Μέτρηση της κατακόρυφης κατανομής CO2 με χρήση τεχνικής LIDAR Χάρης Πιτσιλός Επιβλέπων Καθηγητής: Α. Παπαγιάννης

Περιεχόμενα Εισαγωγή Ιστορική Αναδρομή Αποτελέσματα Μετρήσεων Τεχνική LIDAR Πλεονεκτήματα τεχνικής LIDAR σε σχέση με συμβατικές τεχνικές μέτρησης ατμοσφαιρικών ρύπων Αλληλεπίδραση Ακτινοβολίας Laser και ατμόσφαιρας Μέθοδοι Ανίχνευσης CO2 Tεχνική Διαφορικής Απορρόφησης (DIAL) Μελλοντικές Προοπτικές Βιβλιογραφία

Διοξείδιο του Άνθρακα(CO2) Δορυφορικές Τεχνικές(LIDAR) Εισαγωγή Στόχος Μέτρηση της συγκέντρωσης CO2 και στη συνέχεια εκτίμηση των επιπτώσεων τους στον άνθρωπο και στο περιβάλλον (υγεία και φαινόμενο κλιματικής αλλαγής-διαμόρφωση ενεργειακού ισοζυγίου αντίστοιχα) Βασικές Έννοιες Διοξείδιο του Άνθρακα(CO2) Δορυφορικές Τεχνικές(LIDAR)

Εισαγωγή LIDAR (Light Detection And Ranging) ένα οπτικό τεχνολογίας τηλεπισκόπησης που μπορεί να μετρήσει την απόσταση, ή άλλες ιδιότητες ενός στόχου με το φωτισμό του στόχου με το φως, χρησιμοποιώντας παλμούς λέιζερ για να παράγουν μεγάλες ποσότητες δεδομένων σχετικά με την φυσική διάταξη του εδάφους και του τοπίου. Τα δεδομένα μπορούν να αναλυθούν και να χρησιμοποιηθούν σε διάφορες εφαρμογές όπως: - χαρτογράφηση των περιοχών για την κατασκευή και τις δομές στον κλάδο των κατασκευών δημιουργία ψηφιακών χαρτών εδάφους για χρήση σε συστήματα γεωγραφικών πληροφοριών δημιουργία ψηφιακών χαρτών βλάστησης για χρήση σε βιομηχανίες της δασοκομίας και της διαχείρισης της γης. Aκόμα σε τομείς όπως: αρχαιολογία, σεισμολογία, ατμοσφαιρική φυσική καθώς και στην εναέρια χαρτογράφηση λωρίδα λέιζερ (ALSM), λέιζερ και υψομετρίας LIDAR χαρτογράφηση του περιγράμματος.

Εισαγωγή Διοξείδιο του άνθρακα(CO2) ανόργανη χημική ένωση του στοιχείου άνθρακας. άχρωμο, άοσμο και άγευστο αέριο, βαρύτερο από τον ατμοσφαιρικό αέρα. χημική του αδράνεια και σταθερότητα ως ένωση, αντιδρά δηλαδή και διασπάται δύσκολα στα συστατικά του. Αποτελεί προϊόν όλων των καύσεων ορυκτών καυσίμων (κάρβουνου, πετρελαίου, βενζίνης, φυσικού αερίου), αλλά και του ξύλου, πλαστικών κ.ά. οργανικών ενώσεων, καθώς και της αναπνοής όλων των ζωντανών όντων. το διοξείδιο του άνθρακα που απελευθερώνεται στην ατμόσφαιρα της Γης αποτελεί (σύμφωνα με μια μεγάλη μερίδα επιστημόνων) τον κυριότερο παράγοντα που προκαλεί το τεχνητό (ανθρωπογενές) φαινόμενο του θερμοκηπίου.

Εισαγωγή

Ιστορική Αναδρομή 60s (Η.Π.Α.) 70s 80s έως σήμερα - χρήση των ακτίνων λέιζερ για καταγραφή της ατμοσφαιρικής ρύπανσης (κατώτερη ατμόσφαιρα) καθώς και των διαφόρων παραμέτρων της ατμόσφαιρας(π.χ. Κίνηση αέριων μαζών) 70s - Ανάπτυξη ισχυρών παλμικών λέιζερ μεταβλητού μήκους κύματος  Μέτρηση για πρώτη φορά, σε πραγματικό χρόνο, οι βασικότεροι αέριοι ρύποι της ατμόσφαιρας, όπως SO2, NΟx, O3, CO, CO2 και CH4. 80s έως σήμερα καταγραφή τοξικών ουσιών (υδρογονάνθρακες, οργανικές ενώσεις κλπ.) όπως επίσης και ανίχνευση του ατμοσφαιρικού όζοντος μέχρις ύψους 45 χιλιομέτρων (λόγω ανάπτυξης ισχυρών παλμικών λέιζερ Nd:YAG) ανάπτυξη εξελιγμένων αερομεταφερόμενων συστημάτων Lidar  ακριβή μέτρηση της κατακόρυφης κατανομής του O3 ,αιωρούμενων σωματιδίων της υγρασίας και του πεδίου των ανέμων υπεράνω μεγάλων γεωγραφικών περιοχών, από το έδαφος έως τα 3000m. αναπτύχθηξη συστήματων Lidar που εκτοξεύθηκαν σε διαστημική τροχιά με σκοπό τη μέτρηση του πεδίου των ανέμων, της θερμοκρασίας, των υδρατμών και του ύψους των νεφών.

