části budovy Hvězdárny a planetária v Hradci Králové (50,180 N, 15,833 E). Okolí observatoře tvoří zejména pole a lesy, přičemž jižní obzor je otevřený. Probíhá zde monitoring celkového ozónu a spektrálního UV a UVB záření. Přístroje určené k měření slunečního záření jsou umístěny na střeše budovy. Získaná data jsou ukládána v klimatické databázi ČHMÚ (CLIDATA) a jsou zasílána i do WOUDC a EUVDB (VANÍČEK, 2001; VANÍČEK a kol., 2014). SOO-HK se podílela na několika projektech v oblasti výzkumu slunečního UV záření. Mezi nimi je například účast v programu GAW či projekt Měření a vyhodnocování úrovně biologicky aktivního UV slunečního záření na území ČR ( ). V rámci tohoto projektu byl mimo jiné analyzován vztah mezi UVB zářením a dalšími atmosférickými parametry, jako je například celkový ozón. Pracoviště a instituce, se kterými SOO-HK spolupracuje, jsou například observatoř ČHMÚ v Košeticích, Ústav fyziky atmosféry Akademie věd ČR v Praze, WOUDC či EUVDB. Kalibrace UV radiometrů se provádí ve spolupráci s Aerologickou observatoří Slovenského hydrometeorologického ústavu v Popradu Gánovci (VANÍČEK, 2001). 5.2 Přístrojové vybavení observatoře Na SOO-HK jsou nainstalovány tři přístroje, umožňující měřit intenzitu dopadajícího UV záření. Jsou jimi Brewerův spektrofotometr č. 098, Brewerův spektrofotometr č. 184 a UV-Biometr typu Robertson-Berger vyráběný firmou Solar Light (VANÍČEK, 2001; VANÍČEK a kol., 2012). Brewerův spektrofotometr č. 098 (Brewer 098, viz obr. 7.) Brewer 098 je plně automatický přístroj typu MK-IV a slouží k pozemnímu měření celkového ozónu a intenzity dopadajícího UVB a částečně i UVA záření v intervalu vlnových délek nm s krokem 0,5 nm. Zařízení dále umožňuje měření koncentrace oxidu siřičitého a oxidu dusičitého v atmosféře, optickou hmotu atmosféry a průměrnou teplotu ozónové vrstvy. Přístroj měří během celého dne a za jakéhokoliv počasí. Tento typ přístroje byl navržen na konci 70. let 20. století a od 80. let jsou tyto přístroje nedílnou součástí globální sítě (VANÍČEK, 2003; VANÍČEK a kol., 2012; VANÍČEK a kol., 2014). V roce 1993 zakoupil ČHMÚ Brewer 098 od kanadské společnosti SCI-TEC Instruments jako kalibrovaný přístroj. 16. prosince 1993 byl přístroj nainstalován na SOO-HK a pravidelný monitoring celkového ozónu, koncentrace oxidu siřičitého -27-

28 v atmosféře a intenzity UVB záření započalo 1. ledna Od tohoto data měření probíhá 3-10x denně bez jakéhokoliv přerušení s výjimkou kalibrací (VANÍČEK, 2003). Přístroj je zařazen do systému pravidelných mezinárodních kalibrací, denně probíhají testy přesnosti měření. Přesnost měření Breweru 098 je tímto způsobem udržována do 1 % vůči mezinárodním standardům. Časovou řadu naměřenou tímto spektrofotometrem lze tedy považovat z přístrojového hlediska za homogenní (VANÍČEK a kol., 2012). Brewerův spektrofotometr č. 184 (Brewer 184, viz obr. 7.) Jde o modernizovanou verzi předchozího přístroje Brewerův spektrofotometr typu MK-III s dvojitým monochromátorem. Na SOO-HK byl instalován v roce Přesnost měření Brewerových spektrofotometrů č. 098 a č. 184 je srovnatelná, avšak Brewer 184 dosahuje vyšší stabilitu při měření UV záření a je schopen měřit vlnové délky až do 363 nm. V současnosti je Brewer 184 na SOO-HK využíván zejména k měření UV záření, druhý přístroj, Brewer 098, se využívá především pro monitoring stavu ozónové vrstvy. Denně je takto získáváno až několik desítek hodnot obou parametrů (VANÍČEK a kol., 2012; VANÍČEK a kol., 2014). Obr. 7. Brewerovy spektrofotometry na střeše SOO-HK, vlastní fotografie, 13. září

29 UV-Biometr, typ Robertson Berger, Solar Light, viz obr. 8. Uvedený přístroj nainstalovaný na SOO-HK slouží zejména pro účely stanovování UV-Indexu. UV-Biometr měří od minutové sumy EUV záření v intervalu vlnových délek nm. Přístroj je v současnosti kalibrován pomocí Brewerova spektrofotometru č. 184 (VANÍČEK, 2001; VANÍČEK a kol., 2014). Obr. 8. UV-Biometr typu Robertson-Berger vyráběný firmou Solar Light na střeše SOO-HK, vlastní fotografie, 13. září

30 6 METODIKA 6.1 Použitá data Cílem této práce je homogenizace časové řady intenzity EUV záření naměřené Robertson-Bergerovým UV-Biometrem na SOO-HK v období leden 1996 prosinec Pro tento účel byla použita paralelní homogenní časová řada hodnot EUV naměřených Brewerovými spektrofotometry typu MK-IV a MK-III (viz kapitola 5.2). Spektrofotometry vykazují vyšší přesnost měření než širokopásmové radiometry, proto je porovnání údajů naměřených širokopásmovými přístroji s daty souběžně naměřenými shodně umístěným spektrofotometrem běžnou a často používanou metodou kalibrace širokopásmových radiometrů (CANCILLO a kol., 2007; VILAPLANA a kol., 2006). K homogenizaci časové řady ČHMÚ poskytl následující data: průměrné hodnoty intenzity EUV měřené v 10minutových intervalech UV-Biometrem v mw.m -2 pro období leden 1996 prosinec 2012 ve středoevropském čase (dále jen SEČ), okamžité hodnoty intenzity EUV měřené ve W.m -2 Brewerovým spektrofotometrem č. 098 pro období leden 1996 prosinec 2012 ve světovém čase (dále jen UTC z angl. Universal Time Coordinated), okamžité hodnoty intenzity EUV měřené ve W.m -2 Brewerovým spektrofotometrem č. 184 pro období červenec 2004 prosinec 2012 v čase UTC Hodnoty zenitového úhlu Slunce SZA pro časy měření Brewerova spektrofotometru č. 098 a Brewerova spektrofotometru č. 189 pro období v čase UTC, průměrné denní hodnoty celkového ozónu TOZ (z angl. Total Ozone) v Dobsonových jednotkách (dále jen DU z angl. Dobson Unit) pro období , průměrné hodinové intenzity globálního záření GLBh a extraterestrického záření S0h pro období v čase SEČ Všechny datové řady byly převedeny do času UTC a řady intenzity EUV záření naměřené oběma Brewerovými spektrofotometry byly převedeny na mw.m

31 6.2 Pracovní postup V první etapě zpracování dat byly vybrány všechny případy, v nichž oba Brewerovy spektrofotometry současně měřily intenzitu EUV záření v časové toleranci jedné minuty. Pomocí statistických metod byla zkoumána podobnost měření obou spektrofotometrů. Pro ověření normality rozdělení byl použit Kolmogorov-Smirnovův (K-S) test, Shapiro- Wilkovův (S-W) test a kvantil kvantilový (Q-Q) graf (THODE, 2002). Rozdělení naměřených hodnot intenzity EUV záření neodpovídalo normálnímu, proto byly pro další testování použity metody neparametrické statistiky. Wilcoxonův párový test neprokázal na hladině významnosti 0,05 existenci statisticky významného rozdílu mezi mediánovými hodnotami měření Breweru 098 a Breweru 184 (pravděpodobnostní hodnota, že oba soubory náleží do stejného základního souboru, byla 0,55, resp. 0,21). Vizuální porovnání bylo provedeno formou krabicového grafu (obr. 9). Obě časové řady naměřená Brewerovými spektrofotometry byly převedeny do jednoho souboru a dále byly zpracovávány dohromady. Obr. 9. Porovnání intenzity EUV záření v mw.m -2 naměřené Brewerem 098 a 184 na SOO-HK v období v časech, kdy oba spektrofotometry měřily současně K datům naměřeným oběma Brewerovy spektrofotometry byla pomocí lineární interpolace s přesností na 1 minutu přiřazena data naměřená UV-Biometrem. Časová řada intenzity EUV záření z UV-Biometru obsahovala až šest měsíců dlouhá období (např. 1. polovina roku 2003), ve kterých nebyla z technických důvodů prováděna měření. K měřením Brewerových spektrofotometrů nebylo v daných obdobích možné přiřadit data naměřená UV-Biometrem, vzhledem k délce časové řady však tato období nebyla považována za významná pro proces celkové homogenizace časové řady a dále na ně proto nebyl brán zřetel. -31-

