Microtops II
Przyrządem pozwalającym na określanie grubości optycznej aerozolu me-todą pomiaru bezpośredniego promieniowania słonecznego jest fotometr sło-neczny. Jego detektory (zazwyczaj fotodiody) umieszczone są w głębi kie-rowanej w stronę tarczy słonecznej tuby. Ścianki tuby ograniczają wpływ promieniowania rozproszonego na wynik pomiaru. Kąt widzenia przyrządu jest zwykle trochę większy niż kątowy rozmiar Słońca, co ułatwia celowanie lecz jednocześnie zawyża mierzone natężenia promieniowania (a więc zaniża grubości optyczne). Urządzenie wyposażone jest w filtry obcinające zakres częstości fal docierających do detektorów, dzięki czemu możliwe jest obser-wowanie promieniowania w wąskich zakresach spektralnych.
Używany podczas kampanii MACRON Microtops II jest popularnym in-strumentem tego typu, produkowanym przez Solar Light Co. Inc. Microtops II mierzy promieniowanie w pięciu kanałach widmowych (w przypadku urzą-dzenia używanego przez autorkę są to kanały 380, 500, 675, 870 i 1020 nm), co pozwala na przybliżone oszacowanie zawartości w atmosferze cząstek róż-nych rozmiarów. Przyrząd jest niewielki, obserwator samodzielnie nakiero-wuje go na tarczę słoneczną. Wyniki pomiarów zapisywane są w pamięci urządzenia wraz z dodatkowymi danymi – datą i godziną, współrzędnymi geograficznymi (z odbiornika GPS), wysokością kątową Słońca, temperaturą i ciśnieniem powietrza. Microtops II ma zaprogramowane algorytmy oblicza-jące grubość optyczną atmosfery, można więc na bieżąco śledzić wyniki bez konieczności korzystania z dodatkowych urządzeń. Rozdzielczość przyrządu to 0,1 W m−2, dokładność 5%, a kąt widzenia 2,5◦.
Wykresy 2.3 i 2.4 przedstawiają wartości grubości optycznej obserwowane za pomocą fotometru Microtops podczas kampanii MACRON. Średnie war-tości dla tego okresu (z wyłączeniem dni 7 i 8 sierpnia, kiedy obserwowano napływ nad wyspę zanieczyszczonej masy powietrza) zebrane są w tabeli 2.1.
Ceilometr
Ceilometry to proste w obsłudze przyrządy zbudowane na zasadzie lidaru, ale używające wiązek laserowych o mniejszych mocach i mające mniejszy zasięg (tabela 2.2). Ich pierwotnym przeznaczeniem są pomiary wysokości podstawy chmur ale mogą być również przydatne w szerszych badaniach
Tablica 2.1: Arytmetyczne średnie wartości grubości optycznej aerozolu (τ ) mie-rzonej podczas kampanii MACRON (25 lipca – 6 sierpnia, 9 – 15 sierpnia 2007) w poszczególnych kanałach (λ) wraz z odchyleniem standardowym.
λ[nm] τ
380 0,1 ± 0,03 500 0,09 ± 0,03 675 0,05 ± 0,02 870 0,03 ± 0,02 1020 0,04 ± 0,02
Rysunek 2.3: Grubości optyczne aerozolu mierzone za pomocą fotometru Mi-crotops dla długości fali 380nm i 500nm podczas trwania kampanii MACRON.
Rysunek 2.4: Grubości optyczne aerozolu mierzone za pomocą fotometru Mi-crotops dla długości fali 675nm, 870nm i 1020nm podczas trwania kampanii MA-CRON.
warstwy granicznej atmosfery, w szczególności warstw występującego w niej aerozolu (O’Connor et al., 2004; Eresmaa et al., 2006; Markowicz et al., 2008).
W artykule (Markowicz et al., 2008), do którego część obliczeń przepro-wadziła autorka, wykazano zgodność pomiarów ceilometrowych z lidarowymi na przykładzie danych z kampanii pomiarowych UAE2 (United Arab Emira-tes Unified Aerosol Experiment, Remiszewska et al., 2007) oraz SAWA (Sa-haran Aerosol over Warsaw , Karasiński et al., 2007, Kardas et al., 2010).
Mimo zmniejszonego w porównaniu z lidarami aerozolowymi stosunku sy-gnału do szumu, ceilometr dobrze oddaje charakterystyczne cechy aerozolu atmosferycznego - struktury warstw, ich względne grubości optyczne, głębo-kość atmosferycznej warstwy granicznej.
Realny zasięg przyrządu zależy od grubości optycznej atmosfery. Przy sil-nym zanieczyszczeniu (np. warunki miejskie) ogranicza się do warstwy gra-nicznej - wyżej wykrywane są tylko warstwy o dużych współczynnikach roz-proszenia wstecznego, przede wszystkim chmury. Korzystne jest prowadzenie pomiarów nocą, gdy maleje poziom szumów w tle, powodowanych przez pro-mieniowanie słoneczne (Stachlewska et al., 2012).