Ιστορική Αναδρομή

Αποτελέσματα Μετρήσεων

Τεχνική LIDAR Αρχή Λειτουργίας Εκπομπή παλμικής ακτινοβολίας laser στην ατμόσφαιρα και της οπισθοσκεδαζόμενης ακτινοβολίας laser. Η σκεδαζόμενη ακτινοβολία συλλέγεται από οπτικό τηλεσκόπιο και οδηγείται σε σύστημα λήψης και καταγραφής των σημάτων LIDAR Η τεχνική αυτή είναι ικανή να καθορίσει την κατακόρυφη κατανομή των κυριότερων ρύπων και συστατικών της ατμόσφαιρας με μεγάλη χρονική(10-30s) και χωρική(3-7m) ακρίβεια

Τεχνική LIDAR Ατμόσφαιρα: μόρια, άτομα, αερολύματα Laser Τηλεσκόπιο Μονάδα ανίχνευσης-καταγραφής σημάτων PMTs Φασματοφωτόμετρο

Μονάδες Ανίχνευσης & Καταγραφής Τεχνική LIDAR Εξοπλισμός Χαρακτηριστικά Laser Μονάδες Ανίχνευσης & Καταγραφής PMT Photon Counting

Τεχνική LIDAR Εξοπλισμός - Οπτικά Μετάδοσης & Ανίχνευσης Οπτικά Φίλτρα Τηλεσκόπιο

Πλεονεκτήματα Τεχνικής LIDAR σε σχέση με συμβατικές τεχνικές μέτρησης Ατμοσφαιρικών Ρύπων Μέτρηση από απόσταση χωρίς αλλοίωση του μετρούμενου δείγματος. Μετρήσεις με μεγάλη χωρική(5-1000 m) και χρονική(1-10 s) ακρίβεια. Μέτρηση σε πολύ μεγάλες αποστάσεις(από μερικά μέτρα εως 100-120 χλμ). Μέτρηση σε πραγματικό χρόνο και συνεχή καταγραφή της κατακόρυφης και οριζόντιας κατανομής ρύπων με παράλληλη λήψη μερτήσεων σε 1-2 και 3 διαστάσεις στο χώρο. Ικανότητα μέτρησης πολλαπλών ρυπαντών ταυτόχρονα.

Ν(λ,z)=Ne(λ)⋅(cτ/2)⋅β(λ,z)⋅Α⋅η(λ)⋅ξ(λ)⋅ξ(z)⋅(1/z)2⋅exp[-2τ(λ,0,z)] Τεχνική LIDAR Εξίσωση LIDAR Ν(λ,z)=Ne(λ)⋅(cτ/2)⋅β(λ,z)⋅Α⋅η(λ)⋅ξ(λ)⋅ξ(z)⋅(1/z)2⋅exp[-2τ(λ,0,z)] Ν(λ,z): # ανιχνευόμενων φωτονίων στο μήκος κύματος λ από απόσταση z Ne(λ): # εκπεμπόμενων φωτονίων στο μήκος κύματος λ από απόσταση z Α: επιφάνεια λήψης οπτικού τηλεσκοπίου η(λ): συντελεστής οπτο-ηλεκτρονικής απόδοσης συστήματος LIDAR C: ταχύτητα φωτός, τ: διάρκεια παλμού του συστήματος laser ξ(λ): συντελεστής ανακλαστικότητας οπτικού τηλεσκοπίου ξ(z): γεωμετρικός συντ. επικάληψης του συστήματος LIDAR στην απόσταση z β(λ,z): συντ. οπισθοσκέδασης της ατμόσφαιρας, β(λ,z)= β(λ,z)aer + β(λ,z)mol τ(λ,0,z): οπτικό πάχος της ατμόσφαιρας από αιωρούμενα σωματίδια(aer), μόρια(mol), και άλλα συστατικά(c) της ατμόσφαιρας, όπου τ(λ,0,z)=∫ο➝z [αmol(λ,z’)+αaer(λ,z’)+αc(λ,z’)]dz’

