Главная
Деятельность
Геофизический мониторинг
Мониторинг общего содержания озона и УФ-освещенности

Мониторинг общего содержания озона и ультрафиолетовой освещенности

Введение

Озон (О₃) - одна из наиболее важных составляющих земной атмосферы. Наиболее ценное его свойство – способность поглощать опасное для живых организмов ультрафиолетовое излучение Солнца в диапазоне длин волн 230-290 нм.

Главная полоса поглощения озона – полоса Хартли (рисунок 1). Максимальное поглощение у нее достигается на длине волны в 255 нм. И именно на эту длину волны приходится максимум поражения генетического аппарата у живых организмов. Поглощение в полосах Хартли приводит к обрыву солнечного спектра на поверхности Земли при длинах волн меньше 290 нм, что очень важно для защиты жизни на нашей планете от коротковолновых излучений.

Рисунок 1 – Полосы поглощения атмосферного озона

При длинах волн более 300 нм к полосам Хартли примыкают более слабые полосы Хаггинса и Шалона–Лефевра. Коэффициент поглощения в этих полосах на несколько порядков меньше, чем у полос Хартли. Отдельные близко расположенные в этих системах полосы имеют хорошо различимые резкие максимумы и минимумы. В видимом участке спектра расположена широкая полоса Шапюи, с которой связана синяя окраска озона. В инфракрасной. В инфракрасной области спектра у озона есть еще важная полоса поглощения с максимумом 9,6 мкм. Благодаря этому, О₃ частично задерживает выделяемую Землей энергию инфракрасного диапазона, являясь т.о. одним из парниковых газов.

На рисунке 2 показано вертикальное распределение концентрации озона в земной атмосфере. Около 90% озона находится в стратосфере. Сильное поглощение в полосе Хартли вызывает в стратосфере инверсионный ход температуры с высотой, что блокирует вертикальные перемещения воздушных масс и определяет вертикальную температурную стратификацию атмосферы.

Рисунок 2 – Вертикальное распределение концентрации озона в земной атмосфере

Область ультрафиолетового излучения включает длины волн в диапазоне 100 – 400 нм и условно делится на три группы:

УФ-А (UVA) (315–400 нм)
УФ-В (UVB) (280–315 нм)
УФ-С (UVC) (100–280 нм)

Все приходящее к Земле от Солнца излучение УФ-С диапазона и около 90% УФ-В диапазона поглощается атмосферой Земли. Воздействие атмосферы на распространение УФ-А излучения существенно меньше.

Вместо физического термина «облученность земной поверхности» или его синонимов «освещенность» и «поток» для характеристики уровня ультрафиолетового солнечного излучения на поверхности Земли часто используется более простой для запоминания параметр «индекс ультрафиолетового излучения» или коротко УФ-индекс. УФ-индекс является международным стандартом для количественной оценки потока УФ излучения, разработанным ВОЗ, Программой ООН по окружающей среде и Всемирной метеорологической организацией. Он характеризует и определяет степень риска для человека, обусловленную УФ излучением. УФ-индекс предназначен для указания на потенциально возможные неблагоприятные последствия УФ излучения для здоровья и стимулирования людей для своей защиты.

УФ-индекс рассчитывается по следующей формуле:

где S(λ)– спектральная освещенность (облученность) земной поверхности на длине волны λ, мВт∙м²∙нм при максимальной высоте Солнца (± 30 мин. вблизи полудня, но следует отметить, что часто не придерживаются этого правила, приводя максимальный УФ-индекс, который из-за облачности может не совпадать с полуденным временем);

e(λ) – спектр действия (осредненная чувствительность человеческой кожи к УФ радиации). В соответствии с рекомендациями International Commission on Illumination (CIE) (ISO 17166:1999/CIE S 007/E-1998) e(λ) определяется как:

e(λ) = 1 при 250 < λ < 298

e(λ) = 10^{0,094(298 -λ )} при 298 < λ < 328 (2)

e(λ) = 10^{0,015(139 - λ )} при 328 < λ < 400 .

Значение УФ-индекса, уровень солнечного воздействия и необходимые меры защиты приведены в таблице 1.