32 faktor ki: Pro každou z dvojic přiřazených hodnot intenzity EUV záření byl vypočítán opravný = kde EUVBRE je intenzita EUV záření naměřená Brewerovým spektrofotometrem a EUVBIO intenzita EUV záření naměřená UV-Biometrem. Hodnoty tohoto opravného faktoru byly nejdůležitějším ukazatelem homogenity časové řady a přesnosti měření UV-Biometru. V případě shody měření UV-Biometru a Brewerova spektrofotometru by bylo dosaženo hodnoty opravného faktoru ki = 1. Aby do datového souboru nebyly vnášeny chyby způsobené náhodnými extrémními hodnotami, bylo odstraněno 0,5 % extrémních hodnot opravného faktoru ki, tedy 0,25 % nejvyšších a 0,25 % nejnižších hodnot. K dvojicím měření intenzity EUV záření byly následně přiřazeny hodnoty TOZ. Vzhledem k tomu, že se stav TOZ nemění lineárně a jeho denní chod se navíc liší v průběhu roku, byly pro každý den ponechány průměrné denní hodnoty (STUDER a kol., 2013). Okamžité hodnoty SZA již byly součástí časových řad měření Brewerových spektrofotometrů. Pro zjištění vlivu atmosférických podmínek, zejména oblačnosti a přítomnosti aerosolů, na intenzitu EUV záření bylo možné použít koeficient propustnosti atmosféry (angl. clearness index, KG), který byl definován jako poměr globálního záření dopadajícího na horizontální plochu (GLB) k množství záření dopadajícímu na vodorovnou plochu na horní hranici atmosféry (extraterestriální záření S0) (ANTÓN, 2009). V této práci byl koeficient KG vypočítán z průměrných hodinových hodnot intenzity GLB a S0, tedy: =!" # $ %# Pro vysoké SZA lze očekávat ovlivnění KG nejen oblačností, ale i velkou optickou hmotou atmosféry. (ANTÓN, 2009). Průměrné hodinové hodnoty takto vypočítaného KG byly následně lineárně interpolovány a přiřazeny k hodnotám naměřené intenzity EUV záření. V dalším postupu práce byl zkoumán průběh hodnot opravného faktoru ki a jeho závislost na výše uvedených nezávisle proměnných (SZA, TOZ a KG). Bodhaine a kol. (1998) tvrdí, že kalibrace širokopásmových radiometrů s použitím spektrofotometrů je závislá zejména na SZA a na TOZ, proto byl kladen důraz právě na tyto dva faktory. K běžným způsobům opravy dat naměřených širokopásmovým radiometrem patří použití jednotného multiplikačního koeficientu, nebo aplikace funkce využívající SZA, či využití tabulky, která obsahuje dvě proměnné, SZA a TOZ (VILAPLANA a kol., 2006; WEBB, -32-

33 GROBNER, BLUMTHALER, 2006). Pro opravu časové řady naměřené UV-Biometrem byla v této práci uplatněna jednak oprava na kosinovou chybu (funkce s využitím SZA), ale i oprava na dráhu paprsku ozónosférou, tedy tabulka obsahující kromě SZA také údaje o TOZ. Po provedení dílčích oprav byl pro každou výslednou dvojici intenzity EUV záření vypočítán nový opravný faktor ki, který byl označen podle použité opravy (viz seznam zkratek). Pomocí K-S testu, S-W testu a Q-Q grafu bylo ověřeno, že rozdělení hodnot opravného faktoru ki neodpovídalo normálnímu, proto bylo pro další statistické testování využito nástrojů neparametrické statistiky. -33-

34 7 HOMOGENIZACE ČASOVÉ ŘADY INTENZITY ERYTÉMOVÉHO ULTRAFIALOVÉHO ZÁŘENÍ Z HRADCE KRÁLOVÉ 7.1 Analýza časové řady intenzity EUV záření před provedením oprav Okamžité hodnoty opravného faktoru ki pro neupravenou časovou řadu intenzity EUV naměřenou UV-Biometrem v období jsou znázorněny na obr. 10. Hodnota opravného faktoru ki se ve sledovaném období pohybuje od 0,428 do 2,120 s průměrem 1,089 a směrodatnou odchylkou 0,191. Z průměrné hodnoty i z polohy linie ki = 1 vyplývá, že v porovnání s hodnotami naměřenými Brewerovými spektrofotometry podhodnocoval UV-Biometr ve většině případů intenzitu EUV záření, a to v průměru o 8 %. Obr. 10. Okamžité hodnoty opravného faktoru ki na SOO-HK v období (modře); červeně je vyznačena linie ki = 1 Lepší představu o dlouhodobé variabilitě opravného faktoru ki poskytuje obr. 11, ze kterého rovněž vyplývá, že UV-Biometr ve většině případů podhodnocoval intenzitu EUV záření. Navíc je zde patrný výrazný roční chod opravného faktoru ki. V zimním období jsou průměrné denní hodnoty faktoru ki přibližně o 0,2 0,4 vyšší než v období letním. Zjištěná proměnlivost může být podmíněna kombinací faktorů, na nichž závisí přesnost měření UV-Biometru (viz kapitola 3.4). Obr. 11. Průměrné denní hodnoty opravného faktoru ki na SOO-HK v období (modře), červeně je vyznačena linie ki = 1-34-

35 Na konci sledovaného období je v okamžitých i průměrných denních hodnotách opravného faktoru ki patrný zřetelný rozdíl oproti začátku období (obr 10, obr. 11). Průměrná i mediánová hodnota opravného faktoru ki se na konci období přibližují jedné (průměrná hodnota opravného faktoru ki je zde o 10 % nižší než na začátku období, mediánová hodnota opravného faktoru ki je zde nižší téměř o 8 %), intenzita EUV záření již není UV-Biometrem systematicky podhodnocována. Zřetelný je i nižší rozptyl hodnot, směrodatná odchylka je na konci období přibližně o 19 % nižší. Časová řada se zde viditelně rozpadá na dvě části: a Porovnání první a druhé části časové řady pomocí základních statistických charakteristik úrovně a variability je prezentováno v tab. 6. Změny v rozptylu patrné z obr. 11. mezi obdobími leden 1996 červen 2004 a červenec 2004 červenec 2011 jsou dány vyšší frekvencí měření od poloviny roku 2004 z důvodu pořízení Breweru 184. Extrémní rozptyl hodnot opravného faktoru ki na začátku roku 2002 byl způsoben velmi nízkým počtem měření EUV záření v některých dnech, zejména pro čtyři dny (22. 1., 2. 2., a ) byla k dispozici pouze jediná dvojice hodnot intenzity EUV záření, což se promítlo do výpočtu průměrných denních hodnot opravného faktoru ki. Tab. 6. Základní statistické charakteristiky faktoru ki v prvním období ( ) a v druhém období ( ) na SOO-HK Období Počet případů Průměr Medián Směrodatná odchylka ,1053 1,0764 0, ,0040 0,9952 0,1564 Mezi mediánovými hodnotami opravného faktoru ki pro začátek a konec období existuje dle Mann-Whitneyova U testu, dvouvýběrového Kolmogorova-Smirnovova testu i Wald-Wolfowitzova testu statisticky významný rozdíl na hladině významnosti 0,01. Z toho důvodu nebylo možné považovat časovou řadu za homogenní a na první období ( ), kde je intenzita EUV záření naměřená UV-Biometrem systematicky podhodnocována, bylo nutné aplikovat další opravy. -35-

36 7.2 Oprava časové řady intenzity EUV záření Důvodem nehomogenity časové řady zjištěné v kapitole 7.1 bylo dle sdělení pracovníků SOO-HK zavedení nové metodiky opravy dat a kalibrace UV-Biometru po , které vyplynulo z metodiky doporučené v projektu COST 726. Ta spočívá v postupné aplikaci dvou oprav, kterými jsou oprava na dráhu paprsku ozónosférou a oprava na kosinovou chybu. Kalibrační tabulka představující opravu na dráhu paprsku ozónosférou (viz příl. 1) obsahuje dvě proměnné, TOZ a SZA. Pro první období, tedy pro , byl příslušný multiplikační faktor ko3 vypočítán metodou lineární interpolace mezi dvojicemi nejbližších odpovídajících hodnot tabulky obsažené v příl. 1. Data naměřená UV-Biometrem do byla tímto faktorem vynásobena, poté byl podle postupu uvedeného v kapitole 6.2 vypočítán nový opravný faktor, ki-o3. Na takto upravená data byla dále uplatněna oprava na kosinovou chybu. Pro potřeby této práce byly pracovníky SOO-HK poskytnuty multiplikační koeficienty kosinové závislosti intenzity EUV záření měřené standardním UV-Biometrem, které byly určeny v roce 2011 Světovým centrem pro radiaci (World Radiation Center) v Davosu. Hodnotami multiplikačních koeficientů byla proložena polynomická funkce pátého stupně (viz obr. 12.), pomocí které byl pro každou dvojici přiřazených hodnot EUV vypočítán multiplikační faktor kcos. Intenzita EUV záření naměřená UV-Biometrem v období do byla tímto multiplikačním faktorem vynásobena. Pro upravená data byl následně vypočítán podle postupu uvedeného v kapitole 6.2 opravný faktor ki-o3c. Obr. 12. Hodnoty multiplikačních koeficientů kosinové závislosti intenzity EUV záření měřené standardním UV-Biometrem (modře) a jejich proložení polynomickou funkcí pátého stupně (červeně) -36-