Αλληλεπίδραση ακτινοβολίας Laser και ατμόσφαιρας Απορρόφηση Το φαινόμενο κατά το οποίο, τα φωτόνια της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας (μεταφέρουν καθορισμένο ποσό ενέργειας) αλληλεπιδρούν με την ύλη και η αλληλεπίδραση αυτή έχει ως αποτέλεσμα την μεταφορά ενέργειας από την δέσμη της ακτινοβολίας προς την ύλη ονομάζεται απορρόφηση ακτινοβολίας. Σκέδαση Το φαινόμενο κατά το οποίο όταν μία δέσμη ακτίνων συναντήσει ένα σωματίδιο και απορροφηθεί στιγμιαία τότε η ενέργεια της προσπίπτουσας ακτινοβολίας επανεκπέμπεται με το ίδιο μήκος κύματος (ελαστική) ή με διαφορετικό μήκος κύματος (μη-ελαστική) ανομοιόμορφα προς όλες τις κατευθύνσεις.

Αλληλεπίδραση ακτινοβολίας Laser και ατμόσφαιρας διαπερατότητα (παράθυρο ατμόσφαιρας) περιοχές χαμηλής απορρόφησης όπως: περιοχή ορατού(0.4-0.7μm) κοντινού υπερύθρου(0.7-1.5μm) μέσου υπερύθρου(3-5μm) & (9-13μm) καθορισμός τύπου LASER

Αλληλεπίδραση ακτινοβολίας Laser και ατμόσφαιρας οι άσπρες περιοχές δείχνουν τα ατμοσφαιρικά παράθυρα στα οποία η ακτινοβολία δεν αλληλεπιδρά πολύ με τα μόρια του αέρα.

Αλληλεπίδραση ακτινοβολίας Laser και ατμόσφαιρας Mie Rayleigh Raman - ελαστική: στα. λ οπισθοσκεδαζόμενης ακτινοβολίας laser - Ενταση ~ 1/λ - βασική μέθοδος μέτρησης της διασπαρμένης σωματιδιακής ύλης στην ατμόσφαιρα (καπνός, ομίχλη, αεροζόλ, κτλ) - ελαστική: σταθ. λ οπισθοσκεδαζόμενης ακτινοβολίας la ser - Αφορά σε σωματίδια διαστάσεων περίπου 10% του λ της προσπίπτουσας ακτινοβολίας - Ένταση ~ 1/λ4 - Μοριακή Σκέδαση - Μπλε χρώμα ουρανού - μη ελαστική: αλλαγή του λ οπισθοσκεδαζόμενης ακτινοβολίας laser - Διέγερση των μορίων του στόχου, τα οποία επιστρέφοντας στην μη-διεγερμένη κατάσταση εκπέμπουν ακτ. σε διαφορετικό μήκος κύματος που αποτελεί χαρακτηριστικό μορίων του στόχου.

Μέθοδοι Ανίχνευσης CO2 με χρήση Laser Η μέθοδος της ενεργούς τηλεπισκόπησης Lidar (Laser Identification, Detection and Ranging) χρησιμοποιείται για τη μέτρηση πολυάριθμων αέριων ρύπων και παραμέτρων της ατμόσφαιρας. Η τεχνική αυτή επιτρέπει, μέσω της αλληλεπίδρασης της ακτινοβολίας λέιζερ και της ατμόσφαιρας, τη μέτρηση των κυριότερων ατμοσφαιρικών ρύπων και παραμέτρων της ατμόσφαιρας, κατά μήκος της διεύθυνσης διάδοσης της ακτίνας λέιζερ. LIDAR Διαφορικής Απορρόφησης LIDAR τύπου Raman

Τεχνική Διαφορικής Απορρόφησης (DIAL) Στηρίζεται στη μέτρηση της εξασθένησης της έντασης της επιστρεφόμενης ακτινοβολίας. Η εξασθένηση της δέσμης του λέιζερ κατά την διαδρομή της μέσα από τον στόχο εμπεριέχει πληροφορίες για την συγκέντρωσή του μορίου που την απορρόφησε στο συγκεκριμένο μήκος κύματος. Ταυτόχρονη εκπομπή 2 διαφορετικών μηκών κύματος, λon (έντονη απορρόφηση) και λoff (αρκετά ασθενέστερη απορρόφηση), τα οποία συνήθως διαφέρουν κατά μερικά δέκατα nm Με χρήση της εξίσωσης LIDAR από τα λαμβανόμενα σήματα Pon και Poff, στα λon και λoff αντίστοιχα μπορούμε να υπολογίσουμε την κατανομή συγκέντρωσης μοριακών συπάντων στην ατμόσφαιρα. Στην περίπτωση της τεχνικής DIAL ισχύει η εξίσωση: ΠΡΟΣΟΧΗ! Θα πρέπει ο συγκε- κριμένος μετρούμε-νος ατομικός ή μο- ριακός ρυπαντής να απορροφά έντονα σε αυτά (κατά τη διαδι- κασία απορρόφησης ενός φωτονίου  διέγερση του μορίου σε ανώτερες ενερ- γειακές στάθμες)

