ΤΕΧΝΙΚΗ HSRL: ΑΡΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΚΑΙ ΠΡΟΟΠΤΙΚΕΣ ΥΠΕΥΘΥΝΟΣ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ: ΑΛ. ΠΑΠΑΓΙΑΝΝΗΣ ΚΑΠΟΓΙΑΝΝΗ ΙΩΑΝΝΑ

ΔΙΑΔΟΣΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ ΣΤΗΝ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑ Η ακτινοβολία διαδίδεται στην ατμόσφαιρα και εξασθενεί για 2 λόγους: Σκέδαση Απορρόφηση από τα μόρια της ατμόσφαιρας- mol ( π.χ. CO2, O2, N2) και από τα αιωρούμενα σωματίδια- aer ( π.χ. NaCl ωκεανών, αιθάλη από καύση βιομάζας, θειικά άλατα από ηφαίστεια ). Καθώς λοιπόν η ακτινοβολία laser προσπίπτει στα aer και στα mol έχουμε τριών ειδών σκεδάσεις: Σκέδαση Mie Σκέδαση Rayeigh Σκέδαση Raman

Σκέδαση Mie: aer/ ελαστική Μεγέθη aer από 0,01 μm – 1 cm Το λο της ακτινοβολίας είναι συγκρίσιμο με διάμετρο των aer. Έχουν ακανόνιστο σχήμα. Συντελεστής οπισθοσκέδασης: β ~ 1/λο. Σκέδαση Rayeigh : mol/ ελαστική Μεγέθη mol μερικά pm. Έχουν διάμετρο πολύ μικρότερη από το λο της ακτινοβολίας. Είναι σφαιρικά. Συντελεστής οπισθοσκέδασης: β ~ 1/λο4.

Σκέδαση Raman: mol/ μη ελαστική Μπορεί να είναι 2 ειδών: Raman Stokes: λs › λο Vs= Vo-n*ΔVR Raman anti-Stokes λAs ‹ λο VaS= Vo+n*ΔVR ΔVR → Μετατόπιση Raman του κάθε μορίου (cm-1) n → Τάξη σκέδασης Η σχέση που συνδέει τα λ, V: λ(μm)= 10000/V (cm-1) Η σκέδαση Raman χρειάζεται laser υψηλής ισχύος διότι το σήμα Raman είναι ασθενές σε σχέση με το σήμα από την ελαστική σκέδαση. Βασική σχέση: Σχέση Bohr: λ=c/v=(h*c)/ΔΕ

ΤΕΧΝΙΚΗ LIDAR- ΑΡΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ LI.D.A.R.= light detection and ranging Η τεχνική LI.D.A.R. βασίζεται στην εκπομπή παλμικής ακτινοβολίας laser στην ατμόσφαιρα και στην καταγραφή της οπισθοσκεδαζόμενης ακτινοβολίας. Κύρια χρήση: καταγραφή κατακόρυφης κατανομής ρύπων με μεγάλη χωρική (3- 1000 m) και χρονική ακρίβεια (sec- min).

ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΠΗΓΗΣ LASER Πρέπει το laser να είναι στενό φασματικά, δηλαδή με μικρό εύρος Δλ ( ~ 0,01nm) γύρω από το κεντρικό λο (250nm- 11μm) στο οποίο εκπέμπει. Πρέπει το laser να είναι παλμικό ώστε να γνωρίζουμε τον ακριβή χρόνο εκπομπής και λήψης της ακτινοβολίας, και να υπολογίζεται η αντίστοιχη απόσταση (χωρική διακριτική ικανότητα). ΔR= c*Δt/2 Δt: - ιδανικά η διάρκεια παλμού - στην πράξη ο χρόνος δειγματοληψίας

ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ- ΕΞΙΣΩΣΗ LIDAR Όπου: είναι ο γεωμετρικός συντελεστής επικάλυψης, ο οποίος εξαρτάται από τα γεωμετρικά στοιχεία της διάταξης. είναι ο συνολικός συντελεστής οπισθοσκέδασης (m-1 sr-1).Είναι μέτρο για το πόσο ισχυρό είναι το σήμα που επιστρέφει. είναι ο συνολικός συντελεστής εξασθένησης (m-1).

Είναι το οπτικό πάχος για το στρώμα μεταξύ των υψομέτρων r1 και r2. Το οπτικό πάχος μας ενδιαφέρει, διότι αν το γνωρίζουμε μπορούμε να υπολογίζουμε πόσο εξασθένησε η δέσμη που πέρασε μέσα από το συγκεκριμένο πάχος: I(z)=Io*

ΤΕΧΝΙΚΗ HSRL HIGH SPECTRAL RESOLUTION LIDAR Χρησιμοποιείται κυρίως για μετρήσεις των aer στην τροπόσφαιρα (0-10 km). Εκμεταλλεύεται την μετατόπιση συχνότητας Doppler που δημιουργείται από τους σκεδαστές(mol και aer). Η μετατόπιση Doppler είναι εντονότερη στα mol σε σχέση με τα aer. Μετ. Dopller Ταχύτητα mol 1 GHz 300 m/sec aer 3-30 MHz 1-10 m/sec Στο σχήμα: είναι το ολικό σήμα lidar από τα mol και τα aer. Η λεπτή κορυφή σχετίζεται με τα aer και είναι ο λόγος για τον οποίο χρειαζόμαστε laser με μικρό Δλ.