37 Rovnice polynomické funkce pátého stupně použité pro výpočet opravného faktoru kcos, kde SZA značí zenitový úhel Slunce, vypadá následovně: &'( =1,0341+0,001 $-. 9, $-.+3, $-. 7 2, $-. : +5, ;; $-. 3 Vzhledem k tomu, že např. Vilaplana a kol. (2006) používali opravu na kosinovou chybu pomocí funkce SZA samostatně, nikoli v kombinaci s jinou opravou, bylo v této práci přihlédnuto i k možnosti samostatného využití této opravy. V dalším textu práce byla rozlišena společná a samostatná aplikace opravy na kosinovou chybu, přičemž v prvním případě jde o uplatnění opravy na data již opravená na dráhu paprsku ozónosférou, v případě druhém bude oprava na kosinovou chybu aplikována přímo na původní neopravené hodnoty intenzity EUV záření naměřené UV-Biometrem. Podle postupu popsaného v kapitole 6.2 bude i pro samostatnou opravu na kosinovou chybu vypočítán opravný faktor ki-c. Průběh opravného faktoru ki, ki-o3, ki-o3c a ki-c je znázorněn na obr. 13. Je zřejmé, že hodnoty opravných faktorů ki-o3 a ki-c se pohybují nejblíže hodnotě 1,0. Systematické podhodnocování naměřené intenzity EUV záření bylo aplikací opravy na dráhu paprsku ozónosférou a samostatné opravy na kosinovou chybu bylo redukováno. Společná aplikace opravy na kosinovou chybu však způsobila značné snížení hodnot opravného faktoru ki-o3c, intenzita EUV záření byla po provedení této opravy nadhodnocena. -37-

38 Obr. 13. Okamžité hodnoty opravných faktorů ki, ki-o3, ki-o3c a ki-c na SOO-HK v období a) před aplikací oprav, b) po provedení opravy na dráhu paprsku ozónosférou, c) po aplikaci společné opravy na kosinovou chybu, d) po uplatnění samostatné opravy na kosinovou chybu (zeleně); linie ki = 1 je vyznačena červeně, resp. modře Tab. 7 obsahuje základní statistické charakteristiky opravných faktorů ki, ki-o3, ki-o3c a ki-c. Nejnižší mediánovou chybu (0,08 %) vykazuje časová řada intenzity EUV záření naměřená UV-Biometrem po aplikaci samostatné opravy na kosinovou chybu, avšak nejnižší průměrná chyba (0,03%) byla zaznamenána po provedení opravy na dráhu paprsku ozónosférou. Opravný faktor ki-o3 vykazuje i velmi nízký rozdíl průměrné a mediánové -38-

39 chyby (0,29 %), v případě opravného faktoru ki-c činí tento rozdíl 2,13 %. Po aplikaci společné opravy na kosinovou chybu se průměrná i mediánová hodnota faktoru ki-o3c snížily na 0,9406, resp. 0,9407, což představuje průměrnou i mediánovou chybu vyšší než 6 % a tedy značné nadhodnocení intenzity EUV záření. V redukci extrémů byla nejefektivnější samostatná oprava na kosinovou chybu. Aplikace této opravy snížila maximální hodnotu opravného faktoru ki-c a v porovnání s ostatními opravami představuje i nejvyšší minimální hodnotu. Provedené opravy měly vliv i na variabilitu hodnot opravného faktoru. Směrodatná odchylka se po aplikaci opravy na dráhu paprsku ozónosférou snížila přibližně o 17,1 %. Uplatnění společné opravy na kosinovou chybu ji snížilo o další 3,4 %. Samostatná oprava na kosinovou chybu snížila směrodatnou odchylku pouze o 12 %. Tab. 7. Základní statistické charakteristiky hodnot opravných faktorů ki, ki-o3, ki-o3c a ki-c na SOO-HK v období a průměrná a mediánová chyba měření UV-Biometru (znaménko - značí podhodnocení, + značí nadhodnocení měřené intenzity EUV záření) Opravný Průměrná Mediánová Směrodatná Minimum Maximum Průměr Medián faktor chyba [%] chyba [%] odchylka k i 0,4280 2,1388 1,0889-8,16 1,0609-5,74 0,1916 k i-o3 0,2812 2,1384 1,0003-0,03 0, ,26 0,1573 k i-o3c 0,2599 2,0533 0, ,32 0, ,30 0,1519 k i-c 0,3901 2,0533 1,0209-2,05 0, ,08 0,1687 Pro lepší názornost byl sestaven rovněž průběh průměrných denních hodnot opravných faktorů ki, ki-o3, ki-o3c a ki-c, který je znázorněn na obr. 14. Je zřejmé, že provedení opravy na dráhu paprsku ozónosférou zapříčinilo přinejmenším částečné odstranění ročního chodu faktoru ki-o3, v porovnání s opravným faktorem ki nedochází ke zvýšení hodnot průměrného denního opravného faktoru v zimním období a k jeho opětovnému snížení v letních měsících. Vzhledem k tomu, že oprava na dráhu paprsku ozónosférou účinně eliminovala roční chod průměrných denních hodnot opravného faktoru ki-o3, v průběhu jednotlivých let nebyly pozorovány ani výrazné změny průměrného denního opravného faktoru ki-o3c. Samostatná oprava na kosinovou chybu však roční chod nedokázala účinně potlačit a průměrné denní hodnoty opravného faktoru ki-c se v zimním období pohybují přibližně o dvě desetiny výše než v letním období. Pro odstranění ročního chodu opravného faktoru se tedy jeví jako nejúčinnější využití opravy na dráhu paprsku ozónosférou. -39-

40 Obr. 14. Průměrné denní hodnoty opravných faktorů ki, ki-o3, ki-o3c a ki-c na SOO-HK v období a) před aplikací oprav, b) po provedení opravy na dráhu paprsku ozónosférou, c) po aplikaci společné opravy na kosinovou chybu, d) po uplatnění samostatné opravy na kosinovou chybu (zeleně), linie ki = 1 je vyznačena červeně, resp. modře Obr. 14. dokumentuje změnu konzistence průběhu opravných faktorů ki, ki-o3, ki-o3c a ki-c mezi prvním obdobím, na něž byly aplikovány opravy ( ), a druhým obdobím ( ). Je zřejmé, že v případě neupravené časové řady jsou průměrné denní hodnoty faktoru ki v první části období vyšší, zatímco po uplatnění společné opravy na kosinovou chybu se v porovnání s druhou částí sledovaného -40-

41 období průměrné denní hodnoty faktoru ki-o3c v první části časové řady snížily přibližně o jednu desetinu. Průměrné denní hodnoty opravného faktoru ki-c se v prvním a druhém období znatelně neliší, avšak je patrná výrazná změna variability. Zatímco v druhém období oscilují průměrné denní hodnoty opravného faktoru ki-c v rozpětí přibližně dvou desetin a jejich směrodatná odchylka je 0,156, v prvním období se pohybují v rozmezí pěti desetin i vyšším a jejich směrodatná odchylka je 0,165. Po aplikaci opravy na dráhu paprsku ozónosférou však není patrný rozdíl ve středních hodnotách či ve variabilitě opravného faktoru ki-o3 v prvním a v druhém období. Pomocí nástrojů neparametrické statistiky byla zjišťována míra shody mezi mediánovými hodnotami opravných faktorů v první a druhé části časové řady (viz tab. 8.). Tab. 8. Výsledky neparametrických statistických testů zjišťujících míru odlišnosti mediánu opravných faktorů ki, ki-o3, ki-o3c a ki-c na SOO-HK mezi prvním obdobím ( ) a druhým obdobím ( ) s aplikací oprav v první části období Opravný faktor / Test Mann-Whitneyův U Wald-Wolfowitzův Z p Z p k i 65,67 0,00-17,03 0,00 k i-o3 0,38 0,70-0,13 0,90 k i-o3c -58,17 0,00-14,88 0,00 k i-c 12,19 0,00-1,21 0,23 Z = hodnota testového kritéria p = hodnota určující míru pravděpodobnosti, s jakou hodnoty opravného faktoru k i z první a druhé části časové řady náležejí do stejného základního souboru Z tab. 8. vyplývá, že po provedení opravy na dráhu paprsku ozónosférou ani jeden z testů neprokázal statisticky významný rozdíl na hladině významnosti 0,01 mezi mediánovými hodnotami opravného faktoru ki-o3 v prvním a v druhém období. Časovou řadu intenzity EUV záření naměřenou UV-Biometrem lze tedy vůči měření Brewerových spektrofotometrů považovat z tohoto pohledu za homogenní. Před aplikací oprav i po uplatnění společné opravy na kosinovou chybu existuje statisticky významný rozdíl na hladině významnosti 0,01 mezi mediánovými hodnotami první a druhé části sledovaného období, v těchto případech tedy časovou řadu intenzity EUV záření za homogenní považovat nelze. Podle výsledku Wald-Wolfowitzova testu rovněž neexistuje statisticky významný rozdíl mezi hodnotami opravného faktoru ki-c v prvním a v druhém období, p-hodnota je zde však nižší než v případě opravy na dráhu paprsku ozónosférou. Mann-Whitneyův U test však na hladině významnosti 0,01 prokázal statistickou významnost tohoto rozdílu, proto nelze považovat za homogenní ani časovou řadu intenzity EUV záření po uplatnění aplikace samostatné opravy na kosinovou chybu. -41-