Τεχνική Διαφορικής Απορρόφησης (DIAL) Pon(z)/Poff(z)=C⋅exp{-20→z∫[σ(λon)-σ(λoff)]⋅n(z’)⋅dz’} α(λ)=συν/τής εξασθένησης= σ(λ) Ν σ(λ)=ενεργός διατομή απορρόφησης(cm-2)Ν= μέση συγκέντρωση αέριου ρύπου σ(λon) >> σ(λoff)

Τεχνική Διαφορικής Απορρόφησης (DIAL) 2-MICRON HIGH-REPETITION RATE LASER TRANSMITTER FOR CO2 AND WIND LIDAR (COWI) Reviewed and Revised Papers of the 26th International Laser Radar Conference, 25-29 June 2012, Porto Heli, Greece.

Τεχνική Διαφορικής Απορρόφησης (DIAL) EXPERIMENTAL CO2 MEASUREMENT BY COHERENT 2 M DIFFERENTIAL ABSORPTION AND WIND LIDAR WITH ATMOSPHERIC AND HARD TARGET RETURNS Reviewed and Revised Papers of the 26th International Laser Radar Conference, 25-29 June 2012, Porto Heli, Greece.

Τεχνική Διαφορικής Απορρόφησης (DIAL) VALIDATION OF THE DIRECT DETECTION 1.6μm CO2 DIAL Reviewed and Revised Papers of the 26th International Laser Radar Conference, 25-29 June 2012, Porto Heli, Greece.

Raman lidar for CO2 measurement in the low atmosphere Reviewed and Revised Papers of the 26th International Laser Radar Conference, 25-29 June 2012, Porto Heli, Greece.

Μελλοντικές Προοπτικές LIDAR Το μέλλον των τεχνικών LIDAR εξαρτάται σαφώς από την ανάπτυξη απλούστερων, οπτικά-ασφαλέστερων συστημάτων που μπορούν να καλύψουν απαιτήσεις παρατήρησης και μέτρησης, τόσο σε αποδεκτό κόστος όσο και χωρίς κινδύνους για τα μάτια. Εν όψει των ραγδαίων αλλαγών που συμβαίνουν στη σύγχρονη τεχνολογία, όχι μόνο από τη σκοπιά των λέιζερ αλλά και της ψηφιακής απεικόνισης υπολογιστικών συσκευών, είναι πολύ πιθανό, ότι οι κατάλληλες λειτουργικές συσκευές για συνήθεις παρατηρήσεις θα αναπτυχθούν μέσα στην επόμενη δεκαετία. Στον τομέα της έρευνας της ρύπανση του αέρα,η ήδη καλά αποδεδειγμένη ικανότητά του lidar, αναμένεται να διευρυνθεί και να επεκταθεί.

Μελλοντικές Προοπτικές 26th International Laser Radar Conference Happens in Greece this June (25-29) For more info: http://ilrc26-2012.gr/mdlcms/index.php

Βιβλιογραφία Ελληνική Α. Παπαγιάννης, Φυσική Ατμοσφαιρικού Περιβάλλοντος, Εκδόσεις Ε.Μ.Π. 2005 ΣΥΜΠΛΗΡΩΜΑΤΙΚΕΣ ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ “ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΩΝ LASER ΣΤΗ ΒΙΟ ́Ι ́ΑΤΡΙΚΗ ΚΑΙ ΤΟ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ”, A.ΠΑΠΑΓΙΑΝΝΗΣ, M. MAKΡΟΠΟΥΛΟΥ ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΡΥΠΑΝΣΗ ΚΑΙ ΧΗΜΕΙΑ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ, Πρόδρομου Ζάνη, Α.Π.Θ., 2008

Βιβλιογραφία Ξένη Ismail, S., Koch, G. J., Barnes, B. W., Abedin, N., Refaat, T. F., Yu, J., "Technology Developments for Tropospheric Profiling of CO2 and Ground-Based Measurements”,2004 A. Papayannis, D. Balis and V. Amiridis: Reviewed and Revised Papers of the 26th International Laser Radar Conference, 2012 E.V. Browell, S. Ismail and W.B. Grant, Differential absorption lidar (DIAL) measurements from air and space, 1998 http://www.adsabs.harvard.edu/ http://www.csiro.au/Outcomes/Food-and-Agriculture/LightDetectionLidar.aspx http://www.capnography.com (/new/index.php?option=com_content&view=article&id=216&Itemid=87 ) http://nemertes.lis.upatras.gr/jspui/handle/10889/5162 www.wikipedia.org http://www.opticsinfobase.org www.springerlink.com

Ευχαριστώ για την προσοχή σας