Misuratori di radiazione sulle stazioni

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1 Misuratori di radiazione sulle stazioni Sulle stazioni DAVIS Vantage Pro 2 Plus (come quelle al DIFA) ci sono montati anche due radiometri che misurano l'integrale della radianza in due diverse regioni spettrali: Radiazione solare globale: fotodiodo al Silicio. Radiazione UV: fotodiodo + filtro multi-layer (banda passante: nm) Pagina 1 di 15

2 UVC: nm UVB: nm UVA: nm Pagina 2 di 15

3 Misura della radiazione solare Come misuratori di radiazione sono utilizzati fotodiodi (Si o Ge opportunamente drogati), sono trasduttori di radianza in corrente. Per la misura della radiazione UV si inserisce un filtro multi-layer che riflette la radiazione con lunghezza d'onda più lunga. Pagina 3 di 15

4 Notare la presenza della livella: la superficie del rivelatore dovrebbe essere orizzontale. Output = W / m 2 Pagina 4 di 15

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6 Risposta del rivelatore UV installato sulle DAVIS Pagina 6 di 15

7 Risposta del rivelatore UV installato sulle DAVIS La banda passante è stata resa simile allo spettro EAS. Vediamo perché: The Erythemal Action Spectrum (EAS) was defined by McKinlay and Diffey (1987) and has been accepted by the Commission Internationale de l Eclairage (CIE) as the standard representation of the average skin response to UVB and UVA. As shown by the EAS (heavy straight lines in fig. Precedente), the skin is 100 times more sensitive to radiation at 298 nm than to radiation at 319 nm. The plot with round data points shows the spectral response of a Davis model 7841/7843 UV Sensor. The other curve gives the response of a Yankee Environmental Systems model UVB-1 Ultraviolet Pyranometer. Quindi la risposta spettrale del rivelatore pesa in modo opportuno le varie lunghezze d'onda nell'uv e fornisce in uscita un valore proporzionale all'azione complessiva della radiazione UV sulla pelle umana. Per valutare più agevolmente l'untensità UV è stato introdotto l'indice UV. Pagina 7 di 15

8 Definizione dell'indice UV (dal sito Arpa-ER) L Indice Universale della Radiazione UV Solare (UVI) descrive il livello di radiazione UV solare che raggiunge la superficie terrestre in una certa area. I valori dell indice variano da zero in su: più è alto il valore dell indice, maggiore è il potenziale di danno per la pelle e per gli occhi e minore è il tempo necessario perché detto danno si verifichi. L'indice UV è stato concepito nell'ottica di aumentare la consapevolezza della popolazione sui rischi di una eccessiva esposizione alla radiazione solare ed è stato sviluppato nell ambito di una collaborazione tra l'organizzazione Mondiale della Sanità, il Programma per l Ambiente delle Nazioni Unite (UNEP), l'organizzazione Meteorologica Mondiale e la Commissione Internazionale per la Protezione dalle Radiazioni Non-Ionizzanti (ICNIRP). I livelli di radiazione UV e quindi i valori dell indice variano nell arco della giornata. Nel riportare l UVI, maggiore enfasi viene posta al livello massimo di radiazione UV di un dato giorno. Detto massimo è presente durante un periodo di quattro ore centrate sul mezzogiorno solare. A seconda della località geografica e dell'applicazione o meno dell'ora legale, il mezzogiorno solare cade tra il mezzogiorno locale e le 2 del pomeriggio. Nella comunicazione dei valori assunti dall indice UV, vengono usualmente definite delle categorie di esposizione a cui è associata una scala cromatica. La comunicazione dei livelli di esposizione e dei relativi consigli comportamentali è basata sulle categorie di esposizione. L'indice UV non tiene conto, nella valutazione del rischio di danno alla pelle, delle specifiche caratteristiche dei soggetti esposti; per stimare con maggiore accuratezza il rischio individuale è necessario considerare sia il livello di esposizione che le caratteristiche individuali (essenzialmente rappresentate dal fototipo). Va ricordato che il rischio di danno agli occhi non è strettamente legato al fototipo. Pagina 8 di 15