42 Dále byl zkoumán vliv jednotlivých nezávisle proměnných, SZA, TOZ a KG a jeho změny v důsledku aplikace oprav na dráhu paprsku ozónosférou a kosinovou chybu. Ty byly sledovány pomocí lineární regrese, pro každý případ byl stanoven koeficient determinace r 2 (tab. 9.). Tab. 9. Hodnota koeficientu determinace r 2 při proložení lineární funkcí hodnotící závislost opravných faktorů ki, ki-o3, ki-o3c a ki-c na SZA, TOZ, KG v období Nezávisle proměnná k i k i-o3 k i-o3c k i-c SZA 0,1237 0,0004 0,0077 0,0241 TOZ 0,0293 0,0001 0,0005 0,0721 K G 0,0576 0,0172 0,0783 0,0478 Hodnoty koeficientu determinace r 2 byly ve všech případech velmi nízké, lineární regresní závislost vždy vysvětlovala pouze velmi nízký podíl variability hodnot opravných faktorů. Nejnižší hodnoty koeficientu determinace r 2 a tedy nejnižší závislost opravného faktoru ki-o3 na jednotlivých nezávisle proměnných však časová řada intenzity EUV záření vykazovala po provedení opravy na ozón. Po aplikaci společné opravy na kosinovou chybu koeficient determinace r 2 u všech parametrů vzrostl, lineární regrese vysvětlila vyšší podíl variability opravného faktoru ki-o3c a jeho závislost jednotlivých nezávisle proměnných se mírně zvýšila. Po aplikaci samostatné opravy na kosinovou chybu se v porovnání s původními hodnotami opravného faktoru ki koeficient determinace r 2 snížil v případě regresní závislosti ki-c a SZA a a ki-c a KG. V případě TOZ však lze po provedení samostatné opravy na kosinovou chybu pozorovat zvýšení hodnoty koeficientu determinace r 2. Lineární regrese aproximující závislost opravného faktoru ki-c na TOZ tedy vysvětlovala vyšší podíl variability než v případě neupravených dat. To znamená, že provedení samostatné opravy na kosinovou chybu sice snížilo vliv SZA, avšak vliv TOZ byl touto opravou zvýrazněn. V dalším kroku byly vypočítány charakteristiky úrovně a variability opravných faktorů ki, ki-o3, ki-o3c a ki-c pro jednotlivé roky (viz příl. 2). Cílem bylo zkoumat roční mediány a průměry opravných faktorů a jejich možný vývoj v čase. Postupné snižování či zvyšování středních hodnot opravných faktorů by mohlo poukazovat na existenci časové nestability přesnosti měření UV-Biometru. Dále byly sledovány změny roční variability opravných faktorů ki, ki-o3, ki-o3c a ki-c, extrémní hodnoty opravných faktorů a možné souvislosti mezi charakteristikami úrovně a variability opravných faktorů a nezávisle proměnných (KG a TOZ). Nejnižší průměrnou roční chybu (tj. roční průměry opravného faktoru nejblíže hodnotě 1,0) vykazuje ve většině případů časová řada intenzity EUV záření po aplikaci opravy na dráhu paprsku ozónosférou. Nejnižší roční mediánová chyba (tj. roční mediány nejblíže hodnotě 1,0) se v deseti případech vyskytovala po aplikaci opravy na dráhu -42-

43 paprsku ozónosférou a v šesti případech po použití samostatné opravy na kosinovou chybu. Na roční úrovni tedy při použití těchto dvou oprav nedocházelo k systematickému nadhodnocování či podhodnocování intenzity EUV záření. Po aplikaci společné opravy na kosinovou chybu se roční charakteristiky úrovně opravného faktoru ki-c pro každý rok pohybovaly v rozmezí hodnot 0,91 0,96, což znamenalo systematické nadhodnocování intenzity EUV záření z UV-Biometru. Roční mediánové a průměrné hodnoty opravných faktorů ki, ki-o3, ki-o3c a ki-c nevykazovaly s postupujícím časem známky stoupajícího či klesajícího trendu. Roční charakteristiky variability byly nejnižší v případě opravného faktoru ki-o3c. Avšak vzhledem k systematickému nadhodnocování intenzity EUV záření nebylo použití této opravy i přes snížení variability z tohoto pohledu vhodné. Roční směrodatné odchylky opravných faktorů ki-o3 a ki-c se do roku 2004 pohybovaly na přibližně shodné úrovni, jejich maximální rozdíl byl 0,006. V roce 2004 se tento rozdíl zvýšil na 0,02, přičemž od tohoto roku vykazoval opravný faktor ki-o3 vždy nižší variabilitu než opravný faktor ki-c. Největší vliv na redukci extrémních hodnot opravného faktoru měla ze všech použitých oprav aplikace samostatné opravy na kosinovou chybu. Minimální roční hodnoty opravného faktoru ki-c se nejvíce přiblížily hodnotě 1,0 ve 13 z 16 případů. Maximální roční hodnoty se nejvíce blížily hodnotě 1,0 v případě opravného faktoru ki-o3c, to však bylo podmíněno systematickým nadhodnocováním hodnot intenzity EUV záření po provedení společné opravy na kosinovou chybu. Opravný faktor ki-c však vykazoval nižší roční maxima než opravný faktor ki-o3 ve 14 z 16 případů. Souvislost mezi ročními charakteristikami úrovně či variability opravných faktorů ki, ki-o3, ki-o3c a ki-c a ročním průměrem či variabilitou KG nebo TOZ nebyla pozorována (viz příl. 2). Dlouhodobé změny těchto parametrů tedy pravděpodobně nehrají v přesnosti měření UV-Biometru zásadní roli. Shoda mediánové intenzity EUV záření naměřené UV-Biometrem a Brewerovými spektrofotometry v prvním období ( ) byla zkoumána pomocí nástrojů neparametrické statistiky (viz tab. 10). Wilcoxonův párový test ve všech případech prokázal existenci statisticky významného rozdílu na hladině významnosti 0,01 mezi mediánovou intenzitou EUV záření naměřenou UV-Biometrem a Brewerovými spektrofotometry. Přesto je patrné, že oprava na dráhu paprsku ozónosférou značně snížila hodnotu testového kritéria. Mediánové intenzity EUV záření jsou si tedy po aplikaci této opravy nejpodobnější. Provedení společné opravy na kosinovou chybu hodnotu testového kritéria opět zvýšilo, a to tak, že je vyšší než v případě původní řady. Při uplatnění samostatné opravy na kosinovou chybu je hodnota testového kritéria sice poměrně nízká, přesto však vyšší než v případě aplikace opravy na dráhu paprsku ozónosférou. Dosažení úplné shody a neprokázání statisticky významného rozdílu mezi mediánovou intenzitou -43-

44 EUV záření naměřenou Brewerovými spektrofotometry a UV-Biometrem pravděpodobně není vzhledem k odlišnému principu přístrojů možná (viz kapitola 3). Tab. 10. Výsledky Wilcoxonova párového testu hodnotícího míru odlišnosti mediánových hodnot intenzity EUV záření naměřené na SOO-HK Brewerovým spektrofotometrem a UV-Biometrem v období bez aplikace oprav, po provedení opravy na dráhu paprsku ozónosférou, společné opravy na kosinovou chybu a samostatné opravy na kosinovou chybu Oprava / Test -44- Wilcoxonův párový Bez aplikace oprav 89,40 0,00 Oprava na dráhu paprsku ozónosférou 17,52 0,00 Společná oprava na kosinovou chybu 136,79 0,00 Samostatná oprava na kosinovou chybu 34,90 0,00 Z = hodnota testového kritéria p = hodnota určující míru pravděpodobnosti, s jakou hodnoty opravného faktoru k i z první a druhé části časové řady náležejí do stejného základního souboru Oprava na dráhu paprsku ozónosférou časovou řadu intenzity EUV záření naměřenou UV-Biometrem homogenizovala. Takto upravená časová řada je zároveň nejpodobnější časové řadě intenzity EUV záření naměřené Brewerovými spektrofotometry. Po provedení společné opravy na kosinovou chybu docházelo k systematickému nadhodnocování intenzity EUV záření, kombinace opravy na dráhu paprsku ozónosférou a opravy na kosinovou chybu tedy není vhodná. Výsledky samostatné opravy na kosinovou chybu byly lepší, tato oprava ale nebyla schopna eliminovat roční chod opravného faktoru ki-c, a proto ani tato oprava nebyla dále aplikována. 7.3 Analýza změny vlivu nezávisle proměnných na přesnost měření UV-Biometru Časová řada intenzity EUV záření naměřená UV-Biometrem byla s použitím opravy na dráhu paprsku ozónosférou homogenizována. V kapitole 7.2 byla pomocí koeficientu determinace r 2 potvrzena nepřítomnost lineární závislosti mezi opravným faktorem ki-o3 a jednotlivými nezávisle proměnnými (TOZ, SZA, KG), ale nebyla vyloučena možnost nelineárního vztahu mezi těmito nezávisle proměnnými a hodnotou opravného faktoru ki-o3. Pomocí regresní analýzy byl zkoumán vliv TOZ, SZA a KG na hodnotu opravného faktoru ki, resp. ki-o3 před aplikací oprav a po provedení opravy na dráhu paprsku ozónosférou. Obr. 15. potvrzuje značný vliv opravy na dráhu paprsku ozónosférou na vztah opravného faktoru ki-o3 a TOZ. Závislost opravných faktorů ki a ki-o3 na TOZ byla aproximována polynomickou funkcí druhého stupně. Před provedením opravy docházelo Z p