Таблица 1 − Значение УФ-индекса, уровень солнечного воздействия и необходимые меры защиты

В небольшом количестве УФ излучение полезно для здоровья и играет важную роль в выработке витамина D. Чрезмерное воздействие УФ излучения приводит к целому ряду хронических изменений в коже:

- кожная злокачественная меланома: представляющий угрозу для жизни злокачественный рак кожи;

- плоскоклеточная карцинома кожи: злокачественный рак, который, как правило, развивается не так быстро, как меланома, и с меньшей вероятностью приводит к смерти;

- базальноклеточная карцинома: медленно развивающийся рак кожи, поражающий преимущественно пожилых людей;

- фотостарение: потеря эластичности кожи и развитие солнечного кератоза.

В офтальмологии острые последствия УФ излучения включают фотокератит и фотоконъюнктивит (воспаление роговицы и конъюнктивы, соответственно). Эти последствия обратимы, легко предотвратимы с помощью ношения солнцезащитных очков и не связаны с какими-либо длительными повреждениями.

Хронические последствия УФ излучения в офтальмологии включают:

- катаракта: болезнь глаза, при которой происходит помутнение хрусталика, приводящее к нарушению зрения и возможной слепоте;

- птеригиум: нарастание на поверхности глаза ткани белого или кремового цвета;

- плоскоклеточная карцинома роговицы или конъюнктивы: редкий тип опухоли на поверхности глаза.

УФ излучение может снижать эффективность иммунной системы путем изменения активности и распределения клеток, ответственных за приведение в действие иммунных реакций. Подавление иммунитета может вызывать активизацию вируса простого герпеса на губе ("лихорадки").

Дети и подростки особенно уязвимы перед вредным воздействием УФ излучения. Чрезмерное пребывание на солнце в детстве может привести к развитию рака кожи позднее в жизни. Механизмы этого остаются неясными, но возможно, что в детстве кожа более чувствительна к вредному воздействию УФ излучения.

Тип кожи человека также имеет значение. Люди со светлой кожей больше страдают от солнечных ожогов и подвергаются более высокому риску развития рака кожи, чем люди с темной кожей. Однако, несмотря на то, что заболеваемость раком кожи среди людей с темной кожей ниже, раковые заболевания у них часто обнаруживаются на более поздней, более опасной стадии. Риск повреждения глаз, преждевременного старения кожи и подавления иммунитета не зависит от типа кожи.

Аппаратурное обеспечение измерений общего содержания озона и ультрафиолетовой облученности на измерительном пункте «Обнинск»

Измерения общего содержания озона (ОСО) и ультрафиолетовой (УФ) облученности производятся при помощи дифракционного спектрофотометра Брюера (Brewer spectrophotometer). Значения ОСО определяются по измерениям на длинах волн 303,2 306,3; 310,1; 313,5; 316,8 и 320,1 нм. Измерения УФ облученности производятся в интервале от 290 до 325 нм с шагом 0,05 нм. Полуширина аппаратного контура – 0,6 нм. Спектральная шкала и относительная спектральная чувствительность контролируется в процессе эксплуатации.

Погрешность измерения ОСО (СКО) составляет ± 1%. Систематическая погрешность в измерениях ОСО и УФ облученности выбирается путем сравнения с мобильным стандартом (спектрофотометром Брюера №17) во время плановых калибровочных кампаний.

Измерительный пункт «Обнинск» зарегистрирован в базе данных по озону и ультрафиолету WOUDC (№307) и Global Atmospheric Watch (GAW ID – Obn). На рисунке 3 показан Brewer spectrophotometer #044 на измерительном пункте «Обнинск».

Рисунок 3 – Спектрофотометр Брюера на измерительном пункте «Обнинск»

База данных по ОСО и УФ облученности

В данной базе данных приведены результаты измерений с 2010 г. Более ранние данные (с 1991г.) можно найти в WOUDC. Наименование колонок приведено в файле ReadMe.txt. Контакты: Широтов Вадим Викторович, лаб. 5 ИЭМ, тел. (484)397-17-72, e-mail shirotov @ rpatyphoon.ru .

Общее содержание озона

Дневная экспозиция УФ радиации в диапазоне длин волн 290-325 нм, нормированная на чувствительность человеческой кожи