Post on 01-May-2015
transcript
Misure da aereo con tecniche congiunte DOAS e LIDAR per la caratterizzazione bidimensionale
degli inquinanti gassosi (O3, SO2, NO2, Formaldeide) e delle polveri.
I. Kostadinov, G.Giovanelli, D.Bortoli, E.Plazzi, A.Petritoli, F.Ravegnani, F.Margelli, U.Bonafè
ISAC-CNR, via Gobetti 101, 40129 Bologna
OR 12
OBIETTIVI:
• Impiego di un mini-LIDAR per la caratterizzazione dimensionale dell’aerosol atmosferico all’interno dello strato di rimescolamento.
• Integrazione della strumentazione DOAS (OR11) installata su aereo con il mini-LIDAR per determinare la distribuzione bidimensionale dell’inquinamento atmosferico (gas e aerosol) nel basso strato (primi 2 km).
• Mapping degli inquinanti su vaste aree utilizzando strumentazione montata su aereo anche al fine di effettuare occasionali Valutazioni di Impatto Ambientale o indagini di tipo sistematico.
The European Environment Agency is the leading public body in Europe dedicated to providing timely, targeted, relevant and reliable information to policy-making agents and the public, to support sustainable development and to help achieve significant and measurable improvements in Europe’s environment.
Protecting human health and quality of life
Environment and human health
To help improve human health and the quality of life as related to the environment to support the EU environment and health action plan. Specifi c outputs will include:
• a methodological framework in which to analyse environment and health issues;
• a set of environment and health indicators to track key environmental stressors, such as air quality and indoor pollution on human health, in consultation with EEA member countries and the World Health Organization;
• establishment of an Eionet network for environment and health;
• a revised set of environment and health assessments;
• partnership activities with the European Food Safety Authority.
Chemicals
To support policies that will reduce risks posed by the use of chemicals. Specifi c areas of work will include:
• development of a monitoring framework and information system linked to concentrations, exposure and effects of chemicals, including pesticides, in different natural and urban systems;
• partnership activities with the new European Chemicals Agency.
Air quality To support the process of reaching a quality of air that does not give rise to signifi cant impacts and risks to human health and the environment. Specifi c outputs will include: • distance–to–target assessments; • assessments of local and indoor air pollution; • air quality and air pollutant emissions monitoring, including improvements to Airbase; • assessment of exposure to air pollutants, especially in urban aras and street canyons. EEA strategy 2004–2008, ISBN 92-9167-638-1
AEROSOL, SALUTE, CLIMANATURAL ORIGIN Soil dustSea saltVolcanic dustVolcanic sulphates
ANTHROPOGENIC ORIGINIndustrial sulphatesOrganic particlesSoot
Residence time
~ week (R> 50 m)
~ month (R < 0.5 m)
Spectral properties Polarisation properties
Methods:
• In-situ (sampling
• LIDARS
• Modelling of radiative transpfer
Cortesy of V.Mitev
Platforms:Ground-based
AircraftSatellite
Balloon-borne
Targets:Aerosols
(PM1,PM2.5, PM10)
GasesClouds detection
rco2
2
4
jPsin- E
Induced electric dipol
Polarized scattered radiation
2
c
2 J
224-
ro
isinPo
cr
sin
4
kP- H
2
2sin sin
tP P o cos
Long, 1978
V
U
Q
I
V
U
Q
IuIpIu
V
U
Q
Ip
0
0
0
Stokes parameters
Parallel polarisation
Perpendicular polarisation
Contemporaneamente Mie e Rayleigh
segnali si ricevono dal LIDAR necessità di separarli
Inversione dei dati ottici per ricavare la size distribution
- dati sperimentali, j - varie
Kj(r) - Kernel functions Junge type functions
rdrKj rd
rdVe
js log)( log)(
se
j
In condizioni di assenza di aerosol, il segnale dipende soltantodallo scattering molecolare: procedura di normalizzazione
z
dzzzzz
zEkzV
ma
ma0
'))'()'((e))()((
1)(
,,2
,,2
,0
V(z) - il segnale ricevuto d’altezza zK- la constante del LIDAR ( trasmissione del ottica ed efficienza del sensore )
Eo, - l’energia del impulso del laser - coefficiente di backscattering volumetrico (m-1sr-1) - coefficiente di estinzione (m-1) a , m aerosol, molecular
Il segnale ricevuto dal LIDAR
][].T[
]P[ E7367.3)0( 8-
,μmK
mbarm
Penndorf, 1957
0
2 )()( drrNrQr back
0
2 )()( drrNrQr ext
LIDAR ratio: R= /
se R – indipendente dalla distanza dal LIDAR (non realistico) retrieving di è semplice
=> ulteriori dati necessari
Backscatter ( and extinction () coefficienti sono relativi al:• Raggio (r) delle particelle (sferiche) • Distribuzione dimensionale N(r)• e loro efficienza Qback e Q ext
(la frazione di radianza in arrivo sul aerosol successivamente asorbita o scatterata )
Per interpretare correttamente l’informazione contenuta nelle misure dei composti atmosferici effettuate con strumentazione remota (spettrofotometri, Lidar)
PROcessing of Multi Scattered Atmospheric Radiation
Modello probabilistico di tipo Monte-Carlo (backward MC) che simula il trasporto dei fotoni in atmosfera e modella le loro interazioni con i composti gassosi.
