Mérések a sztratoszférában

Ha a sztratoszférában lévõ vegyi anyagok koncentrációjáról beszélünk, felvetõdhet az a kérdés, hogy honnan ismerjük az itteni vegyületeket és elõfordulásukat. A sztratoszféra 8-15 km magasan kezdõdik, és a számunkra érdekes területek magasabban vannak, mint általában a repülõgépek repülési magassága.

Két lehetõség van a sztratoszférában lévõ anyagok mérésére.

1. Speciális ballonokkal vagy repülõgépekkel mûszereket viszünk a sztratoszférába.
2. Felhasználva a napsugárzás kölcsönhatását a levegõmolekulákkal, tanulmányozzuk a sztratoszférát a földfelszínrõl, vagy az ûrbõl (mûholdakkal).

Repülõgépek

Egyedi méréseket speciális repülõgépekkel lehet végezni, mint például a korábbi orosz nagymagasságú kémrepülõgép, melyet most "Geofiziká"-nak hívnak. Légi laboratóriummá alakították át. Ilyen repülõgépek elérik a 20 km-es magasságot. De a repülések nagyon költségesek.

1. Geophysica - nagymagasságú kutató repülõgép
forrás: MDB Design Bureau

Ballonok

Egy elterjedtebb módszer a ballonos mérés. Idõjárási ballonok, amik pl. ózonmérõt visznek magukkal, elérhetik a 30-35 km-es magasságot, mielõtt szétrobbannának. A kémiai reakció az érzékelõben játszódik le, ami ezáltal megmondja mennyi ózon van a levegõben. Az információt rádiójelként küldi vissza a Földre. Habár az ózon mennyiségét manapság már mûholdak is mérik, a függõleges eloszlás meghatározásában a léggömbök még jobb eredményt szolgáltatnak.

2. a) Ózon ballon indítása, Hohenpeissenberg Obszervatórium
Ulf Köhler engedélyével

2. b) Léggömbös mérések ózon szondája
Ulf Köhler engedélyével, DWD Hohenpeissenberg

Sugárzások kölcsönhatása

A sugárzás és a molekulák közötti kölcsönhatás jelenségét nehéz megérteni, kvantumfizikai ismereteket is igényelne, ha igazából meg szeretnénk magyarázni. Azonban jegyezzük meg: Valami történik, ha az anyag és a fény kölcsönhatásba lép. A fényt az anyag elnyelheti, visszaverheti és szórhatja, vagy elnyelheti és kisugározhatja mint más fajta sugárzást (más hullámhosszon).

A közvetlen napfény útját a felhõk akadályozzák. Ha a tengerben egyre lejjebb merülünk, egyre sötétebb és sötétebb lesz, mert egyre több fény veszik el, és egy porvihar a sivatagban szintén elhalványítja a napot. Nemcsak a nagy részecskék, felhõk és a víz nyeli el vagy veri vissza a napfényt, a kisebb molekulák is. Visszaszórják a napfényt a Föld felé, vagy megváltoztathatják az állapotát és más hullámhosszon, kisebb energiával sugározhatnak. Ismerjük ezt a jelenséget (fluoreszcencia, foszforeszcencia) számos játékból, melyek elnyelik a napfényt, vagy a villanyfényt, és a sötétben különbözõ hullámhosszú sugárzást bocsátanak ki. A sugárzás az anyagok jellemzõirõl mond nekünk valamit, míg a sugárzás intenzitása pedig a koncentrációról.

3. Foszforeszcencia játszódik le, ha a napfény elnyelõdik, és más hullámhosszú sugárzásként sugárzódik ki újra.
forrás: internetes reklámokból összeállítva

A sztratoszférában a napfény és a molekulák közötti kölcsönhatásokat megfigyelhetjük a földrõl, vagy mérhetjük az ûrbõl mûholdakkal.

Lidar

A lidar (sugárzás érzékelõ és kibocsátó) egy olyan módszer, melyet a földrõl használhatunk. Rövid, nagyon intenzív lézer impulzust bocsát ki az ég felé. Az egy idõ után a szóródott és az újból kibocsátott visszaérkezõ sugárzást pedig méri.

4. LIDAR mérések
kép forrása: Nyugat Ontarioi Egyetem

Információt kapunk milyen anyagokat talált (a visszatérõ sugárzás hullámhosszából) és milyen koncentrációban (visszatérõ sugárzás erõsségébõl).
De milyen magasságból érkezik a sugárzás vissza? 10 km-rõl, 30 km-rõl? A fénynek van egy bizonyos sebessége. A kibocsátás után a sugárzás minél hosszabb ideig halad, a molekulák annál magasabban vannak, ahonnan a sugárzás érkezik.

5. Hogyan mûködik a LIDAR? Forrás: Anja Kaiser © ESPERE

A bal oldali animáció egy lézersugár kibocsátását mutatja, melyik sugárzását a levegõmolekulák különbözõ magasságban szórták vissza. így a detektorhoz visszaérkezõ sugárzás három eltérõ idõpontban érkezik meg.

RADAR és SODAR

A hullámok detektálására és mérésére eltérõ technikák léteznek, például az infravörös sugárzás. ismertebb neve a RADAR (Radio detection and ranging), melyet a levegõben lévõ részecskék és a felhõk tulajdonságainak mérésére használnak. RADAR-ral lehetõség nyílik a zivatarok több száz kilométeren át való nyomon követésére. Ha hangot használnak a sugárzás helyett (SODAR = sound detection and ranging), akkor egy hatásos eszközt kapunk a szélsebesség és a szélirány mérésére.

6. SODAR - szélsebességet mérõ mûszer
kép forrása: Meteotest

Mûholdak

A mûholdak bolygónkat az ûrbõl figyelik meg. Néhány közülük mindig ugyan azt a részét figyeli a Földnek (geostacionárius mûholdak), míg mások 500 - 1000 km magasan keringenek a Föld körül, amit 1.5 - 2 órás periódusidõvel kerülnek meg. Néhány mûholdra hullámhosszmérõket is telepítettek, ezek a mûszerek a sugárzást mérik. A sugárzás átmegy a légkörön és kölcsönhatásba lép a molekulákkal. A légköri kutatásnak különbözõ mérési módszerei lehetnek.

A mûholdak mérhetik a napfényt, amely szétszóródik a levegõ molekuláin, vagy a felhõkön (1). Az infravörös spektrométer mérheti a hosszúhullámú, közvetlenül a földfelszínrõl érkezõ sugárzást (2). Bizonyos napállásokban a Nap a légkörön érintõlegesen átsugároz, és így a sugárzás közvetlenül a mûhold érzékelõjébe érkezik (3). A szögtõl függõen az ilyen módon áthaladó sugárzás révén a légkör különbözõ részeirõl különbözõ magasságokban lehet információkat nyerni.

7. A mûholdasmérések különbözõ módjai
vázlat: Elmar Uherek

Kapcsolódó oldalak:

Hogy többet megtudj a napfény és az anyag kölcsönhatásáról, nézd meg a következõ oldalt:
Alsó légkör - Haladó -1. Fejezet - Spektroszkópos megfigyelés

Az oldalról:

szerzõ: Dr. Elmar Uherek - MPI Mainz
tudományos lektor: Dr. John Crowley, MPI for Chemistry, Mainz - 2004-05-04
pedagógiai lektro: Michael Seesing - Duisburgi Egyetem - 2003-07-02
utolsó javítás: 2008-10-08