2ª Assembleia Luso Espanhola de Geodesia e Geofísica
2ª Asemblea Hispano Portuguesa de Geodesia y Geofisica
Lagos 2000
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Comparação entre detectores de Radiação Ultravioleta-B de banda larga
Comparison between Ultraviolet-B Radiation broadband detectors
Fernanda R. S. Carvalho(1), Diamantino V. Henriques(2)
(1)
(2)
Instituto de Meteorologia, Rua C do Aeroporto de Lisboa, 1700 Lisboa, [email protected]
Instituto de Meteorologia, Rua C do Aeroporto de Lisboa, 1700 Lisboa, [email protected]
SUMMARY
The stratospheric ozone depletion observed during last 15 years has called the attention of the scientific community about
the expected Ultraviolet Radiation (UVR) increase at surface. The UVR monitoring in Portugal started in 1983 using
Robertson-Berger broadband detectors (SUVMETER) at Lisboa/Gago Coutinho station. A new model of UV-B broadband
detectors (UV-Biometer) has been compared with the existing detector in order to find eventual changes. Measurements
performed with the SUVMETER from July to October 1999 show significant UV-B changes relative to the measurements
carried out between 1983 and 1990 with the same instrument even after a correction made with the new detector.
1. INTRODUÇÃO
A diminuição da quantidade total de ozono observada
principalmente nas latitude médias e altas tem chamado à atenção da
comunidade científica relativamente ao esperado aumento da
radiação ultravioleta (UVR) à superfície (Madronich et al., 1997).
Embora a medição regular da quantidade de ozono remonte aos anos
60, a medição da UVR teve início nos anos 70, principalmente nos
EUA. Esta rede era constituída principalmente por detectores do tipo
Robertson Berger RB), os quais possuem uma resposta espectral
semelhante à da pele humana na região UV-B (280 nm-320 nm).
Estes instrumentos pertencem à categoria de "broadband" ou "banda
larga" porque a irradiância I resultante corresponde a um intervalo
espectral relativamente largo:
I = ò Fλ S λ dλ
(1)
onde Fλ e Sλ são respectivamente a irradiância espectral
incidente e a resposta espectral do instrumento para o comprimento
de onda λ. A resposta espectral é por vezes designada por espectro
de acção relativamente a um determinado efeito, como por exemplo
a queimadura solar ou eritema. Neste caso, a irradiância I
representada na equação (1) designa a irradiância efectiva para o
eritema. Os detectores do tipo RB têm respostas Sλ semelhantes ao
espectro de acção do eritema. Estes espectros de acção têm um
máximo de 100% por volta dos 305 nm, decaindo rapidamente até
10 % aos 320 nm e até 1% aos 330 nm. Por outro lado, a UVR à
superfície aumenta rapidamente a partir dos 290 nm devido a
absorção praticamente total do ozono na atmosfera até os 280 nm. É
precisamente na região do UV-B onde a radiação é mais sensível
variações do ozono atmosférico. Por outro lado, para o caso da
irradiância efectiva para o eritema estas variações são como que
amplificadas:
dΩ
dI
= − RAF
I
Ω
(2)
onde dI/I e dΩ/Ω são respectivamente as variações relativas da
irradiância efectiva e da quantidade total de ozono. O coeficieente
RAF representa o factor de amplificação da radiação (Radiation
Amplification Factor), que para o caso do eritema varia entre 1.1 e
1.2. Deste modo, para variações na quantidade total de ozono de 10%, a variação correspondente da irradiância efectiva para o
eritema varia entre 11% e 12% . No entanto, existem outros factores
que contribuem para a atenuação da radiação UV-B, como por
exemplo o aerossol atmosférico, as nuvens e até o próprio ar
(Rayleigh). Existem também outros que podem contribuir para um
aumento da radiação à superfície como por exemplo a reflexão
proveniente de certos tipos de nuvens. Para além das influências de
todos estes factores ambientais existem sempre os erros
instrumentais que dificultam ainda mais a análise das observações.
De facto, os detectores do tipo RB desenvolvidos inicialmente
possuíam uma forte dependência com a temperatura (1% K-1) a qual
representa uma incerteza importante na avaliação de tendências de
séries longas como as dos EUA.