W ramach prac nad artykułem (Markowicz et al., 2008), autorka roz-prawy przetestowała różne metody uzyskiwania profili współczynnika eks-tynkcji na podstawie sygnałów ceilometrowych, w szczególności opisany wy-żej algorytm Kletta-Fernalda, wymagający podania grubości optycznej at-mosfery oraz założenia braku aerozolu na pewnej wysokości w atmosferze.
Wnioskiem płynącym z obliczeń była konieczność zachowania dużej ostroż-ności przy opracowywaniu sygnałów tą metodą:
- gdy realny zasięg przyrządu był zbyt mały dla zaobserwowania wszystkich warstw aerozolu w atmosferze, zastosowanie całkowitej grubości atmosfery prowadziło do przeszacowania współczynników ekstynkcji (algorytm dobie-rał je tak, by warstwa atmosfery w zasięgu przyrządu miała grubość optyczną równą całkowitej grubości optycznej atmosfery - wielkości mierzonej za po-mocą fotometru),
- założenie, że współczynnik ekstynkcji lub rozpraszania wstecznego aerozolu na pewnej wysokości wynosi 0 bywa nieprawdziwe (jak np. w przykładzie przedstawionym przez Markowicza i innych, (2008) w którym niewielki zasięg użytego urządzenia wymuszał rozpoczynanie obliczeń na poziomie 1,5 km, gdzie założenie o braku aerozolu nie było spełnione).
Jak wspomniano wcześniej, podczas kampanii pomiarowej MACRON (rozdział 2.1) wykorzystywano dwa ceilometry CHM15K firmy Jenoptik.
W instrumentach tego typu źródło fal elektromagnetycznych stanowi
pompo-wany diodami laser typu Nd-YAG, emitujący promieniowanie podczerwone o długości 1064 nm. W przeciwieństwie do fali długości 905 nm, stosowanej standardowo w ceilometrach CT25K firmy Vaisala (używanych w kampaniach UAE i SAWA), fale o długości 1064 nm leżą poza pasmem absorpcji pary wod-nej, co zwiększa zasięg urządzenia oraz wyklucza konieczność uwzględniania profili wilgotności powietrza przy opracowaniu danych (Markowicz et al., 2008).
Nadajnik celiometru CHM15K wysyła impulsy o energii 8 µJ powtarzane z częstością 5-7 KHz. Rozbieżność wiązki wynosi 100 µrad a długość impulsu i system bramkowania pozwalają osiągnąć rozdzielczość pionową pomiaru 15 m. Odbiornik CHM15K zbudowany jest z krzemowych fotodiod lawino-wych i licznika fotonów. Okres w jakim uśredniane są odbierane impulsy może wynosić od 5 sekund do 60 minut, zależnie od stosunku sygnału do szumu. W czasie wspomnianego eksperymentu okres uśredniania wynosił 15 sekund.
CMH15K Teramobile Profiler 510M
1064 nm 1064 nm
długość fali 1064 nm 532 nm 532 nm
355 nm 355 nm
energia impulsu (1064nm) 8 µJ 20 mJ 200mJ
częstość repetycji 7 kHz 15 Hz 10Hz
maksymalny zasięg ok. 15 km ok. 20 km ok. 12 km realny zasięg ok. 8 km ok. 10 km ok. 8 km obszar kompresji geom. 650 m 450 - 600 m 750 -1000 m
Tablica 2.2: Porównanie ceilometru CMH15K, lidaru Teramobile Profiler (Stel-maszczyk et al., 2005; Kardas et al., 2010) i 510M (Karasiński et al., 2007; Kolwas et al., 2007).
W tabeli 2.2 porównano parametry ceilometru CMH15K z dwoma lida-rami używanymi podczas kampanii pomiarowych organizowanych przez In-stytuty Geofizyki oraz Fizyki Doświadczalnej (Wydział Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego):
- Teramobile Profiler, mikroimpulsowy lidar Wolnego Uniwersytetu w Berli-nie (Stelmaszczyk et al., 2005; Kardas et al., 2010), o konstrukcji zoptymali-zowanej pod względem kompresji geometrycznej, posługujący się impulsami
o niskiej mocy,
- lidar 510M Instytutu Fizyki Doświadczalnej, typowy lidar aerozolowy, w ostatnim czasie udoskonalony dla zmniejszenia kompresji geometrycznej (z ok. 1 km do 750 m) (Kolwas et al., 2007; Karasiński et al., 2007), wyko-rzystywany podczas kampanii MACRON.
