Stratosfera

Wiadomości podstawowe

Pomiary w stratosferze

Kiedy mówimy o stężeniach różnych substancji w powietrzu stratosferycznym może pojawić się pytanie: skąd wiemy, że takie substancje tam się znajdują? Dolna granica stratosfery przebiega na wysokości około 8-15 km (zależnie od szerokości geograficznej), więc interesujące nas obszary atmosfery znajdują się powyżej poziomu przelotu samolotów.

Pomiarów składu chemicznego stratosfery można dokonać na dwa sposoby:

1) przyrządy pomiarowe są umieszczane na odpowiedniej wysokości przy pomocy specjalnych samolotów lub balonów,
2) wykonujemy pomiary z ziemi lub z kosmosu (z satelity), wykorzystując oddziaływanie różnych zakresów promieniowania na cząsteczki powietrza.
 

Samoloty

Wykorzystanie specjalnych samolotów umożliwiło wykonanie unikatowych pomiarów w stratosferze. Jednym z nich jest rosyjska “Geofizyka”, pierwotnie zaprojektowany jako samolot szpiegowski do lotów na dużych wysokościach, a następnie przerobiony na latające laboratorium naukowe. Takie samoloty mogą osiągać wysokość lotu około 20 km, ale loty są bardzo kosztowne.

Balony

Bardziej powszechne w użyciu są pomiary balonowe. Balony do sondaży aerologicznych (czyli pomiarów elementów pogodowych na dużych wysokościach) osiągają wysokość 30-35 km zanim ulegną zniszczeniu. Mogą one także zabierać ze sobą np. czujnik ozonu. Zachodzi w nim reakcja chemiczna dzięki czemu możemy się dowiedzieć ile ozonu znajduje się w powietrzu. Wyniki pomiarów są bowiem przesyłane za pomocą sygnału radiowego na Ziemię. Zawartość ozonu w powietrzu mierzy się dziś głównie przy użyciu satelitów, ale to balony nadal pozwalają uzyskać lepsze wyniki przy pomiarach profilów pionowych zawartości ozonu.

Oddziaływanie promieniowania 

Zjawiska współoddziaływania między promieniowaniem i cząsteczkami są trudne, a ich pełne zrozumienie wymaga wiedzy z zakresu fizyki kwantowej. Niemniej jednak, należy pamiętać, że promieniowanie może być pochłonięte, odbite, rozproszone, a także wypromieniowane z powrotem jako inny rodzaj promieniowania (o innej długości fali).

Bezpośrednie promieniowanie słoneczne nie dociera do powierzchni Ziemi jeśli po drodze napotyka na chmury. Gdy nurkujemy w morzu to wraz ze wzrostem głębokości robi się coraz ciemniej gdyż dopływ światłą jest coraz słabszy. Podobnie w czasie burzy piaskowej dopływ światła słonecznego jest bardzo słaby. Nie tylko duże cząsteczki i chmury oraz woda pochłaniają i odbijają promieniowanie, robią to także małe cząsteczki. Mogą one rozpraszać promieniowanie lub pochłaniać je a następnie wypromieniowywać jako promieniowanie nosące ze sobą mniej energii, posiadające inną długość fali. Znamy to zjawisko jako fluorescencję lub fosforyzację. Wykorzystuje się je np. w produkcji zabawek, które pochłaniają światło w dzień lub światło z lampy w pokoju, a następnie emitują promieniowanie o innych własnościach, co widzimy patrząc na nie w ciemności. Rodzaj światłą informuje nas o tym jakich substancji użyto przy produkcji. Natężenie światła mówi nam natomiast ile tej substancji użyto.

Reakcje zachodzące między promieniowaniem i cząsteczkami w stratosferze mogą być obserwowane z Ziemi lub mierzone z kosmosu przez satelity.

Lidar

Lidar (ang. light detection and ranging, czyli wykrywanie światła i długości jego fali) jest przyrządem używanym do pomiarów z powierzchni Ziemi. W niebo wysyłany jest przez krótki czas strumień światła laserowego o dużej mocy. Po chwili światło to ulega rozproszeniu, lub pochłonięciu i wypromieniowaniu przez cząsteczki znajdujące się w powietrzu, następnie dociera z powrotem do Ziemi i jest tu mierzone.
 

W ten sposób otrzymujemy informację jakie substancje znajdują się w powietrzu (na podstawie długości fal docierających z powrotem na Ziemię) oraz jakie jest ich stężenie (na podstawie pomiaru intensywności tych fal).
Z jakiej jednak wysokości docierają do nas badane fale? Z 10 km? A może z 30 km? Światło przemieszcza się z pewną prędkością. Czym dłużej czekamy na daną falę po wyemitowaniu sygnału laserowego, tym wyżej znajdują się cząsteczki, od których ona pochodzi.

Animacja na ryc. 5 pokazuje sygnał laserowy (zaznaczony kolorem jasnoniebieskim), którego światło jest rozpraszane na różnych wysokościach przez cząsteczki powietrza i dociera z powrotem do detektora po upływie różnych okresów czasu.
 
 

Radar i sodar

W badaniach używa się różnych technik wykrywania i pomiaru fal, np. przy użyciu podczerwieni. Dobrze znany jest radar (ang. radio detection and ranging, czyli wykrywanie i pomiar fal radiowych), używany do pomiarów cząstek stałych w powietrzu i własności chmur. Radar pozwala śledzić przemieszczanie się burz przez setki kilometrów. Jeśli zamiast światła używamy dźwięku (co ma miejsce w sodarze: sodar = sound detection and ranging, czyli wykrywanie i pomiar fal dźwiękowych) to otrzymujemy cenne narzędzie do pomiaru prędkości i kierunku wiatru.

Satelity

Satelity obserwują naszą planetę z kosmosu. Niektóre z nich pozostają zawsze nad tą samą częścią naszego globu (satelity geostacjonarne), zaś inne, znajdujące się na wysokości 500 - 1000 km, obiegają Ziemię w czasie 1,5 do 2 godzin. Na kilku satelitach są zainstalowane spektrometry, czyli przyrządy do wykrywania promieniowania. Badają one promieniowanie, które przeszło przez atmosferę i weszło w interakcje z jej cząsteczkami. Daje to szerokie możliwości badań nad składem atmosfery.

Jak widać na ryc. 7, satelita może mierzyć promieniowanie słoneczne, które jest odbijane i rozpraszane przez chmury i cząsteczki powietrza (1). Spektrometr na podczerwień może także mierzyć promieniowanie długofalowe emitowane bezpośrednio przez Ziemię (2). Przy pewnym ustawieniu względem Słońca i Ziemi, satelita może mierzyć promienie Słońca biegnące wzdłuż stycznej do Ziemi, przez atmosferę (3). W zależności od kąta padania promieni przechodzą one przez różne warstwy atmosfery, co pozwala uzyskać informacje o jej składzie na różnych wysokościach.

Zajrzyj także na te strony!

Aby dowiedzieć się więcej o tym jak współoddziałują promieniowanie i materia zajrzyj na stronę:
Troposfera - więcej - część 1 - pomiary spektrometryczne

O tej stronie:

Autor: Dr Elmar Uherek, Max Planck Insitute for Chemistry, Moguncja, Niemcy
Recenzent: Dr John Crowley, Max Planck Institute for Chemistry, Moguncja, Niemcy- 2004-05-04
Konsultacja dydaktyczna: Michael Seesing - Univ. of Duisburg, Niemcy - 2003-07-02
Ostatnia aktualizacja: 2008-10-09
Tłumaczenie na język polski: Dr Anita Bokwa, Uniwersytet Jagielloński, Kraków