• Nie Znaleziono Wyników

1.5 Teledetekcja aktywna

1.5.3 Podsumowanie

Radary meteorologiczne i lidary rozproszeniowe to urządzenia działające na tej samej zasadzie, posługujące się falami o różnej długości w celu badania cząstek o różnych rozmiarach.

Tabela 1.1 przedstawia wartości parametru wielkości (wzór 1.10) w zależ-ności od długości używanych fal i wielkości obserwowanych cząstek. Patrząc na rzędy wielkości tego parametru dla poszczególnych przypadków, zauważyć można, że przy zestawieniach:

- długości fal wykorzystywanych w lidarach - rozmiary cząstek aerozolu (o średnicach poniżej 1 mikrometra)

- długości fal wykorzystywanych w radarach - rozmiary hydrometeorów (czą-stek chmurowych i opadowych o średnicach powyżej 1 mikrometra)

przybiera on podobne wartości. Oznacza to, że, mimo różnic skal, rozprasza-niem promieniowania w obu tych przypadkach rządzą podobne zasady.

Zwyczajowo sygnały radarowe i lidarowe opracowywane są różnymi me-todami, jednak same równania radarowe 1.32 i lidarowe 1.36 są w istocie podobne. Moc rejestrowanego sygnału

- zależy od parametrów urządzenia i użytej mocy impulsu,

- jest proporcjonalna do współczynnika rozproszenia wstecznego / odbicio-wości ośrodka,

- jest odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości między instrumen-tem a celem,

- zgodnie z prawem Lamberta-Beera jest pomniejszona o moc promieniowania rozpraszanego i absorbowanego z wiązki podczas jej dwukrotnego przejścia przez ośrodek (od urządzenia do celu i z powrotem).

Radary sprawdzają się przy obserwacji hydrometeorów - przede wszyst-kim cząstek opadowych, a w przypadku fal długości milimetrów także cząstek chmurowych. W porównaniu z lidarami, wiązki radarów meteorologicznych

mają duże moce (od dziesiątych wata do tysięcy kilowatów -White et al., 1996, Moran et al., 1998) co pozwala na penetrację w głąb chmury i badanie jej struktury. Fale radarowe są mało podatne na tłumienie przez powietrze, natomiast zmiany współczynnika załamania światła w powietrzu mogą pro-wadzić do zmian toru wiązek i wprowadzać tzw. echa pasożytnicze (Gossard i Strauch, 1983).

Lidary rozproszeniowe posługują się wiązkami o mocach pojedynczych watów i z reguły nie są w stanie zbadać struktury chmury, we wnętrzu któ-rej promieniowanie świetlne jest skutecznie rozpraszane, co skutkuje z jed-nej strony silną ekstynkcją, a z drugiej rejestrowaniem przez detektor li-daru sygnałów pochodzących z wielokrotnego rozproszenia. Fala lidarowa, ze względu na małą długość, jest również efektywnie rozpraszana przez czą-steczki powietrza (szczególnie w przypadku zastosowania fal ultrafioleto-wych), nie można więc przy przetwarzaniu sygnałów lidarowych zaniedbywać stosownej poprawki (Kolwas et al., 2007). Głównym zastosowaniem lidarów rozproszeniowych są badania aerozolu.

Pomiary wykonane za pomocą urządzeń radarowych i lidarowych zostały wykorzystane w badaniach prowadzonych przez autorkę, przedstawionych w kolejnych rozdziałach.

D[m]lidarradarchmurowyradaropadowy 355nm532nm1064nm3,2mm8,6mm3cm10cm 109 8,85·103 5,91·103 2,95·103 3,67·107 9,84·107 1,05·107 3,14·108 108 8,85·102 5,91·102 2,95·102 3,67·106 9,84·106 1,05·106 3,14·107 107 8,85·101 5,91·101 2,95·101 3,67·105 9,84·105 1,05·105 3,14·106 106 8,85·100 5,91·100 2,95·100 3,67·104 9,84·104 1,05·104 3,14·105 105 8,85·101 5,91·101 2,95·101 3,67·103 9,84·103 1,05·103 3,14·104 104 8,85·102 5,91·102 2,95·102 3,67·102 9,84·102 1,05·102 3,14·103 103 8,85·103 5,91·103 2,95·103 3,67·101 9,84·101 1,05·101 3,14·102 102 8,85·104 5,91·104 2,95·104 3,67·100 9,84·100 1,05·100 3,14·101 101 8,85·105 5,91·105 2,95·105 3,67·101 9,84·101 1,05·101 3,14·100 Tablica1.1:Wartościparametruwielkościα(wzór1.10dlafallidarowychiradarowychorazróżnychśrednic cząstekrozpraszającychpromieniowanie-D).

