10. Вимірювання вмісту озону в атмосфері

10.1 Загальні відомості.

Молекула озону складається з трьох атомів кисню (О₃). В атмосфері озон виявляється на всіх трьох висотах до 70 км, але основна кількість його знаходиться на висоті від 20 до 55 км над поверхнею Землі.

Озон інтенсивно поглинає сонячну радіацію в багатьох ділянках спектру, за рахунок цього верхні шари атмосфери, які містять озон, нагріваються значно більше інших. Поглинаючи біологічно активні ультрафіолетові випромінення Сонця, озон служить захистом від їхнього шкідливого впливу на живі організми і забезпечує нормальний розвиток біологічних процесів на Землі. Таким чином, озон відіграє велику роль в метеорологічних і багатьох інших процесах нашої планети.

Кількість озону в атмосфері характеризується загальним вмістом озону. Ця величина виражається в міліметрах товщини шару озону, який міститься у вертикальному стовпі атмосфери за нормальних умов (1013,2 мбар; 0°С). Кількість озону в атмосфері і його розподіл по висоті характеризують також товщиною шару озону, віднесеної до товщини шару атмосферного повітря висотою 1 км, приведеного до нормальних атмосферних умов, а виражають в міліметрах на кілометр.

Загальний вміст озону в атмосфері не перевищує 60 мм. Розподіл озону в атмосфері залежить від широти місця, часу року і від стану самої атмосфери.

На деяких метеорологічних станціях вимірюють кількість озону в атмосфері. Вимірювання проводять за допомогою озонометра з інтенсивності поглинання озоном сонячної радіації в денний час, за прямим сонячним випромінюванням, за розсіяним випромінюванням неба і хмар в зеніті, а в нічний час за випроміненням (відбитому) місяцю.

10.2 Вимірювання озону за допомогою універсального озонометра м-83.

Універсальний озонометр М-83, розроблений Гущиним Г.П., складається з фотометра, вимірювального пульту і блоку живлення (рис.10.1). Процес вимірювання складається з вимірювання по черзі інтенсивності ультрафіолетового випромінення в смузі поглинання озону і поза цієї смуги.

Рис.10.1 Універсальний озонометр М-83: а – пульт; б – фотометр; в – блок живлення.

Оптична схема фотометра має два ідентичних оптичних канали: один (лівий) використовується для вимірювання за Сонцем, інший (правий) – для вимірювання за Місяцем і зеніту неба (рис.10.2).

Радіація з атмосфери, обмежена діафрагмами 1 і 3 тубуса, проходить через захисну кварцову пластинку 2 і світлофільтри 4, вмонтовані в непрозорий диск 6, і попадає (в залежності від положення світлофільтра) на вікно фотоелемента 9 або на фотомножник 10. Рис.10.2 Оптична схема фотометра: 1 і 3 – діафрагми; 2 – кварцова пластинка; 4 – світлофільтр; 5 – вісь; 6 – диск; 7 – ковпачок; 8 – лампочка; 9 – фотоелемент; 10 – фотомножник.

При повороті диску 6 (рукояткою осі 5) один з світлофільтрів 4 установлюється проти фотоелемента 9 (при цьому канал до фотомножника перекритий диском 6) або проти фотомножника 10 (фотоелемент перекритий диском). Лампочка 8 при контрольних вимірюваннях служить джерелом радіації, освітлюючи через щілини ковпачка 7 фотоелемент і фотомножник.

В диску 6 установлені три світлофільтри. Один для пропускання променів світла з довжиною хвилі в області смуги поглинання озону з максимумом пропускання 314 Нм і два для хвиль поза смуги поглинання озону з максимумом пропускання 369 і 530 Нм (останній використовується при контрольних вимірюваннях). В нових моделях озонометра установлені фільтри з полосою пропускання 306, 330 і 356 Нм. На передній стінці корпусу фотометра (рис.10.2) закріплені приймальні тубуси двох оптичних каналів фотометра (тубуси закриваються знімальними ковпачками). Під ними знаходиться рукоятка, за допомогою якої повертають диск з світлофільтрами. Корпус фотометра установлений в скобі триноги. Фотометр установлюють за рівнем за допомогою трьох опорних гвинтів триноги. Фотометр при вимірюванні наводять тубусами на Сонце, Місяць або в зеніт, обертаючи головки двох мікрометрених пристроїв, плавно повертаючи його корпус в горизонтальній і вертикальній площинах, груба наводка робиться від руки (відмикаючи мікрометренні механізми повороту корпусу натиском їх головок).