Περιγραφή διάταξης Σύστημα εκπομπής Χρησιμοποιείται NdYAG laser παλμικό που εκπέμπει με λ=532 nm. Ο KTP κρύσταλλος εκπέμπει σε δύο αρμονικές: λ1=532 nm (mol) και λ2=1064 nm (aer).

Σύστημα λήψης BS: Διχρωικός διαχωριστής δέσμης: 1064 nm PMT1(//) 532 nm PMT2 (//) PMT3(┴) PMT: Φωτοπολλαπλασιαστής IF: Φίλτρο συμβολής PBS: Κύβος διαχωρισμού της πόλωσης L: Φακός 532 nm

Tεχνικά χαρακτηριστικά

Πίνακας 1: Παράμετροι του HSRL και ενδεικτικές τιμές τους. Πίνακας 2: Πηγές σφαλμάτων

Μεγέθη που μας ενδιαφέρουν (combined channel,PMT1) ("molecular channel“,PMT2) (PMT3)

Ένα παράδειγμα: Saharan Mineral Dust Experiment May–June 2006

Άλλα μετρούμενα μεγέθη: Λόγος αποπόλωσης για τα aer. Όσο πιο μεγάλος είναι, τόσο πιο πολύ αποκλίνει από την σφαιρικότητα. Λόγος LIDAR για τα aer. Εξαρτάται από την χημική σύσταση και τον δείκτη διάθλασης των aer. Συνολικός συντελεστής οπισθοσκέδασης των aer. Λόγος οπισθοσκέδασης= 1+(βaer/βmol)

Γραφική Αναπαράσταση Μετρούμενων μεγεθών

Πειραματικές Μετρήσεις Από το Saharan Mineral Dust Experiment

Μέτρηση Συντελεστή Οπισθοσκέδασης β από νέφη και aer (Αύγουστος 2007, Βραζιλία)

Μια πιο ρεαλιστική αναπαράσταση πηγή: www.nasa.gov/

ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ HSRL Διαχωρίζει κατευθείαν τα aer απο τα mol. Επιστρέφει ισχυρά σήματα. Το στενό φίλτρο απορρόφησης που χρησιμοποιεί περιορίζει τον θόρυβο υποβάθρου. Το NdYAG laser παρέχει υψηλή ισχύ(εκατοντάδες watts) ενώ ταυτόχρονα λειτουργεί για χιλιάδες ώρες χωρίς συντήρηση.

ΑΕΡΟΜΕΤΑΦΕΡΟΜΕΝΑ LIDAR ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ 1.Κάνουν μετρήσεις στα ανώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας(π.χ για ανεμο,βαρυτικό πεδίο). 2.Μετρούν ρύπους πάνω από δυσπρόσιτες περιοχές(π.χ ηφαίστεια,πολικές περιοχές). 3.Κινούνται ταχύτερα από τις αέριες μάζες και έτσι μπορούν να τις ακολουθούν και να τις παρατηρούν(π.χ σε εκτακτες κλιματικές αλλαγές). ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ 1.Κόστος. 2.Περιορισμένος χώρος. 3.Δεν μπορούν πάντα να πετάξουν.

ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ HSRL 1.Ταχύτητα ανέμου:αξιοποιεί το φαινόμενο Doppler και συνεπως,αφού μετρήσουμε την αλλαγή στη συχνότητα της ακτινοβολίας που επιστρέφει μετά τη σκέδαση, καταλαβαίνουμε με τί ταχύτητα κινούνται οι αέριες μάζες. 2.Μέτρηση θερμοκρασίας:το HSRL χρησιμοποιεί φίλτρα απορρόφησης ιωδίου τα οποία έχουν διαφορετική απόκριση σε κάθε θερμοκρασία.Άρα αλλαγή στην απόκριση συνεπάγεται αλλαγή θερμοκρασίας.

ΠΡΟΟΠΤΙΚΕΣ ΕΠΙΓΕΙΑ>ΑΕΡΟΜΕΤΑΦΕΡΟΜΕΝΑ >ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΑ Laser οπτικών ινών θα πολ/ζουν την αρχική τους ισχύ με αποτέλεσμα την εξοικονόμηση ενέργειας.Επίσης θα λειτουργούν για δεκάδες χιλιάδες ώρες χωρίς να χρειάζονται συντήρηση. Μικρότερος όγκος διάταξης. Οπτικές ίνες θα αντικαταστήσουν τα οπτικά στοιχεία ώστε να ελαχιστοποιηθούν οι απώλειες και να βελτιωθεί η απόδοση του συστήματος.

βιβλιογραφία Michael Esselborn, Airborne high spectral resolution lidar for measuring aerosol extinction and backscatter coefficients, Applied Optics, 47, 346-358, 2008. Claus Weitkamp, Range-Resolved Optical Remote Sensing of the Atmosphere Su, W., G. L. Schuster, N. G. Loeb, R. R. Rogers, R. A. Ferrare, C. A. Hostetler, J. W. Hair, and M. D. Obland (2008), Aerosol and cloud interaction observed from high spectral resolution lidar data, J. Geophys. Res., 113, D24202, doi:10.1029/2008JD010588. Μ.Μακροπούλου,Α.Παπαγιάννης,«Εφαρμογες των laser στην βιοιατρική και στο περιβάλλον",Κεφ2,Κεφ4,2005