Zaletą CHM15K jest niewielki obszar kompresji geometrycznej - obniże-nia mocy sygnału wynikającego z niepełnego pokrywaobniże-nia się kąta widzeobniże-nia teleskopu i wiązki laserowej. Redukcja kompresji geometrycznej jest moż-liwa dzięki zastosowaniu układu jednosoczewkowego, w którym punkt emisji wiązki laserowej umieszczony jest w centrum teleskopu odbierającego roz-proszone sygnały oraz odpowiedniemu doborowi apertury układu. Jest to rozwiązanie korzystniejsze niż tradycyjne, w którym osie teleskopu i emito-wanej wiązki są rozsunięte (Stelmaszczyk et al., 2005).
Podczas analizy danych lidarowych lub ceilometrowych wprowadzić można poprawkę neutralizującą efekt kompresji geometrycznej. Poprawkę wyznacza się na podstawie sygnałów rejestrowanych przez urządzenie pod-czas penetracji jednorodnej warstwy aerozolu. Jej wartość określają różnice pomiędzy echami mierzonymi w obszarze kompresji geometrycznej i poza nim. W przypadku CMH15K można dzięki temu przesunąć dolną granicę pomiarów do poziomu ok. 250 m.
Lidar satelitarny CALIOP
Lidar satelitarny CALIOP (Cloud-Aerosol Lidar with Ortogonal Polariza-tion) zainstalowany jest na jednym z satelitów tzw. „popołudniowej konste-lacji” (A-train (Afternoon train) constellation), CALIPSO (Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observations). Popołudniowa kon-stelacja to zbiór satelitów poruszających się po tej samej orbicie biegunowej, przelatujących nad kolejnymi długościami geograficznymi codziennie w przy-bliżeniu o tej samej porze dnia (przewodzący konstelacji satelita Aqua prze-kracza równik o 13:30 czasu lokalnego). Ustawienie satelitów w „kolejce”, jednego za drugim, pozwala na obserwację niemal tej samej sytuacji za po-mocą różnych przyrządów pomiarowych, np. CALIPSO podąża kilkanaście sekund za wyposażonym w radar CloudSatem i o ok. dwie minuty poprzedza PARASOLa (Deschamps et al., 1994) niosącego dziewięciokanałowy polary-metr (Stephens et al., 2002).
CALIOP, podobnie jak lidary i ceilometr wspominane w poprzednim pod-rozdziale, zbudowany jest z wykorzystaniem pompowanego diodami lasera
Nd-Yag. Zasadnicza długość fali emitowanej przez laser to 1064 nm, dzięki podwajaniu częstości korzystać można również z fali długości 532 nm. Ta ostatnia rejestrowana jest z podziałem na polaryzację równoległą i prosto-padłą do polaryzacji fali emitowanej, co umożliwia odróżnianie np. kropel chmurowych od kryształków lodu, gdyż cząstki o kształtach niesferycznych (w przeciwieństwie do sferycznych, ciekłych) w dużym stopniu depolaryzują sygnał (Vaughan et al., 2004).
Przestrzenny zakres działania przyrządu sięga od powierzchni Ziemi do wysokości ok. 40 km. Energia impulsu w każdej długości fali wynosi ok. 110 mJ, częstość powtarzania - 20.2 Hz. Rozdzielczość w pionie to 30 m, w wyższej troposferze i stratosferze sygnały są dodatkowo uśredniane i efek-tywnie rozdzielczość wynosi odpowiednio 60 i 180 m (Winker et al., 2003)
Dane pochodzące z CALIPSO to przede wszystkim profile współczynnika rozpraszania wstecznego. Wszechstronność informacji zbieranych przez urzą-dzenie pozwala jednak na określenie dodatkowo innych parametrów:
1. Odróżnienie aerozolu od chmury - odbywa się na podstawie różnic spektralnych w rozpraszaniu i ekstynkcji. Krople chmurowe są na ogół duże w porównaniu z obydwoma długościami fal lidarowych, w związku z czym sygnały w obu kanałach są zbliżone. W przypadku cząstek aerozolu (drob-niejszych niż chmurowe) widoczne są różnice w sygnałach.
2. Identyfikacja typu chmury (wodna, lodowa, mieszana) - odbywa się w oparciu o depolaryzację sygnału 532nm i jej niepewność.
3. Identyfikacja typu aerozolu - na podstawie optycznych własności aero-zolu (współczynnik rozpraszania wstecznego, depolaryzacja), miejsca i pory roku określa się najbardziej prawdopodobny typ aerozolu. Algorytm uwzględ-nia sześć kategorii: zanieczyszczony aerozol kontynentalny, dym - aerozol z produktami spalania biomasy, pył mineralny, pył zanieczyszczony produk-tami spalania, czysty aerozol morski oraz kontynentalny (Winker et al., 2003;
Omar et al., 2009).