45 spolu s růstem TOZ ke vzrůstajícímu podhodnocování intenzity EUV záření. Při 250 DU se průměrná hodnota opravného faktoru ki pohybovala v blízkosti hodnoty 1,05, což znamená přibližně 5% podhodnocení intenzity EUV záření, zatímco při 450 DU je průměrná hodnota opravného faktoru ki 1,20, což značí již 17% podhodnocení. Po provedení opravy na dráhu paprsku ozónosférou se však polynomická funkce blíží průběhu ki-o3 = 1. Mezi TOZ a hodnotou opravného faktoru ki-o3 tedy neexistuje ani nelineární vztah a téměř veškerá variabilita opravného faktoru způsobená TOZ byla aplikací opravy na dráhu paprsku ozónosférou odstraněna. Obr. 15. Regresní závislost hodnot opravných faktorů ki (modře) a ki-o3 (černě) na TOZ (v DU) s proložením polynomickou funkcí druhého stupně (červeně) v období Aplikace opravy na dráhu paprsku ozónosférou rovněž značně změnila průběh polynomické funkce pátého stupně aproximující vztah mezi hodnotou opravných faktorů ki, resp. ki-o3 a SZA (viz obr. 16.). Změna je patrná při velikostech SZA 50 a vyšších, kdy v případě původních dat docházelo k výraznému podhodnocování naměřené intenzity EUV záření. Zatímco při hodnotách SZA do 50 se průměrná hodnota opravného faktoru ki pohybovala velmi blízko hodnotě 1,0 a k systematickému podhodnocování nedocházelo, při SZA = 70 byla průměrná hodnota opravného faktoru ki přibližně 1,1, což znamenalo 9% podhodnocení intenzity EUV záření. Při SZA = 80 již průměrná hodnota opravného faktoru ki překročila hodnotu 1,3. Průměrné podhodnocení intenzity EUV záření tedy -45-

46 činilo více než 23 %. Po provedení opravy na dráhu paprsku ozónosférou se polynomická funkce aproximující vztah SZA a opravného faktoru ki-o3 výrazně přiblížila průběhu ki-o3 = 1. Tato skutečnost dokládá, že provedení opravy na průchod paprsku ozónosférou významně redukovalo nejen vliv TOZ, ale i část variability opravného faktoru podmíněnou SZA (tj. kosinovou chybou). Vysoký rozptyl a nahuštění hodnot opravného faktoru ki, resp. ki-o3 kolem určitých hodnot SZA (např. 30, 40, 50 ) na obr. 16. je způsoben nastavením časového režimu měření UV záření Brewerovými spektrofotometry, které prováděly měření přednostně v čase, kdy bylo Slunce v určené výšce nad obzorem. Obr. 16. Regresní závislost hodnot opravných faktorů ki (modře) a ki-o3 (černě) na SZA (v úhlových stupních) s proložením polynomickou funkcí pátého stupně (červeně) v období Pomocí aplikace opravy na dráhu paprsku ozónosférou se podařilo částečně redukovat i vliv oblačnosti, tedy KG (viz obr. 17.). Průměrná hodnota opravného faktoru ki se při hodnotách KG do 0,4 blížila hodnotě 1,15, která značila 13% podhodnocení intenzity EUV záření. Oprava na dráhu paprsku ozónosférou však polynomickou funkci druhého stupně aproximující vztah KG a opravného faktoru ki-o3 přiblížila průběhu ki-o3 = 1. Redukce vlivu KG však může být spojena s eliminací vlivu SZA. Ve Střední Evropě připadá maximum oblačnosti na zimní období, roční minima se pak vyskytují v létě (WIBIG, 2008). Z toho vyplývá, že minimální hodnoty KG spadají na zimní období, kdy -46-

47 jsou hodnoty SZA nejvyšší, zatímco minima KG náleží do období, kdy jsou hodnoty SZA nejnižší. Oprava kosinové chyby, která je u UV-Biometru nejvyšší právě při vysokých hodnotách SZA, pak může mít rovněž za následek změnu průběhu funkce aproximující vztah opravného faktoru ki, resp. ki-o3 a koeficientu KG. KG má však vliv zejména na rozptyl hodnot opravného faktoru ki, resp. ki-o3. Při bezoblačném počasí (tedy KG nad 0,75) byl rozptyl hodnot opravného faktoru ki, resp. ki-o3 nejnižší a se snižujícím se KG se zvyšoval. Tato skutečnost může být pravděpodobně vysvětlena rozdílným principem přístroje, kdy UV-Biometr měří 10minutové průměry a Brewerův spektrofotometr skenuje aktuální hodnoty intenzity EUV. Hodnoty opravného faktoru ki, resp. ki-o3 pak mohou být výrazně ovlivněny zejména rychle proměnlivou oblačností. Obr. 17. Regresní závislost hodnot opravných faktorů ki (modře) a ki-o3 (černě) na koeficientu KG s proložením polynomickou funkcí druhého stupně (červeně) na SOO-HK v období Ověření ročního chodu opravného faktoru ki-o3 Jak bylo zjištěno v kapitole 7.1, původní hodnoty opravného faktoru ki vykazovaly výrazný roční chod. Aplikací opravy na dráhu paprsku ozónosférou byl však roční chod opravného faktoru ki-o3 znatelně potlačen. V následující kapitole bude blíže analyzována -47-

48 změna ročního chodu opravného faktoru ki-o3 po uplatnění opravy na dráhu paprsku ozónosférou. Původní hodnoty opravného faktoru ki vykazovaly výrazný roční chod. V letním období se průměrné hodnoty opravného faktoru ki přibližovaly hodnotě 1,05, která představuje 5% podhodnocení intenzity EUV záření, zatímco v zimě tyto hodnoty stoupaly až k hodnotě 1,25, což je 20% podhodnocení. Aplikace opravy na dráhu paprsku ozónosférou roční chod výrazně redukovala a výsledná polynomická funkce aproximující roční chod opravného faktoru ki-o3 se přiblížila průběhu ki-o3 = 1 (viz obr. 18). Přesto je po provedení opravy na dráhu paprsku ozónosférou patrný nevýrazný roční chod opravného faktoru ki-o3. Nejnižší hodnoty opravného faktoru ki-o3 se v průměrném ročním chodu vyskytují na jaře (přibližně den v roce) a na podzim (přibližně den v roce). V těchto obdobích jsou hodnoty opravného faktoru ki-o3 o několik setin nižší než hodnota 1,0. Vlivem provedení opravy tedy došlo k mírnému nadhodnocení intenzity EUV záření (tj. maximálně o 4 %) oproti Brewerovým spektrofotometrům. Nejvyšší hodnoty faktoru ki-o3 zůstávají v průměrném ročním chodu v zimním období, kde se však ve většině případů pohybují do 1,05, což ale představuje pouze 5% podhodnocení intenzity EUV záření. V letním období jsou v průměrném ročním chodu hodnoty opravného faktoru ki-o3 blízké hodnotě 1,0. Oprava na dráhu paprsku ozónosférou rovněž pomohla snížit směrodatnou odchylku průměrných denních hodnot opravného faktoru ki-o3 (obr. 19.). Průměrný roční chod variability opravného faktoru ki-o3 však zůstal velmi podobný průměrnému ročnímu chodu variability původního opravného faktoru ki. Maximální hodnoty směrodatné odchylky se v obou případech vyskytují na začátku a na konci roku, tj. mezi 1. a 90. dnem v roce a přibližně od 300. dne v roce. Minimální hodnoty spadají do letního období, a to přibližně mezi 120. a 185. den v roce. Důvodem vysoké variability opravného faktoru ki-o3 v zimních měsících může být proměnlivá oblačnost, která má z důvodu odlišného principu měření intenzity EUV u Brewerových spektrofotometrů a UV-Biometru na variabilitu opravných faktorů ki, resp. ki-o3 značný vliv. Extrémní hodnota směrodatné odchylky i průměrné hodnoty opravného faktoru ki, resp. ki-o3 pro 249. den v roce byla způsobena faktem, že tento den ( ) proběhlo pouze jediné přiřaditelné měření intenzity EUV, a to v časných ranních hodinách při vysokém zenitovém úhlu Slunce (cca 75 ). Toto měření se tudíž stalo průměrnou denní hodnotou faktoru ki pro 249. den roku 2007 a v celkovém ročním chodu způsobilo pozorovaný extrém. -48-

