Sensado activo y pasivo de la atmósfera. - tandar.cnea.gov.ar · propiedades intensivas y...

Lidia Ana Otero

20 de junio de 2008

CONAEComisión Nacional de Actividades Espaciales

Av. Paseo Colón 751 C1063ACH Buenos Aires, Argentina

CEILAP (CITEFA CONICET) Centro de Investigaciones en Láseres y Aplicaciones

Juan B. de La Salle 4397 B1603ALO Villa Martelli, Argentina

Sensado activo y pasivo de la atmósfera.

Teledetección

La teledetección es la técnica que permite obtener información sobre un objeto, superficie o fenómeno a través del análisis de los datos adquiridos por un instrumento que no está en contacto con él.

Sistemas de teledetección

SODARRADAR

LIDAR

SOundRAdiowaveLIght Detection And Ranging

LIDARes el acrónimo de

LIght Detection And Ranging

Lidar: técnica de teledetección para la medición de objetos distantes para obtener su posición y sus propiedades intensivas y extensivas, (altura de nubes, tamaño de partículas, concentración).

Lidar: técnica de teledetección para la medición de objetos distantes para obtener su posición y sus propiedades intensivas y extensivas, (altura de nubes, tamaño de partículas, concentración).

AerosolesVientoVapor de aguaTemperaturaConcentración de gases (nitrógeno, oxígeno, ozono, etc)

Diferentes tipos de lidares

RetrodifusiónRaman DialDoppler



Aerosoles

Concentración de gases (O3, H2O)Temperatura

Viento

Extinción = Difusión + AbsorciónExtinción = Difusión + Absorción

λλLL

αα((λλLL,,λλ,z),z)

Lidar de retrodifusión Raman

λλLL Láser

RetrodifusiónRetrodifusión

DifusiónDifusión AbsorciónAbsorción

Extinción = Difusión + AbsorciónExtinción = Difusión + Absorción

ββ((λλLL,,λλ,z),z)

λλLL

αα((λλLL,,λλ,z),z)

Lidar de retrodifusión Raman

λλLL

λλLáserRaman

La ecuación básica que rige el comportamiento de la radiación láser al propagarse en la atmósfera se denomina

ECUACIÓN LIDAR

EL energía del láserA0 área de recepción del sistema óptico A0 /z2 ángulo sólido de aceptancia del receptorζ(λ) transmisión espectral del receptor ξ(z) función de superposiciónβ(λL,λ,z) coeficiente de retrodifusión volumétrico en λ para una radiación incidente λL

transmisión atmosférica

0

2 ,z

z dze

0

2 ,02, , , .

2

zz dz

L L

Medio sondeadoInstrumental

A cP z E z z ez

1 4 4 4 2 4 4 4 31 4 442 4 4 43

Ecuación LIDAREcuación LIDAR

1) Emisión: Láser Nd:YAG 1) Emisión: Láser Nd:YAG (1064nm, 532nm, 355nm)(1064nm, 532nm, 355nm)

( ) ( )( )

,.L

LL L

EI z

A zλ

λτ

=



( ) ( )( )

,.L

LL L

EI z

A zλ

λτ

=

( ) ( )0

, ' 'z

L z dzT z e

α λ−

↑∫=

2) Transmisión (2) Transmisión ( ↑↑ ))



( ) ( )( )

,.L

LL L

EI z

A zλ

λτ

=

( ) ( )0

, ' 'z

L z dzT z e

α λ−

↑∫=


3) Retrodifusión3) Retrodifusión( ) ( ) ( ), , , , ,L Ray L Mie Lz z zβ λ λ β λ λ β λ= +



( ) ( )( )

,.L

LL L

EI z

A zλ

λτ

=

( ) ( )0

, ' 'z

L z dzT z e

α λ−

↑∫=



4) Región de 4) Región de EstudioEstudio

2LL c τ=

( ) ( )LA z A z=



( ) ( )( )

,.L

LL L

EI z

A zλ

λτ

=

( ) ( )0

, ' 'z

L z dzT z e

α λ−

↑∫=

2) Transmisión (2) Transmisión ( ↑↑ )) ( ) ( )

0, ' '

zz dz

T z eα λ−

↓∫=

5) Transmisión (5) Transmisión ( ↓↓ ) )



2LL c τ=

( ) ( )LA z A z=



( ) ( )( )

,.L

LL L

EI z

A zλ

λτ

=

( ) ( )0

, ' 'z

L z dzT z e

α λ−

↑∫=


7) Adquisición PC7) Adquisición PC

( ) ( ) ( )02, AR z z

zλ ζ λ ξ=

6) Recepción: 6) Recepción: Telescopio Telescopio + Fotomultiplicador + Fotomultiplicador

( ) ( )0

, ' 'z

z dzT z e

α λ−

↓∫=




2LL c τ=

( ) ( )LA z A z=

Ecuación LIDAREcuación LIDAR ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )0

, ' , ' '02, , ,

2

zL z z dz

L LA cP z E z z ez

α λ α λλ ζ λ ξ β λ λ

− +∫=

1) Emisión: Láser Nd:YAG 1) Emisión: Láser Nd:YAG (1064, 532 y 355 nm)(1064, 532 y 355 nm)

