Pomiary własności optycznych Pomiary własności optycznych aerozoli. aerozoli.

Pomiary własności optycznych Pomiary własności optycznych

aerozoli.

aerozoli.

Krzysztof

Krzysztof M. M. Markowicz Markowicz

Plan seminarium Plan seminarium

• Wstęp

• Optyczne własności aerozolu

• Przyrządy do pomiaru optycznych własności aerozoli

• Pomiary grubości optycznej – budowa i zasada działania sunfotometru.

• kalibracja sunfotometru- metoda Langleya

Dlaczego mierzmy własności optyczne aerozoli?

W celu

1. oszacowania wpływu aerozolu na klimat

• wyznaczenia wymuszania radiacyjnego przez aerozol w szczególności na szczycie atmosfery

2. oszacowania tzw. poprawki atmosferycznej w teledetekcyjnych metodach pomiaru koloru oceanu, własności powierzchni ziemi.

Optyczne własności aerozolu

1. Współczynnik absorpcji, rozpraszania oraz ekstynkcji W przypadku rozpraszania na pojedynczej cząstce

gdzie Q_abs, Q_scat, Q_ext sa efektywnym przekrojem czynnym na absorpcje, rozpraszanie oraz ekstynkcje.

W ogólności gdy mamy cząstki o rożnych rozmiarach wzory te mają postać

a 2 abs  r Q

 _scat  ^r2Q_scat _ext  r²Q_ext







_abs(z) Q_abs(m,kr)r²n(r)dr







_scat(z) Q_scat(m,kr)r²n(r)dr







_ext(z) Q_ext(m,kr)r²n(r)dr

Gdzie n(r) jest rozkładem wielkości cząstek, m współczynnikiem refrakcji, zaś k liczba falowa.

Rozpraszanie Rozpraszanie

MIEMIE

 ^{  }





H

0

ext

2Q (2 r / ,m)n(r)dr r

dz



 eI 

I _o

I_o

warstwa aerozolu

Grubość optyczna aerozolu





exp I

I  _o  _ext  _o 

Funkcja fazowa dla rozpraszanie określa rozkład kątowy

promieniowania rozproszonego

ext scat



 

 Albedo pojedynczego rozpraszania

^{  }_ ^{   }



2

0 0

d d sin 4 cos

) ( g P

1 d

d 4 sin

) (

2 P

0 0







 

^{ } 

parametr asymetrii –

pierwszy moment funkcji fazowej

Funkcje fazowe Funkcje fazowe dla rozpraszania MIE dla rozpraszania MIE

X=2r/

) ,

; ( J ) ,

; ( d I

) ,

; (

dI        







 

I- radiancja, - cosinus kąta zenitalnego , -kat azymutalny, - grubość optyczna, J- funkcja źródłowa



_o 

_o

I

d

Transfer promieniowana przez atmosferę

 ^













 







 









 

 

















 

 





 ²

0 1

1 o

o o

oP( , ; , )exp (1 )B(T( ))

4 F ) ' ,'

; , ( P ) ,'

; ( I ' d ' 4 d

) ,

; ( J

F_o stała słoneczna, B funkcja Planck’a,

_o cosinus kata zenitalnego słońca,

_o kąt azymutalny słońca.

Pomiary absorpcji aerozolu

PSAP-Particle soot absorption photometer

Pomiar _a dla =565 nm _a = (S/V)ln(I_o/I)

where

_a współczynnik absorpcji [m^-1]

S powierzchnia zajmowana przez cząstki sadzy [m²]

V – objętość powietrza przepływająca w jednostce czasu [m³]

I – natężenie promieniowania przechodzącego przez filtr

I_o natężenie promieniowania padającego na filtr

Aethalometer-pomiar transmisji przez filtr

kwarcowy

Nephelometer całkujący

Pomiar współczynnika rozpraszania Pomiar współczynnika rozpraszania

Nephelometer polarny

Pomiar funkcji fazowej Pomiar funkcji fazowej

Pomiary grubości optycznej aerozolu Pomiary grubości optycznej aerozolu

MICROTOPS- pomiar

bezpośredniego promieniowania słonecznego

Wyznaczane:

1. Grubość optyczna

=380,440,500,675,870,1020 nm]