49 Obr. 18. Průměrný roční chod hodnot opravných faktorů ki (modře) a ki-o3 (černě) s proložením polynomickou funkcí pátého stupně (červeně) na SOO-HK v období Obr. 19. Průměrný roční chod směrodatných odchylek hodnot opravných faktorů ki (světle modře) a ki-o3 (šedě) s proložením polynomickou funkcí pátého stupně (červeně) na SOO-HK v období

50 7.5 Hodnocení časové stability UV-Biometru Pro hodnocení časové stability UV-Biometru bylo využito meziročních změn charakteristik úrovně a variability opravného faktoru ki-o3 (viz příl. 2). Proměnlivost ročních mediánových hodnot opravného faktoru ki-o3 a ročních směrodatných odchylek byla zkoumána porovnáním těchto hodnot s mediánem a směrodatnou odchylkou opravného faktoru ki z roku 2012, kdy již probíhalo vyhodnocování měřených hodnot EUV záření podle nové metodiky. Na datech z tohoto roku nebyly provedeny žádné opravy, proto byl rok 2012 zvolen jako referenční období. Z tab. 11. vyplývá, že se jednotlivé roční mediánové hodnoty opravného faktoru ki-o3 liší od roční mediánové hodnoty z roku 2012 jen v řádu prvních procent a není patrný žádný dlouhodobý trend. Hodnoty roční směrodatné odchylky opravného faktoru ki-o3 se mění výrazněji, avšak lineárně vzrůstající či klesající variabilita nebyla v průběhu období zaznamenána. Dlouhodobou stabilitu přístroje dokládají rovněž okamžité i průměrné denní hodnoty opravného faktoru ki-o3 prezentované na obr. 13. a obr. 14. v kapitole 7.2, které nevykazují možnost lineárního trendu. Tab. 11. Procentuální podíl roční mediánové hodnoty a směrodatné odchylky opravného faktoru ki-o3 z roku 2012 v jednotlivých letech v období na SOO-HK Rok Podíl mediánu z r [%] Podíl směrodatné odchylky z r [%] ,28 98, ,12 109, ,54 111, ,12 105, ,89 105, ,87 104, ,34 105, ,40 69, ,73 69, ,50 83, ,01 93, ,28 99, ,81 112, ,99 97, ,12 91, ,06 89, ,00 100,00-50-

51 8 DISKUSE Úkolem této práce byla homogenizace časové řady EUV záření naměřené Robertson- Bergerovým UV-Biometrem na SOO-HK. Zpracovávaná časová řada intenzity EUV záření z období nebyla zcela kontinuální. Vyskytovala se v ní až šest měsíců dlouhá období bez měření, nejdelší z nich byla 1. polovina roku K těmto přerušením došlo v důsledku technických problémů v období, kdy na SOO-HK nebyl k dispozici záložní UV-Biometr. Chybějící údaje však nepředstavovaly pro homogenizaci řady významný problém, například Vilaplana a kol. (2006) sestavili závěry ohledně přesnosti měření širokopásmového radiometru v porovnání se spektrofotometrem s použitím devíti dnů měření. Na základě výsledků práce bylo zjištěno, že před provedením oprav v období leden 1996 červenec 2011 UV-Biometr významně podhodnocoval intenzitu EUV záření. Podhodnocení bylo nejvýraznější v zimním období, kdy hodnoty SZA dosahují v ročním chodu minima. Průměrné denní hodnoty opravného faktoru ki se v zimním období pohybovaly kolem 1,25. To v porovnání s Brewerovými spektrofotometry znamená 20% podhodnocení intenzity EUV záření. V letním období, kdy SZA dosahuje ročního maxima, byla intenzita EUV záření naměřená UV-Biometrem podhodnocena v průměru o necelých 5 %. Obdobně i Seckmeyer a Mayer (1996) ve své práci zjistili, že při vyšších SZA mají širokopásmové přístroje tendenci výrazněji podhodnocovat intenzitu EUV záření naměřenou shodně umístěným spektrofotometrem. K podobným závěrům došli také Kimlin a kol. (2005), kteří porovnávali měření podobně lokalizovaných širokopásmových radiometrů a Brewerových spektrofotometrů v USA, avšak vzhledem k tomu, že jejich přístroje nebyly umístěny zcela shodně, měly na jejich měření vliv i faktory jako rozdílná nadmořská výška či charakter terénu. Systematické podhodnocování intenzity EUV záření a výrazný roční chod však nebyly patrné v posledním zkoumaném období měření, tj Průměrná hodnota opravného faktoru ki byla v tomto období 1,004, mediánová hodnota 0,995. Taktéž nebyl pozorován výrazný roční chod hodnot opravného faktoru ki a jejich variabilita byla nižší (směrodatná odchylka byla v porovnání s prvním obdobím časové řady EUV záření přibližně o 19 % nižší). Dle sdělení pracovníků SOO-HK byla v období na data naměřená UV-Biometrem provozně používaná oprava na dráhu paprsku ozónosférou a oprava na kosinovou chybu. Tato část časové řady byla tedy ponechána ve své původní podobě. Nejvhodnější opravou pro měření UV-Biometru v období se ukázala oprava na dráhu paprsku ozónosférou (viz příl. 1). Průměrná chyba zde činila 0,03 %, mediánová chyba 0,26 %. Aplikace opravy dokázala potlačit nejen účinek TOZ, ale do značné míry i vliv SZA. Koeficient determinace r 2 pro lineární závislost hodnoty -51-

52 opravného faktoru ki-o3 na těchto proměnných se v obou případech přibližuje nule (0,0004 v případě SZA, resp. 0,0001 v případě celkového ozónu), nebyla zjištěna ani nelineární závislost hodnoty opravného faktoru ki-o3 na některé z nezávisle proměnných. Použití opravy na dráhu paprsku ozónosférou dokázalo účinně odstranit také výše zmíněný výrazný roční chod opravného faktoru ki, po provedení opravy v průměrném ročním chodu nepřesahovala maximální chyba měření UV-Biometru 5 %. Roční chod hodnot opravného faktoru ki byl pravděpodobně způsoben změnami v SZA a TOZ, které byly rovněž podle Bodhaine a kol. (1998) nejvýznamnějšími faktory ovlivňujícími přesnost měření UV-Biometru. Reziduální variabilita, která byla v průměrném ročním chodu opravného faktoru ki-o3 i přes odstranění vlivu SZA a TOZ pozorována, mohla být způsobena jinými proměnnými. Například může existovat závislost přesnosti měření širokopásmových radiometrů na teplotě vzduchu či na vlhkosti uvnitř přístroje (MORYS, BERGER, 1993; SECKMEYER a kol., 2006). Pomocí vztahu ročního chodu oblačnosti a SZA oprava na dráhu paprsku ozónosférou částečně potlačila i vliv oblačnosti, v této práci reprezentované koeficientem KG. I po aplikaci opravy byl patrný zvyšující se rozptyl hodnot opravného faktoru ki-o3 při snižujících se hodnotách KG, tj. zvyšujícím se množství oblačnosti. Nejnižšího rozptylu hodnot faktoru ki-o3 bylo dosaženo při KG vyšším než 0,75, což odpovídá velmi nízkému množství oblačnosti. K podobnému závěru došli Mayer a Seckmeyer (1996), kteří pozorovali za bezoblačného počasí nižší rozptyl opravných koeficientů vypočítaných z měření spektrofotometru a širokopásmového radiometru. Důvodem zvýšeného rozptylu opravného faktoru ki-o3 při nižších hodnotách KG je pravděpodobně samotný princip měření obou přístrojů (viz kapitola 3). Zatímco Brewerův spektrofotometr měří aktuální intenzity UV záření, UV-Biometr zjišťuje jejich 10minutové průměry. Zejména v obdobích se značnou proměnlivostí oblačnosti tedy může docházet k vysokým odchylkám mezi měřeními obou přístrojů. Po provedení opravy na dráhu paprsku ozónosférou byla pozorována poměrně vysoká úroveň podobnosti mediánové intenzity EUV záření naměřené UV-Biometrem a Brewerovými spektrofotometry, avšak stále existoval statisticky významný rozdíl na hladině významnosti 0,01. Bylo rovněž zjištěno, že mediánové hodnoty opravného faktoru ki-o3 jsou konzistentní v celém sledovaném období včetně toho, kde již byly aplikovány opravy pracovníky ČHMÚ ( ). Celá časová řada je po aplikaci opravy na dráhu paprsku ozónosférou považována za homogenní. Aplikace opravy na kosinovou chybu se v kombinaci s opravou na dráhu paprsku ozónosférou ukázala jako zcela nevhodná. I když po aplikaci této opravy variabilita opravného faktoru ki-o3c poklesla o 3,4 %, výsledná intenzita EUV záření byla v porovnání s Brewerovými spektrofotometry značně nadhodnocená, průměrná i mediánová chyba -52-