Rozdział 2

Teledetekcyjne obserwacje aerozolu

2.1 Kampania pomiarowa MACRON

Jak wskazują dane zebrane w raporcie IPCC (IPCC, 2007), pomiary wła-sności aerozolu występującego w rejonach arktycznych są istotne dla zrozu-mienia zachodzących w ciągu ostatnich 100 lat zmian klimatu. Niedostępny dla satelitów geostacjonarnych oraz pokryty rzadką siatką stacji naziemnych obszar na północ od koła podbiegunowego jest jednocześnie miejscem, w któ-rym tempo wzrostu temperatury niemal dwukrotnie przekracza średnią glo-balną. Duże oddalenie od znaczących rejonów uprzemysłowionych czy pu-stynnych nie zapobiega docieraniu w obszary okołobiegunowe mas powie-trza niosących aerozole. Osiadające na powierzchni śniegów cząstki aerozolu - zwłaszcza zawierające węgiel cząsteczkowy produkty spalania - zmieniają al-bedo powierzchni (Hansen i Nazarenko, 2004). Ponadto, małe elewacje Słońca sprzyjają tu wielokrotnemu rozpraszaniu promieniowania słonecznego na kro-plach chmurowych i cząstkach aerozolu (Chylek et al., 1974; Randles et al., 2004), co zwiększa znaczenie chmur i aerozoli dla lokalnego bilansu promienio-wania w porównaniu z rejonami niższych szerokości geograficznych (Herber et al., 1999; Treffeisen et al., 2007). Z powyższych względów wnioski z po-miarów prowadzonych w innych szerokościach geograficznych nie mogą być traktowane jako reprezentatywne dla rejonów okołobiegunowych. Informacje zgromadzone podczas kampanii pomiarowych takich jak MACRON

(Mari-Rysunek 2.1: Miejsca prowadzenia pomiarów w czasie kampanii MACRON.

Mapy stworzone z użyciem witryny Planiglobe - http://www.planiglobe.com

time Aerosol, Clouds and Radiation Observations in Norway) stanowią wkład w zrozumienie zachodzących w Arktyce procesów radiacyjnych.

Kampania pomiarowa MACRON, w której uczestniczyła autorka niniej-szej rozprawy, miała miejsce w dniach 25 lipca - 16 sierpnia 2007. Pomiary prowadzono w kilku lokalizacjach w pobliżu miejscowości Andenes na wyspie Andøya (6917’N, 1600’E), na północnym krańcu archipelagu Vester˚alen w Norwegii (rysunek 2.1). Organizatorami kampanii były Instytuty Geofi-zyki i FiGeofi-zyki Doświadczalnej Wydziału FiGeofi-zyki Uniwersytetu Warszawskiego (IGF i IFD), Instytut Oceanologii PAN (IO PAN) oraz ALOMAR (Arctic Lidar Observatory for Middle Atmosphere Research – Arktyczne Obserwato-rium Lidarowe do Badań Środkowej Atmosfery).

W położonym na wzniesieniu o wysokości 380 m obserwatorium ALOMAR umieszczono należące do IGF przyrządy do pomiarów pasywnych -pyranometry, pyrgeometr, multispektralny fotometr słoneczny. Prowadzono tam również pomiary za pomocą instrumentów należących do ALOMAR (m.in. lidaru aerozolowego).

U podnóża wzniesienia, na terenie meteorologicznego poligonu rakieto-wego (ARR - Andoøya Rocket Range), ustawiony został lidar aerozolowy IFD oraz należący do ARR ceilometr. W wiosce Bleik, położonej na

połu-Rysunek 2.2: Ustawienie ceilometru w porcie w miejscowości Bleik.

dnie od poligonu i oddzielonej od niego skalistym cyplem pracował ceilometr IGF (rysunek 2.2). Obydwa ceilometry były tego samego typu (CHM15K).