(I tempi di calcolo vengono ridotti grazie all’impiego di “biasing techniques”, ad es. la collisione forzata.)
INPUT del modello OUTPUT del modello
Libreria contenente i dati relativi al tipo di atmosfera (dati MODTRAN) + altri dati utili alla simulazione (quota dello strumento, campo di vista, n° di fotoni da processare, angolo solare zenitale, albedo superficiale…)
Modelli di trasferimento radiativo:
perché si usano?
PROMSAR calcola il valore del cammino medio che i fotoni compiono all’interno dei singoli strati atmosferici.
Nel caso del LIDAR questo valore viene utilizzato per calcolare la luce solare diffusa (background).
Architettura generale della sorgente
Nd:XXX, pompaggio a lampade o
con laser a semiconduttore
II arm. III arm.
1064
nm
532
nm
355
nm
Aerosol
Ti:Zaffiro, seeded/MOPAaccordabile
~91
5 nm
DIAL H2O
Ti:Zaffiroaccordabile
30% eff.
II arm. III arm.
DIAL O3
900 nm
~30
0 nm
A stato solidoStruttura
modulare con un’unica
sorgente di pompa
Caratteristiche di energia/freq. ripetizione determinate dalla pompa
Emissione simultanea/ rapida commutazione tra on e off
Cortesy of G.Tocci
Ce:LiCAFaccordabile
30% eff.
266 nm
IV arm.35% eff.
278
- 31
5 nm
DIAL O3Architettura generale della
sorgente
Nd:XXX, pompaggio a lampade o
con laser a semiconduttore
II arm. III arm.
1064
nm
532
nm
355
nm
Aerosol
Ti:Zaffiro, seeded/MOPAaccordabile
~91
5 nm
DIAL H2O
Caratteristiche di energia/freq. ripetizione determinate dalla pompa
Emissione simultanea/ rapida commutazione tra on e off
A stato solido
Struttura modulare con
un’unica sorgente di
pompa
Cortesy of G.Tocci
Sorgenti a Nd con pompaggio a diodo Edge-Wave Inno-slab IS4II-E, 527 nm, Nd:YLF4 mJ @ 1 kHz (4 W), 8-13 ns durataconsumo max. 700 Wpeso testa 15 kg
Ekspla NL220 Nd:YAG, 532 nm4.5 mJ @ 1 kHz (4.5W), 25 ns durata, M2<1.35
consumo < 1 kW850 mm
Quanta-System Diamond D2-S, Nd:YAG, 532 nm3.5 mJ @ 1 kHz (4 W), 40 ns durata, M2<1.5
625 mm
420 mm
• Up to 6 W output power at 40 kHz• Up to 0.5 mJ pulse energy at 5 kHz• 6–13 ns pulse duration• Air cooled• Extremely compact size• Electrooptical Q-switching• External triggering• TEM00 beam profile• Hermetically sealed• PC control using RS232 and USB• Remote control via keypad
NL640 series Q-switched nanosecond Nd:YVO4 lasers
Sorgenti Nd con pompaggio a diodo: moduli OEM59 mm
Nothrop Grummancamera di pompaggio a diodi con rod Nd:YAGpotenza max. uscita 75 W (oscillatore CW)potenza ingresso 36 V 25A DC (900 W)
Q-PeakCamera di pompaggio a diodi con rod Nd:YLFPotenza max. uscita 35 W (oscillatore CW)Potenza ingresso ~ 250 W
Airborne Lidar for Tropospheric OzonePiattaforma: Fokker F27/ Mystère 20
Sorgente:Nd:YAG quadruplicato (266nm) raman shifted in H2 / D2
Lunghezze d’onda: 299 /341 nm (H2) 289/ 316 nm (D2)Energia di uscita : 9-5 mJPRF: 20HzConsumo laser: 3 kW
M55 Geophysica
Backscatter Lidar measurements in PBL during BUBBLExperiment
Cortesy of V.Mitev
Cortesy of V.Mitev
GASCOD/A4M55 Geophysica
ABLE nadir background signal @355 nm and GASCOD/A4p signal in 333 nm ± 30 nm spectral band obtained through nadir faced NFoV channel during 28.02.2003 flight from Kiruna within APE-ENVISAT High-Latitude Validation campaign.
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
3000 3100 3200 3300 3400 3500 3600 3700
wavelength, [A]
ins
tr.
un
its
SOMMARIO:
• Sono già avviati studi di fattibilità per individuare le caratteristiche tecniche dei diversi componenti necessari per la realizzazione del mini-LIDAR allo scopo di individuare i requisiti minimi necessari alla misura del contenuto di polveri sottili PM1, PM2.5, PM10;
• Sono in corso i primi test per dare una stima della luce solare diffusa alla quota del volo, attraverso l’impiego di un modello di trasferimentoradiativo per la valutazione del background delle misure previste.
Fine
Grazie per l’attenzione