2. Opad potencjalny

3. Całkowitą zawartość ozonu w pionowej kolumnie powietrza (MICROTOS OZONOMETER)

CIMEL-sunphotometer

Używany w sieci AERONET Pomiar bezpośredniego

promieniowania słonecznego za pomocą aktywnego systemu

śledzącego Słońce oraz radiancji nieba (aureola Słońca)

Wyznaczanie teledetekcyjne 1. Grubość optyczna aerozolu

=[340,380,440,670,870,1020 nm]

2. Albedo pojedynczego rozpraszania 3. Funkcja fazowa

PREDE PREDE

Shadowband

detektory:

fotodiody

Spektralny pomiar promieniowania całkowitego oraz rozproszonego

=[415,500,610,665,862,940 nm]

Służy do wyznaczania grubości optycznej aerozolu oraz opadu potencjalnego.

Lidar- mikropulsowy MPL Lidar- mikropulsowy MPL

=523 nm

rozdzielczość pionowa 75 m Zasięg 8-20 km

  A²

2 R A

2 R(z) (z)Tr Tr z

) CE z (

S   

  _



 



  







 ^z

0

A R

A

2 R(z) (z) exp 2 [ (z') (z')]dz' z

) CE z ( S

Wyznaczany na podstawie sygnału lidarowego:

Pionowy profil ekstynkcji oraz współczynnika rozpraszania do tylu

•obudowa z plastiku o wymiarach 170x80x40mm

•miernik uniwersalny 2 baterie 9V

•wzmacniacz operacyjny 741 lub LTC1051

•opornik 0.5 M

•dioda LED

•płytka drukowana o wymiarach 20x30mm

•przewody

•gniazda bananowe

•wyłącznik

•2 kawałki blachy 10x30x1mm grubości

Budowa Sunphotometru

Fizyka pomiaru grubości optycznej Fizyka pomiaru grubości optycznej

•



 



) I_o( )e ^m (

I   _R  _A  _O3



 



 



 



 ^m

2 o

os e

d ) d ( I ) (

V I

I 



 



 



 



 ^m

2 o

os e

d ) d ( V ) (

V _{R O3}

o os

A d

ln d V 2

ln V m

1   



 



 

 



 



 



 



_R, _a, _O3, -- grubość optyczna związana z rozpraszaniem Rayleigha i

MIE oraz absorpcją przez ozon, m jest masą optyczną atmosfery.

A=8436E-6 B=1225E-7 C=14E-5



 



 



 

 



 



 





365 2 Jd cos 034 . 0 d 1

d_o ²

) A

1013(

p _{4 5 6}

R





   







a=0.50572 b=6.07995 c=1.6364

c h

h 180 b

a sin

m 1 _



 



 

 







Procedura pomiarowa Procedura pomiarowa

1. Pomiar prądu (napięcia) przy zaciemnionym detektorze.

2. Ustawienie przyrządu na Słońce.

3. Wyznaczenie maksymalnego napięcia odpowiadającego idealnemu ustawieniu na Słońce.

4. Procedura obliczeniowa, wyznaczenie a) położenia Słońca

b) Molekularnej grubości optycznej

c) Poprawki na odległość Ziemia-Słońca

d) Grubość optycznej aerozolu (używając stałej kalibracyjnej)

Kalibracja-metoda Langleya Kalibracja-metoda Langleya



 









 



 



 



 m

d ) d ( V ln )

( V ln

2 o os

Założenia

1. Stale warunki meteorologiczne 2. Horyzontalna jednorodność

3. Tarcza słoneczna wolna od chmur

Standardowo wykonywana

Po wschodzie lub przed zachodem słońca gdy kat elewacyjny zmienia się w

przedziale od 10 do 30 ^o masa optyczna w tym przypadku zmienia się od 2 do 7.

Obserwatorium wysokogórskie Mauna Loa na Hawajach Obserwatorium wysokogórskie Mauna Loa na Hawajach

Pomiary w czasie obozu

Strumień promieniowania całkowitego (krótkofalowy) Strumień promieniowania bezpośredniego

Albedo powierzchni ziemi

Kalibracja Sunphotometru metoda Langleya Pomiar grubości optycznej aerozolu

Obliczanie natężenia promieniowania F=V/C

Gdzie stała kalibracji wynosi C=