Pod koniec kampanii w okolice Andenes przypłynął statek badawczy Polskiej Akademii Nauk, Oceania, wyposażony w liczniki cząstek (PMS CSASP-100 oraz CPC).

Celem eksperymentu było zbadanie własności aerozolu atmosferycznego oraz oddziaływań pomiędzy atmosferą i powierzchnią morza w rejonie Ark-tyki. Zgodnie z zamieszczonym wyżej opisem, kampania MACRON odbywała się na północ od koła podbiegunowego północnego. Ze względu na umiejsco-wienie punktów pomiarowych na brzegu oceanu (rysunek 2.1), dominują-cym typem obserwowanego aerozolu był aerozol morski (Petelski i Pisko-zub, 2006). Jego podstawowym składnikiem są higroskopijne cząsteczki soli morskiej – NaCl, KCl, CaSO4, (NH4)2SO4 (Visconti, 2001), dostające się do atmosfery w wyniku załamywania się fal morskich i odparowywania kro-pel wody wyrzucanych w powietrze w tym procesie. Kształt cząstek soli mor-skiej zależy od wilgotności powietrza: przy niskich wilgotnościach dominują sześcienne kryształki, przy wysokich sól rozpuszcza się w siadającej na niej wodzie i cząsteczki przybierają kształty sferyczne.

Oprócz soli morskiej, na aerozol morski składają się również skroplone gazy emitowane przez plankton. Liczbowo dominują cząstki Aitkena, jednak za większość całkowitej masy aerozolu odpowiadają cząstki modu

akumula-cyjnego i grube. Koncentracje mogą zmieniać się w zakresie 600 - 9000 cm−3, w zależności od stopnia zanieczyszczenia masy powietrza zalegającej nad mo-rzem cząstkami pochodzenia antropogenicznego (Hess et al., 1998).

Grubości optyczne obserwowane w rejonie arktycznym osiągają maksy-malne wartości późną zimą i wczesną wiosną, kiedy długo utrzymujące się układy wysokiego ciśnienia sprzyjają akumulacji zanieczyszczeń emitowa-nych lokalnie oraz transportowaemitowa-nych tu z niższych szerokości geograficzemitowa-nych (Shaw, 1995). W innych porach roku zwiększone grubości optyczne wiążą się (jak w przypadku omawianym w niniejszej rozprawie) z epizodami napływu zanieczyszczonego powietrza z południa (Herber et al., 1999; Tomasi et al., 2007).

Szczególnym przypadkiem zaobserwowanym podczas kampanii MA-CRON był napływ zanieczyszczonej aerozolem antropogenicznym masy po-wietrza z południa (7 - 8 sierpnia 2007). Nad obszarami zurbanizowanymi w składzie aerozolu dominują produkty spalania (przemysł i transport), ero-zji wiatrowej (składowisk popiołów, odpadów czy materiałów budowlanych, budów, dróg) oraz procesów przemysłowych (Seinfeld i Pandis, 1997). Obecne w dużych ilościach siarczany, azotany, węglany i związki amonowe mogą być rozpuszczane w kroplach wody i przechodzić reakcje fotochemiczne, tworząc różne rodzaje smogu. W porównaniu z naturalnym aerozolem morskim, ae-rozol z terenów uprzemysłowionych w większym stopniu pochłania promie-niowanie słoneczne z pasma widzialnego (d’Almeida et al., 1991). Aerozol transportowany z południa jest w związku z tym istotnym elementem bi-lansu radiacyjnego okolic podbiegunowych.

Opis tego przypadku, a w szczególności pomiarów fotometrycznych i ce-ilometrowych, w których brała udział autorka pracy, zawierają kolejne pod-rozdziały. Opis wyników znajduje się w artykule Study of vertical structure of aerosol optical properties with sun photometers and ceilometer during MA-CRON campaign in 2007 (Markowicz et al., 2012), którego współautorką jest doktorantka. Poniżej przedstawiono wykonane przez nią analizy sytuacji synoptycznej, danych pomiarowych i wyników modeli numerycznych.

Powiązane dokumenty