53 přesnosti měření UV-Biometru činila 6,3 %. Po provedení samostatné opravy na kosinovou chybu nebyl ani přibližně eliminován roční chod hodnot opravného faktoru ki-c. I když mediánová chyba přesnosti měření UV-Biometru činila pouze 0,08 %, v zimním období dosahovaly střední hodnoty denní chyby až k 15 %. Seckmeyer a kol. (2006) a Bodhaine a kol. (1998) tvrdí, že přesnost měření UV-Biometru závisí i na TOZ. Do rovnice samostatné opravy na kosinovou chybu však vstupuje pouze SZA a proto tato oprava nemůže postihnout závislost přesnosti měření přístroje na TOZ. Samostatná oprava na kosinovou chybu je vhodná pouze v tom případě, pokud neexistují informace o TOZ pro místo a čas měření. S tímto výsledkem se rovněž shodují závěry Vilaplany a kol. (2006), kteří tvrdí, že nejvhodnější metodou kalibrace širokopásmových radiometrů podle měření spektrofotometrů je aplikace tabulky obsahující kombinaci vlivů SZA a TOZ. Taktéž Cancillo a kol. (2007) využili podobné kalibrační tabulky, k nejlepším výsledkům však dospěli vynásobením opravného faktoru získaného z tabulky a absolutního kalibračního faktoru pro měření širokopásmového radiometru a spektrofotometru. Přesnost měření některých UV-Biometrů trpí značnou nestabilitou v čase. Roční mediánové hodnoty opravného faktoru ki-o3 studovaného v této práci se však měnily pouze v řádu prvních procent a nevykazovaly známky stoupajícího či klesajícího trendu přesnosti měření UV-Biometru používaného na SOO-HK. Časovou nestabilitu přesnosti měření UV-Biometrů popisují na příkladu některých amerických časových řad z konce 70. a začátku 80. let například Weatherheadová a kol. (1997) a DeLuisi a kol. (2003). Uvedení autoři došli k závěru, že problémy byly zapříčiněny zejména nevhodnými metodami kalibrace přístrojů. Přesnost měření UV-Biometru používaného na SOO-HK lze však považovat za dlouhodobě stabilní a přístroj samotný za kalibrovaný ve shodě se správnými postupy. -53-

54 9 ZÁVĚR Cílem této práce bylo homogenizovat časovou řadu erytémového UV záření naměřenou v Hradci Králové Robertson-Bergerovým UV-Biometrem pomocí hodnot naměřených na stejné lokalitě Brewerovými spektrofotometry č. 098 a č Nejvhodnější opravu časové řady intenzity EUV záření naměřené UV-Biometrem představovala oprava na dráhu paprsku ozónosférou, která sestávala z aplikace tabulky obsahující dvě proměnné: celkový ozón a zenitový úhel Slunce. Provedení této opravy dokázalo minimalizovat průměrnou i mediánovou chybu měření UV-Biometru, rovněž byl potlačen i roční chod opravného faktoru vypočítaného jako podíl intenzity EUV záření naměřené Brewerovým spektrofotometrem a UV-Biometrem. Oprava na dráhu paprsku ozónosférou by tedy mohla být využita i pro další časové řady intenzity EUV záření naměřené standardními UV-Biometry v rámci pozorovací sítě Českého hydrometeorologického ústavu. Kombinace opravy na dráhu paprsku ozónosférou a opravy na kosinovou chybu se ukázala být nevhodná, vzhledem k tomu, že způsobila značné nadhodnocení intenzity EUV záření naměřené UV-Biometrem. Samostatná aplikace opravy na kosinovou chybu výrazně snížila mediánovou i průměrnou chybu měření UV-Biometru, avšak nedokázala odstranit roční chod opravného faktoru. Tato oprava je považována za vhodnou pouze v tom případě, kdy pro časovou řadu intenzity EUV záření neexistují korespondující měření celkového ozónu. Přesnost měření UV-Biometru však vykazuje i přes provedení opravy reziduální variabilitu. Část této proměnlivosti je podmíněna množstvím oblačnosti, bylo zjištěno, že při proměnlivém či vysokém množství oblačnosti je přesnost měření UV-Biometru vzhledem k Brewerovým spektrofotometrům značně variabilní. Důvodem je princip měření přístrojů, kdy spektrofotometr měří aktuální intenzitu EUV záření, kdežto UV-Biometr její 10minutové průměry. Dalším možným faktorem ovlivňujícím zbytkovou variabilitu přesnosti měření UV-Biometru by mohla být teplota vzduchu či vlhkost uvnitř přístroje, v dalším postupu práce s analyzovanou časovou řadou intenzity EUV záření by měl být brán na tyto možné vlivy zřetel. Závěrem lze říci, že homogenizovaná časová řada intenzity EUV záření naměřená UV-Biometrem na Solární a ozónové observatoři Hradec Králové by mohla být dále využita ve zkoumání vlivu jednotlivých nezávisle proměnných, tedy zenitového úhlu Slunce, celkového ozónu a množství oblačnosti, na intenzitu dopadajícího EUV záření. Pomocí těchto vztahů by rovněž bylo možné rekonstruovat intenzitu EUV záření v obdobích, kdy neprobíhalo měření UV-Biometru. -54-

55 SEZNAM LITERATURY Knihy a časopisy ANTÓN, M Influence of the relative optical air mass on untraviolet erythemal irradiance. Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, 2009, roč. 71, č , s BAIS, A. F., a kol. (2007). Surface ultraviolet radiation: Past, present and future. Chapter 7. In WMO: Scientific Assessment of Ozone Depletion: Ženeva: Světová meteorologická organizace, s BODHAINE, B., a kol Calibrating Broadband UV Instruments: Ozone and Solar Zenith Angle Dependence. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology, 2008, roč. 15, č. 4, s CANCILLO, M. L. a kol Improving the solar zenith angle dependence of broadband UV radiometers calibration. Atmospheric Chemistry and Physic Discussions, 2007, roč. 7, s COST Long term changes and climatology of UV radiation over Europe. Lucemburk: Publication Office of the European Union, s. ISBN DAHLBACK, A Global monitoring of atmospheric ozone and solar UV radiation. Oslo: The Norwegian Academy of Science and Letters, 2008, 12 s. ISBN DELUISI, J. a kol On the correspondence between surface UV observations and TOMS determinations of surface UV: a potential method for quality evaluating world surface UV observations. Annals of Geophysics, 2003, roč. 46, č. 2, s DIFFEY, B. L Sources and Measurement of Ultraviolet Radiation. Methods, 2002, roč. 28, č. 1, s FEISTER, U. a kol A Method for Correction of Cosine Errors in Measurements of Spectral UV Irradiance. Solar Energy, 1997, roč. 60, č. 6, s KENNEDY, B. C., SHARP, W. E A validation study of the Robertson-Berger Meter. Photochemistry and Photobiology, 1992, roč. 56, č. 1, s KERR, J. B., a kol. (2003). Surface ultraviolet radiation: Past and future. Chapter 5. In WMO/UNEP: Assessment of Ozone Depletion: Ženeva: Světová meteorologická organizace, s KIMLIN, M. G. a kol Comparison of ultraviolet data from colocated instruments from the U. S. EPA Brewer Spectrophotometer Network and the U. S. Department of -55-

56 Agriculture UV-B Monitoring and Research Program. Optical Engineering, 2005, roč. 44, č. 4, s KRZYŚCIN, J. W. a kol Factors affecting solar UV radiation changes: a study of the new Robertson-Berger meter (UV-biometrr model 501 A) and Brewer data records taken at Belsk, Poland, Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, 1997, roč. 59, č. 10, s KRZYŚCIN, J. W. a kol Long term variations of the UV-B radiation over Central Europe as derived from the reconstructed UV time series. Annales Geophysicae, 2004, roč. 22, č. 5, s LUCAS, R. a kol Solar Ultraviolet Radiation: Global burden of disease from solar ultraviolet radiation. Ženeva: World Health Organization Publications, 2006, 250 s. ISBN MARTIN, T. J. a kol Uncertainities in satellite-derived estimates of surface UV doses. Journal of Geophysical Research, 2000, roč. 105, č. D22, s MCPETERS, R Monitoring Surface UV-B Radiation from Space. NATO ASI Series, 1994, roč. 18, s MELETI, C. a kol Factors affecting solar ultraviolet irradiance measured since 1990 at Thessaloniki, Greece. International Journal of Remote Sensing, 2009, roč. 30, č , s MUSIL, C. F. a kol All-weather calibration of broadband (Robertson-Berger type) meters for ozone dependency. South African Journal of Science, 2002, roč. 98, č. 7-8, s PODSTAWCZYŃSKA, A UV and global solar radiation in Łódź, Central Poland. International Journal of Climatology, 2010, roč. 30, č. 1, s REICHRATH, J., NÜRNBERG, B. (2008). Understanding positive and negative effects of solar UV-radiation: A challenge and a fascinating perspective. In: BJERTNESS, E. ed. Solar Radiation and Human Health Oslo: The Norwegian Academy of Science and Letters, s SECKMEYER, G., MAYER, B All-weather comparison between spectral and broadband (Robertson-Berger) UV measurements. Photochemistry and photobiology, 1996, roč. 64, č. 5, s SECKMEYER. G. a kol Variability of UV Irradiance in Europe. Photochemistry and Photobiology, 2008, roč. 84, č. 1, s