9 Definizione rigorosa di indice UV L'indice Universale della Radiazione UV Solare è stato formulato in modo da pesare le varie lunghezze d'onda dello spettro tenendo conto degli effetti biologici propri di ogni frequenza. In particolare, l'indice UV è una misura della capacità della radiazione UV di indurre una reazione eritematosa ed è ottenuto proprio pesando ogni frequenza della radiazione ultravioletta tramite lo "spettro di azione eritemale" (vedi grafico sotto - in verde lo spettro di azione eritemale, in fucsia lo spettro della radiazione ultravioletta al suolo e in rosso lo spettro di azione per i danni al DNA - non utilizzato per il calcolo dell indice UV). Il calcolo dell indice UV avviene tramite la seguente formula: E è il valore dell'irradianza spettrale solare espressa in W/(m 2 nm), S er è il fattore di efficacia ("peso") definito dallo spettro d'azione eritemale, k er è una costante uguale a 40 m 2 /W (semplifica la lettura) L'indice UV viene stimato dalla stazione DAVIS usando un filtro, la cui banda passante è simile a S er ( ). Pagina 9 di 15

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11 La pelle reagisce alle radiazioni UV in base al fototipo Tabella dei fototipi (sopra). Esposizione in minuti (grafico a destra) necessaria per accumulare una dose di 1 MED, a seconda dei fototipi. Calcolo fatto con cielo sereno. Il grafico è da considerarsi indicativo, in quanto: il coefficiente di riflessione UV da parte del suolo varia molto (neve 80%, sabbia 25%, prati, terra, acqua < 10%) fattore coseno : pelle perpendicolare o inclinata rispetto ai raggi solari... Pagina 11 di 15

12 Un grafico equivalente... 1 MED ~ 20 mj/cm 2 (dose necessaria per far arrossare la pelle di tipo I) Per confrontare col grafico precedente considera che: se con UV = 1 mi espongo al sole per 1 ora ricevo una DOSE = 1 UV / (40 m 2 /W) * 3600 s = 9 mj/cm 2. Quindi, ad esempio, una pelle di tipo I si inizia ad arrossare con circa 20 mj/cm 2, ossìa circa una esposizione con UV=2 per 1 ora (che torna anche col grafico precedente). Pagina 12 di 15

13 Legge del coseno Se questi rivelatori avessero risposta uniforme su tutto l'emisfero superiore dell'angolo solido (metà angolo solido), l'andamento dell'intensità misurata in funzione dell'angolo solare zenithale (SZA = ) dovrebbe essere circa di tipo cosinusoidale. L'insolazione di una superficie è maggiore quando la superficie è perpendicolare ai raggi solari. All'aumentare dell'angolo tra i raggi solari e la normale alla superficie l'insolazione si riduce proporzionalmente al coseno dell'angolo. In una giornata serena, la radiazione solare misurata dovrebbe seguire: I = I 0 cos(sza + ) Deviazioni da questo andamento possono essere dovute a: Variazioni di assorbimento da parte dell'atmosfera (variazioni di cammino ottico e nubi) vs SZA. Funzione di trasferimento del rivelatore non uniforme al variare di Pagina 13 di 15

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15 Esperienza in laboratorio con i dati di radiazione totale e UV in lab. Obiettivi: caratterizzazione accuratezza dei sensori di radiazione totale e UV delle DAVIS*@DIFA, confronto con le specifiche del costruttore. Verifica della legge del coseno. Verifica dell'ordine di grandezza dell'irradianza annuale. Traccia: Seleziona i dati delle DAVIS*@DIFA relativi ad una settimana estiva (quando la radiazione è più alta ed è anche più importante conoscere l'indice UV). Seleziona anche i dati relativi alla stessa settimana e relativi ad una stazione ARPA a Bologna. Verifica la calibrazione dei sensori 1 e 2C rispetto a DAVIS 2B e anche di DAVIS 2B rispetto ad ARPA. E' necessario / utile applicare un fattore di scala e/o un offset a qualche sensore? Usando un programmino FORTRAN sul PC di lab. (oppure cerca in internet) calcola il solar zenith angle (SZA) per la posizione del DIFA e ora corrispondente alle misure selezionate e verifica se è rispettata la legge del coseno per i sensori di radiazione totale e UV DAVIS*@DIFA Con i dati di radiazione di un intero anno (DAVIS 1), prova a calcolare l'integrale dell'irradianza annuale, (in kwh/m 2 ) e vedi se l'ordine di grandezza corrisponde a quello mostrato nella mappa precedente. Pagina 15 di 15