На верхній частині корпусу фотометра закріплений візир з ціликом для наведення приладу (на Сонце чи Місяць).

На нижній стінці корпусу закріплені штепсельні гнізда кабелів для підключення датчика до вимірювального пульта і блоку живлення.

Показання приладу залежать від температури фотометра (головним чином від температури його світлофільтрів), тому температура вимірюється термометром, який знаходиться всередині корпусу, і враховується при обробці результатів вимірювань.

На рис.10.3 наведена принципова електрична схема озонометра.

Фотометр містить фотомножник , на який направляється радіація при нічних (світло місяця) і денних (по ясному і хмарному зеніту) вимірюваннях, і фотоелемент , на який направляється радіація при денних вимірюваннях по прямому випроміненню Сонця. Фотоелемент підключений до підсилювача постійного струму, який виконаний на лампі . Підсилення регулюється за допомогою перемикача , що вмикає послідовно фотоелементу той чи інший опір . При цьому змінюється коефіцієнт підсилення.

Лампа розжарення служить джерелом випромінення при контрольних вимірюваннях. Фотометр за допомогою кабелів зі штепсельними гніздами і з’єднується з вимірювальним пультом, а і - з блоком живлення. У вимірювальному пульті є вимірювальний прилад (мікроамперметр, що використовується також при контролі напруги живлення), тумблери і перемикачі , які служать для увімкнення приладу у вимірювальні ланцюги фотоелемента, фотомножника або в ланцюги живлення при контролі напруги, а також для увімкнення живлення від батарей , . Потенціометр дозволяє установлювати нуль у вимірювальному

ланцюзі, а потенціометри , і - установлювати напругу живлення анодних і розжарених ланцюгів за номіналами, вказаними в паспорті приладу.

Рис.10.3 Електрична схема озонометра М-83.

Блок живлення містить батареї і для живлення фотомножника і ламп (розташованою всередині фотометра) і (зовнішньої), підключеної через гніздо . За допомогою тумблерів робиться увімкнення живлення і замикання вимірювальних ланцюгів.

Мікроамперметр служить для контроля напруги живлення і проведення вимірювань. Напруга живлення регулюється реостатами і .

Вимірювальний пульт і блок живлення змонтовані в металевих корпусах з верхніми лицьовими панелями, які закриваються кришками (рис.10.2). На панелі пульту знаходяться мікроамперметр, годинник і рукоятки чотирьох тумблерів і двох потенціометрів, призначення яких вказують надписи на панелі.

На панелі блоку живлення знаходяться мікроамперметр і рукоятки тумблерів, і потенціометрів для увімкнення живлення контролю напруги та його регулювання. На панелі біля рукояток є надписи, що вказують їхнє призначення.

На задніх стінках пульту і блоку живлення закріплені штепсельні гнізда для підключення з’єднувальних кабелів.

Вимірювання озону проводиться щогодини, при висотах Сонця і Місяця не менше 10°.

Вимірювання за Сонцем проводяться в ясні дні при наявності хмар з розривами, а також коли Сонце просвічує крізь пір'ясті хмари, а за випроміненням Місяця – в ясні ночі, коли видно більше половини диску Місяця. Вимірювання не проводяться при метеорологічній дальності видимості менше 4 км, при опадах і при швидкостях вітру більше 15 м/с.

При вимірюваннях по черзі визначаються показання приладу з фільтрами в смузі поглинання озону і з фільтром поза смуги поглинання (кожне значення визначається як середнє з трьох вимірювань).

Обробка даних вимірювань робиться за допомогою спеціальних номограм за обчисленими значеннями і по висоті Сонця (Місяця). - коефіцієнт, що визначається при градуюванні озонометра і залежить від температури озонометра (його значення наводяться в паспорті озонометра).

Систематично (чотири рази на місяць) проводяться контрольні вимірювання. Для цієї мети використовуються лампочки і (рис.10.3). Внутрішня лампа закрита ковпачком, що має два отвори. Через менший можна освітлити фотомножник, а через більший - фотоелемент. Зовнішня лампа змонтована в тубусі 1, який вставляється в тубус 2 (попередньо з тубусу вигвинчується діафрагма). За допомогою зовнішньої лампи проводиться контроль всього озонометра. Контрольні вимірювання проводять у приміщенні з стійким температурним режимом не раніше ніж після двохгодинного перебування в ньому озонометра.

Повторні повірки озонометра повинні проводитися не рідше ніж один раз в 2 роки.