2. OBSERVAÇÕES
PORTUGAL
DA
RADIAÇÃO
UV-B
EM
A observação sistemática da radiação UV-B em Portugal teve
início em 1983 no extinto Instituto Nacional de Meteorologia e
Geofísica (INMG) (Gonçalves et al., 1991). As observações foram
efectuadas na estação aerológica de Lisboa/Gago Coutinho
(38°46'N, 07°08'W, 105 m), utilizando detectores de banda larga do
tipo RB da marca Solar Light, também designados por SUVMETER
(Sunburning UV Meter Model 500) ou simplesmente SL500. Estes
detectores consistem basicamente numa doma de Vycor que recebe
toda a radiação num ângulo sólido de 2π (global), num filtro UG11
que absorve a radiação visível deixando passar apenas a UV, num
elemento sensível de fósforo que recebe a radiação UV e emite luz
verde, um filtro posterior para deixar passar apenas a luz verde e
finalmente por um fotodiodo que recebe a luz verde e a transforma
num sinal eléctrico. O sinal é amplificado por forma a ser registado,
permitindo assim um registo contínuo da radiação UV. O detector é
calibrado de fábrica por forma a que a saída seja directamente
proporcional a irradiância em MED/h. Um MED (Minimum
Erithemal Dose) ou dose mínima eritemal é equivalente a 210 Jm-2
(CIE). Em 1988, o INMG adquiriu 2 espectrofotómetros Brewer
MKII, financiados pela extinta JNICT (Junta Nacional de
Investigação Científica e Tecnológica) que também tinha financiado
a aquisição de um segundo detector SL500. O espectrofotómetro
Brewer permite efectuar medições da irradiância espectral global
entre 280 nm e 325 nm. As irradiâncias espectrais podem ser
convertidas em irradiâncias efectivas utilizando a resposta espectral
do detector que é fornecida pelo fabricante. Durante algumas
comparações efectuadas em Lisboa com os dois instrumentos
concluiu-se que os valores do SL500 eram cerca de 11% menores
que os do espectrofotómetro Brewer (Fernanda et al., 1998), mas
para ângulos zenitais do Sol mais elevados essa diferença diminuía
significativamente e inclusive mudava de sinal. Devido à
dificuldades na exploração do detector SL500 entre 1994 e 1999,
quer por falta de pessoal quer por avaria dos sistemas de aquisição
de dados, o seu funcionamento foi muito irregular. Recentemente, o
Instituto de Meteorologia (IM) adquiriu 5 sistemas de detecção UV
da nova geração, UV-Biometer 501 (Solar Light), aqui designados
por SL501 e que são basicamente do mesmo tipo que os SL500 mas
com a vantagem de poderem estabilizar a temperatura do sensor por
forma a reduzir a influência da temperatura nas medições. Estes
sistemas foram financiados pelo Projecto HARTLEY (Programa
PRAXIS XXI) com vista a instalação de uma rede de medida da
radiação UV-B em Portugal Continental. Neste contexto e por forma
a avaliar as diferenças existentes entre os dois sistemas, em Julho de
1999 foram instalados no terraço da sede do IM, que dista cerca de 2
km da estação de Lisboa/Gago Coutinho.
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2
300
V.Médio (1983-1990)
Máximo (1983-1990)
Mínimo (1983-1990)
250
SL501 (1999)
SL500 (1999)
0.01 MED
200
150
100
50
0
J
F
M
A
M
J
J
A
S
O
N
D
Mês
Figura 1 – Valores médios, máximos e mínimos da irradiação semihorária UV-B efectiva para o eritema para cada dia do ano, observados com o
SL500 na Estação de Lisboa/Gago Coutinho no período de 1983 a 1990 e integrados no intervalo entre as 11:30 e as 12:00 (TSV). Encontram-se
também representados os valores observados em 1999 pelos instrumentos SL500 e SL501. (Average, maximum and minimum values of UV-B half hour
erithemally effective doses measured with SL500 at Lisbon/Gago Coutinho station between 1983 and 1990 and integrated over 11:30 and 12:00 TSV period.
Measured values in 1999 with the SL500 and SL501 instruments are also displayed).