57 STUDER, S. a kol A climatology of the diurnal variations of stratospheric and mezospheric ozone over Bern, Switzerland. Atmospheric Chemistry and Physics Discussions, 2013, roč. 13, s THODE, H. C Testing for normality. New York: Marcel Dekker, Inc., 2002, 484 s. ISBN VANÍČEK, K Solární a ozónová observatoř Hradec Králové Praha: Nakladatelství Český hydrometeorologický ústav, 2001, 38 s. ISBN VANÍČEK, K. a kol, UV-Index pro veřejnost. Publikace projektu COST-713, Praha: Nakladatelství Český hydrometeorologický ústav, 2001, 35 s. VANÍČEK, K Calibration History of the Dobson 074 and Brewer 098 ozone spectrophotometers. Praha: Nakladatelství Český hydrometeorologický ústav, 2003, 69 s. ISBN VANÍČEK, K. a kol Dlouhodobé změny ozonové vrstvy nad územím České republiky. Praha: Nakladatelství Český hydrometeorologický ústav, 2012, 70 s. ISBN VANÍČEK, K. a kol Upgrade technologických zařízení pro monitoring ozonové vrstvy a UV slunečního záření na území ČR. Meteorologické zprávy, 2014, roč. 67, č. 1, s VILAPLANA, J. M. a kol Modified Calibration Procedures for a Yankee Environmental System UVB-1 Biometer Based on Spectral Measurements with a Brewer Spectrophotometer. Photochemistry and Photobiology, 2006, roč. 82, č. 2, s WANG, P. a kol Validation of an UV inversion algorithm using satellite and surface measurements. Journal of Geophysical Research, 2000, roč. 105, č. D4, s WEATHERHEAD, E. C. a kol Analysis of long-term behavior of ultraviolet radiation measured by Robertson-Berger meters at 14 sites in the United States. Journal of Geophysical Research, 1997, roč. 102, č. D7, s WEBB, A. R., GROBNER, J., BLUMTHALER, M A Practical Guide to Operating Broadband Instruments Measuring Erythemally Weighted Irradiance. Lucemburk: Office for Official Publications of the European Communities, 2006, 21 s. ISBN WIBIG, J Cloudiness variations in Łódź in the second half of the 20th century. International Journal of Climatology, 2008, roč. 28, č. 4, s XU, G., HUANG, X Characterization and calibration of broadband ultraviolet radiometers. Metrologia, 2000, roč. 37, č. 3, s

58 Elektronické zdroje Canadian Centre for Occupational Health and Safety Ultraviolet Radiation [online]. c2013, [cit. 20. ledna 2014]. Dostupný z WWW: < Cost Action 726. Long term changes and climatology of UV radiation over EUROPE [online]. c2014, [cit. 20. ledna 2014]. Dostupný z WWW: < Kipp & Zonen. Brewer MkIII Spectrophotometer [online]. c2014, [cit. 2. února 2014]. Dostupný z WWW: < Brochure>. Kipp & Zonen. Brewer MkIII Spectrophotometer Operators Manual [online]. c2014, [cit. 2. února 2014]. Dostupný z WWW: < MkIII-Operator-s-Manual-for-Single-Board>. Leibnitz Universität Hannover. European UV Database [online]. c2004, [cit. 10. dubna 2014]. Dostupný z WWW: < MORYS, M., BERGER, D The accurate measurements of biologically effective ultraviolet radiation. c2013, [cit. 24. března 2014]. Dostupný z WWW: < SECKMEYER, G. a kol Instruments to Measure Solar Ultraviolet Radiation Part 1: Spectral Instruments. Geneva: Global Atmosphere Watch, World Meteorological Organization. c2014, [cit. 28. ledna 2014]. Dostupný z WWW: < SECKMEYER, G. a kol Instruments to Measure Solar Ultraviolet Radiation Part 2: Broadband Instruments Measuring Erythemally Weighted Solar Irradiance. c2014, [cit. 28. ledna 2014]. Dostupný z WWW: <ftp://ftp.wmo.int/documents/publicweb/arep/gaw/final_gaw164_bookmarks_17jul.pdf>. SECKMEYER, G. a kol. 2010a. Instruments to Measure Solar Ultraviolet Radiation Part 3: Multi-channel filter instruments. Geneva: Global Atmosphere Watch, World Meteorological Organization. c2011, [cit. 28. ledna 2014]. Dostupný z WWW: < SECKMEYER, G. a kol. 2010b. Instruments to Measure Solar Ultraviolet Radiation Part 4: Array Spectroradiometers. Geneva: Global Atmosphere Watch, World Meteorological Organization. c2011, [cit. 28. ledna 2014]. Dostupný z WWW: < -58-

59 University of Chicago. Spectrophotometry [online]. c2012, [cit. 14. dubna 2014]. Dostupný z WWW: < VANÍČEK, K Report of Ongoing and Planned Ozone Research and Monitoring Activities in the Czech Republic. c2011, [cit. 14. dubna 2014]. Dostupný z WWW: < WHO Fact Sheet No 227: Solar radiation and human health. c2006, [cit. 28. února 2014]. Dostupný z WWW: < World Ozone and Ultraviolet Radiation Data Centre (WOUDC). WOUDC Home [online]. c2012, [cit. 15. února 2014]. Dostupný z WWW: < -59-

60 SEZNAM ZKRATEK C(θ) - kosinová korekce pro úhel dopadu záření θ CIE - mezinárodní komise pro osvětlování CLIDATA - klimatická databáze Českého hydrometeorologického ústavu COST - Evropská spolupráce ve vědeckém a technickém výzkumu ČHMÚ - Český hydrometeorologický ústav DU - Dobsonova jednotka E - intenzita záření EUV záření - erytémové ultrafialové záření EUV BRE - intenzita erytémového ultrafialového záření měřená Brewerovým spektrofotometrem EUV BIO - intenzita erytémového ultrafialového záření měřená UV-Biometrem EUVDB - Evropská databáze ultrafialového záření GAW program Globální sledování atmosféry GLB - globální záření, GLB h - průměrná hodinová intenzita globálního záření IR záření - infračervené záření K-S test - Kolmogorov-Smirnovův test K(θ) - kosinová chyba pro úhel dopadu záření θ k cos - multiplikační koeficient opravy na kosinovou chybu K G - koeficient propustnosti atmosféry, angl. clearness index k o3 - multiplikační koeficient opravy na dráhu paprsku ozónosférou k i - opravný faktor, podíl intenzity erytémového ultrafialového záření naměřeného Brewerovým spektrofotometrem a UV-Biometrem k i-o3 - opravný faktor po aplikaci opravy na dráhu paprsku ozónosférou k i-o3c - opravný faktor po aplikaci společné opravy na kosinovou chybu k i-c - opravný faktor po aplikaci samostatné opravy na kosinovou chybu MED - minimální erytémová dávka Q-Q graf - kvantil-kvantilový graf r 2 - koeficient determinace S-W test - Shapiro-Wilkovův test S 0 - extraterestrické záření, S 0h - průměrná hodinová intenzita extraterestrického záření SEČ - středoevropský čas SED - standardní erytémová dávka SOO-HK - Solární a ozónová observatoř Hradec Králové SZA - zenitový úhel Slunce TOMS - Total Ozone Mapping Spectrophotometer TOZ - celkový ozón UNEP - Program Organizace spojených národů pro životní prostředí UTC světový čas WHO - Světová zdravotnická organizace WMO - Světová meteorologická organizace WOUDC - Světové datové centrum ozónu a ultrafialového záření WODC - Světové datové centrum ozónu WUDC - Světové datové centrum ultrafialového záření X(θ) - poměr E(θ) a E (0 ).cos(θ) θ - úhel dopadu záření λ - vlnová délka -60-

61 SEZNAM PŘÍLOH PŘÍLOHA 1 Tabulka opravných multiplikačních koeficientů pro různé hodnoty celkového ozónu (TOZ) v Dobsonových jednotkách a z zenitového úhlu Slunce (SZA) ve stupních pro radiometry typu UV-Biometer Solar Light 501 dle WEBB, GROBNER, BLUMTHALER (2006). PŘÍLOHA 2 Charakteristiky úrovně a variability opravných faktorů ki, ki-o3, ki-o3c a ki-c, TOZ a KG na SOO-HK pro jednotlivé roky v období

62 PŘÍLOHA 1 Tabulka opravných multiplikačních koeficientů pro různé hodnoty celkového ozónu (TOZ) v Dobsonových jednotkách a z zenitového úhlu Slunce (SZA) ve stupních pro radiometry typu UV-Biometer Solar Light 501 dle WEBB, GROBNER, BLUMTHALER (2006).