V letošním roce si připomínáme 60 let měření ozonu na Solární a ozonové observatoři v Hradci Králové, v budově hvězdárny. Monitoring ozonové vrstvy nad územím ČR zde byl zahájen pravidelným měřením pomocí Dobsonova spektrofotometru č. 074. Tento typ spektrofotometru byl po mnoho desetiletí základním přístrojem pro měření celkového ozonu v celosvětové síti, vybudované v rámci programu WMO/GAW a na řadě stanic je používán dosud.
Metoda měření je založena na principu diferenční optické absorpční spektroskopie (DOAS). Optický systém Dobsonova spektrofotometru rozkládá dopadající sluneční záření hranolem. Z takto vzniklého spektra se soustavou štěrbin vyberou vhodné vlnové délky v UV oblasti. Na některých z nich absorbuje ozon UV záření silněji, na jiných slaběji. Právě s pomocí rozdílů intenzit záření na silně a slabě absorbujících vlnových délkách lze pro známou výšku Slunce nad obzorem vypočítat množství ozonu v atmosféře.
Základním typem měření Dobsonovým spektrofotometrem je měření typu DS (Direct Sun), tedy v přímém slunečním záření, dopadajícím na povrch. Pokud nelze přímé sluneční záření detekovat, nejčastěji z důvodu přítomnosti oblačnosti, lze provádět i měření typu ZB (Zenith Blue) nebo ZC (Zenith Cloud). Jsou to měření v zenitu, buď s jasnou oblohou, nebo s oblačností v nadhlavníku. Při zpracování dat jsou preferována měření DS, protože jsou nejpřesnější (kolem 1 %), zatímco zenitová měření vykazují poněkud větší nejistotu (1–2 % ZB, resp. 1–3 % ZC). Od počátku měření však nejsou na SOO Hradec Králové uchovávána jen data o celkovém ozonu, ale i prvotní datové soubory (odečty hodnot přímo na přístroji, ze kterých se množství ozonu následně počítá). To umožní v budoucnosti bezproblémový přepočet celé datové řady, pokud by se metodiky výpočtu ozonu změnily.
Měření Dobsonovým spektrofotometrem č. 074 trvá od roku 1961 dosud, i když dnes už spíše jen pro referenční účely. Přístroj je pravidelně každých 5 let kalibrován a nedávno u něj došlo k výměně elektroniky a fotonásobiče, což dává dobré předpoklady pro měření i v dalších desetiletích. Jeho nevýhodou bylo a je, že vyžaduje manuální obsluhu a vzhledem k citlivosti na vlhkost (jde o přístroj s otevřenou optikou) nelze měřit např. při dešti, sněžení, mlze a podobných podmínkách.
V roce 1994 byl na SOO Hradec Králové uveden do provozu přístroj „nové generace“, Brewerův spektrofotometr č. 098 (jednoduchý monochromátor, Mk-IV). I ten pracuje na principu DOAS, jen využívá poněkud jiné vlnové délky než Dobsonův spektrofotometr a k rozkladu světla na spektrum používá optickou mřížku místo hranolu. Navíc jde o přístroj s uzavřenou optikou, umístěný na trackeru, který přístroj natáčí za Sluncem. Může tedy měřit za každého počasí a je řízen počítačem, takže nevyžaduje lidskou obsluhu. I pro tento přístroj je základem měření typu DS (z přímého slunečního záření).
Pokud je Slunce zastíněno oblačností, může přístroj provádět měření typu ZS (Zenith Sky, tedy ze zenitu bez rozlišení, zda je tam oblačnost nebo modrá obloha), a pokud ani toto měření není možné, provádí měření GI (Global Iradiance), kdy detekuje záření z celé horní polosféry. I tady jsou ale měření ZS a GI méně přesná než měření DS. Přístroj je schopen automaticky provádět mnoho měření denně, v létě, kdy je den nejdelší, jsou to i desítky měření denně.
Instalace Brewerova spektrofotometru znamenala ale i další pokrok v měření ozonu, a to zahájení tzv. umkehr měření vertikálního profilu ozonu. Tento typ měření využívá určitých optických zvláštností v závislosti zenitové intenzity UV záření na zenitovém úhlu Slunce v době těsně po východu, nebo těsně před západem Slunce. Z průběhu těchto „anomálií“ lze pak odhadnout vertikální profil ozonu. Tyto odhady na jednu stranu nejsou tak přesné, jako je tomu třeba u výstupů z balonových ozonových sondáží, oproti nim ale obsahují i informaci o množství ozonu ve střední a vyšší stratosféře, kam měření pomocí balonových sond nedosáhne.
Dalším novým produktem Brewerova spektrofotometru bylo spektrální měření intenzit UV záření v oblasti cca 285 až cca 325 nm s krokem 0,5 nm. To umožnilo přesnější sledování UV záření, zejména v oblasti biologicky aktivního UV-B záření.
V roce 2004 bylo přístrojové vybavení SOO Hradec Králové doplněno o další Brewerův spektrofotometr, č. 184 (dvojitý monochromátor, Mk-III). Tento přístroj je ještě o něco přesnější než jednoduchý monochromátor a má větší rozsah vlnových délek pro spektrální měření UV záření (cca 285 až cca 363 nm s krokem 0,5 nm, zahrnuje tedy většinu UV-B oblasti a velkou část UV-A). I tento přístroj samozřejmě měří celkový ozon a vertikální profily ozonu umkehr metodou.
Třetí Brewerův spektrofotometr, č. 199 (rovněž Mk-III) byl pak pořízen v roce 2009. Neměří na SOO Hradec Králové, ale je v rámci mezinárodní spolupráce používán pro měření v severních nebo jižních subpolárních oblastech. V letech 2010–2020 měřil na argentinské stanici Marambio na Antarktickém poloostrově, od roku 2021 je instalován v severních subpolárních oblastech na stanici Reykjavík na Islandu. I tento přístroj měří kromě celkového ozonu i ultrafialová spektra a vertikální zvrstvení ozonu umkehr metodou. Jeho měření lze tak považovat za jeden z mezinárodních příspěvků ČR a ČHMÚ k plnění závěrů Vídeňské konvence o ochraně ozonové vrstvy a Montrealského protokolu o látkách, poškozujících ozonovou vrstvu.
Tím ale mezinárodní spolupráce zdaleka nekončí. Pod vedením bývalých vedoucích, dr. Píchy a dr. Vaníčka, získalo pracoviště velice silnou mezinárodní prestiž. V současné době pracuje jako sekundární evropské kalibrační centrum Dobsonových spektrofotometrů, subregionální kalibrační centrum Brewerových spektrofotometrů a velice úzce spolupracuje s observatoří DWD na Hohenpeissenbergu na problematice kalibrací.
A díky aktivitám ing. Staňka ve spolupráci s organizací IOS (International Ozone Services, Toronto, Kanada) například pochází velká část celosvětově používaného a unifikovaného software pro měření Brewerovými spektrofotometry právě ze SOO Hradec Králové.
Datové řady, naměřené za 60 let na SOO Hradec Králové, jsou pak velice často využívány odborníky z celého světa. Šedesátiletá řada měření ozonu jedním přístrojem a na jednom místě je i ve světovém srovnání poměrně unikátní z důvodu své přístrojové a lokální homogenity. Více než 26 let souběžných měření Dobsonovým a Brewerovým spektrofotometrem zase umožnilo detekovat a kvantifikovat některé systematické rozdíly mezi měřeními obou typů přístrojů, a tím umožnilo přesnější homogenizaci dlouhých časových řad měření ozonu na celém světě.
Ladislav Metelka, MZ 2021/6