3. RESULTADOS
Ambos os sistemas foram configurados por forma a
registarem valores integrados em 60s em Tempo Universal
Coordenado (TUC). O registador do SL500 não possui memória
mas permite a conversão digital do sinal analógico do detector e
sua ligação a uma porta série de um PC, através de uma interface
RS232, registando os valores médios em 60s em MED/hora. O
registador do SL501 possui memória e permite também a
transferência dos dados armazenados para um PC, ficando
registado o valor em MED/minuto. Os resultados foram
posteriormente processados por forma a obterem-se valores
integrados em 30 minutos e em Tempo Solar Verdadeiro (TSV),
comparáveis aos valores publicados por Gonçalves et al. (1991).
Na figura 1 encontram-se representados os valores médios,
máximos e mínimos para cada dia do ano, observados com o
SL500 na Estação de Lisboa/Gago Coutinho no período de 1983 a
1990 e integrados no intervalo entre as 11:30 e as 12:00 (TSV).
Na mesma figura encontram-se também representados os valores
observados em 1999 pelos dois instrumentos (SL500 e SL501).
Pode observar-se que em média as medidas com o SL500 em
1999 ultrapassam muitas vezes os valores máximos observados no
período de 1983 a 1999. Por outro lado pode observar-se também
que as medidas com o SL501 são cerca de 13% inferiores as
efectuadas com o SL500 no mesmo ano. Este último resultado
encontra-se de acordo com o esperado, pois diferenças desta
ordem foram encontradas também durante campanhas de
intercomparação de instrumentos realizadas em outros locais
(Letszcynski et al., 1996). As diferenças relativamente ao período
19983-1990 poderão ser por isso de natureza instrumental. No
entanto, mesmo depois de corrigidos, verifica-se que cerca de
18% dos valores ultrapassam os respectivos máximos e que a
diferença chega por vezes a ser de 12%. Contudo, é possível que a
combinação de vários factores possam justificar tal diferença. De
facto, como já foi dito atrás, uma diminuição de por exemplo 5 %
na quantidade total de ozono em 1999, relativamente ao período
de 1983-1990 pode justificar um aumento de 5.5% a 6.0% na
irradiância UV efectiva para o eritema. Porém, esta hipótese
deverá ser confirmada analisando as observações de ozono
disponíveis na Estação de Lisboa/Gago Coutinho. Como se pode
também notar, existe uma aproximação gradual dos valores a
medida que se avança para o Inverno, ou seja para menores
elevações do Sol. Este resultado também é encontrado na variação
diária entre os instrumentos. Os modelos espectrais simplificados
podem neste caso contribuir para simular separadamente os
efeitos de cada um dos factores relevantes (ozono, aerossóis,
nuvens, etc.) e alterações na resposta espectral dos instrumentos.
4. CONCLUSÕES
Os resultados obtidos em 1999 utilizando dois detectores de
UV-B de banda larga da marca Solar Light, apresentam diferenças
da ordem de 13%, que se podem considerar aceitáveis tendo em
conta que um dos detectores (SL501) é um novo modelo que
inclui estabilização de temperatura e que ambos possuem
respostas espectrais diferentes. Relativamente ao período de 19831990, foram encontradas diferenças significativas nas medidas do
SL500, relativamente aos valores máximos observados próximo
do meio dia solar verdadeiro, que podem ser atribuídas a
alterações instrumentais, havendo portanto necessidade de
averiguar a existência de uma eventual alteração na quantidade
total de ozono, espessura óptica do aerossol ou regime de
nebulosidade, relativamente ao mesmo período.
5. REFERÊNCIAS
Carvalho, F.R.S and D. Henriques (1998): "“UV-B Measurements in Portugal”, Report
of the WMO Meeting of Experts on UV-B Measurements, Data Quality and
Standardization of UV Indices, Les Diablerets, Suiça, de 21 a 25 de Julho de
1997.
Gonçalves, C., F. Oliveira, G. Mendonça, e A. Gavieiro (1991): "A Propagação da
radiação electromagnética - Ultravioleta B, incidências no aspecto biológico",
INMG.
Letszcynski, K., K. Jokela, L. Ylianttila,R. Visuri and M. Blumthaler (1996): Report
of the WMO/STUK Intercomparison of Erithemally-weighted solar UV
radiometers, Helsinki, Spring-Summer, 1995. ), WMO -TD No.781.
Madronich, S., J. Damski, Q. Dai, E.W. Hare and D. Henriques (1997): "UV-B
radiation and its Effects on the Biosphere". The Stratosphere asnd Its Role in
the Climate System (NATO ASI), I-54, 21, 173-198.