( ) ( )( )

,.L

LL L

EI z

A zλ

λτ

=

( ) ( )0

, ' 'z

L z dzT z e

α λ−

↑∫=


7) Adquisición PC7) Adquisición PC

( ) ( ) ( )02, AR z z

zλ ζ λ ξ=

6) Recepción: 6) Recepción: Telescopio Telescopio + Fotomultiplicador + Fotomultiplicador

( ) ( )0

, ' 'z

z dzT z e

α λ−

↓∫=




2LL c τ=

( ) ( )LA z A z=

Esquema del sistema lidar (3E + 3I)

LICEL

Nueva caja espectrométrica (3E + 3I)

3E: 1064, 532 y 355 nm3 I: 607, 387 y 408 nm

•LICEL transient recorder

•Software LabView•Tiempo real

28 de marzo de 2004

Retrodifusión de aerosoles normalizado


20 de septiembre de 2004

Aerosoles: Quema de Biomasa

TOMS

19/09/04

20/09/04

Satélite AQUA

18/09/04

0 mol 20 30 40 50 60 70 80 90 1001200

1400

1600

1800

2000

2200

Extinction to Backscatter Ratio [sr]

Alti

tude

[m]

355 nm532 nm

0 0.5 1 1.5 21200

1400

1600

1800

2000

2200

Angstrom Coefficient

Alti

tude

[m]

10 de noviembre de 2006

L, Otero, P, Ristori, E, Quel, AEROSOL AND WATER VAPOR RAMAN LIDAR SYSTEM AT CEILAP, BUENOS AIRES, ARGENTINA, Lidar Workshop Brazil, 2007,

Higroscopía de aerosoles

56 57 58 59 60 61 62 633

3.5

4

4.5

5

5.5

6

6.5x 10

5

Relative Humidity [%]

Aer

osol

Ext

inct

ion

Coef

ficie

nt [m

1sr

1]

20 30 40 50 60 70 80 90 100

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

Relative Humidity [%]

Alti

tude

[m]

Lidar RH Average03 AM to 06 AMRadiosonde RH09 AM

10 de Noviembre de 2006

L. Otero, P. Ristori, E. Quel, AEROSOL AND WATER VAPOR RAMAN LIDAR SYSTEM AT CEILAP, BUENOS AIRES, ARGENTINA, Lidar Workshop Brazil, 2007.

Water vapor and atmospheric boundary layer temporal evolution in Buenos Aires, Argentina during the night January 12, 2008. L. A. Otero, P. R. Ristori, E. J. Quel. 24th IRLC. Boulder, Colorado, USA. 2008.

12 de enero de 2008. Evolución de la capa límite.

Vapor de agua

Vapor de agua. Comparación lidar – radiosondeo EZE

AERONET AERONET

AERosol RObotic NETwork

AERONET AERONET

•Transporte de aerosoles •Quema de biomasa•Tormentas de polvo•Climatología•Propiedades microfísicas

Estaciones: mas de 500

Red AERONET en ArgentinaRed AERONET en Argentina

http://aeronet.gsfc.nasa.gov/

Fotómetro solar instalado en el CEILAP

AlmucantarAlmucantarPlano principalPlano principal

FotómetroFotómetroSolarSolar

Medición directaMedición directa

Espesor óptico de aerosolesContenido de agua precipitable

Distribución de tamaños“Single Scattering Albedo”

Dato Inversión

Lidar

AERONET

Buenos Aires 26 de agosto de 2004

Abril 2008

10 Abril 2008

14 Abril 2008

15 Abril 2008

16 Abril 2008

17 Abril 2008

18 Abril 2008

19 Abril 2008

20 Abril 2008

21 Abril 2008

22 Abril 2008

Evolución temporal del espesor óptico de aerosoles

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 250

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

Abril 2008

AO

T

870 nm670 nm500 nm440 nm340 nm380 nm

Un AOT de 0.2 bloquea aprox el 20 % de la luz directa que viene del sol

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 250

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

Abril 2008

AO

T

500 nm440 nm380 nm

Un AOT de 0.2 bloquea aprox el 20 % de la luz directa que viene del sol

Un AOT de 2 bloquea aprox el 75 % de la luz directa que viene del sol

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 250

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

Abril 2008

AO

T

500 nm440 nm380 nm

τ(λ): AOT espesor óptico de aerosoles

β(λ0): parámetro de turbidez, proporcional al valor medio de la concentración

α : coeficiente de Ångström, está relacionado con la distribución de radios (0 < α < 4)

Ley de Ångström

oo

Ångström, A., ON THE ATMOSPHERIC TRANSMISSION OF SUN RADIATION AND ON DUST IN THE AIR. Geografis Annal, 2,156166, 1929.

< 0,8< 0,18. Antártico

1,5 – 2,6> 0,27. Quema de Biomasa

< 0,3< 0,156. Marítimo

< 0,8> 0,25. Desértico

> 1,2> 0,254. Urbanos Industriales

1,5 – 2,50,1– 0,33. Continental Contaminado

1 – 1,70,08 – 0,32. Continental Promedio

0,8 – 1,50,05 – 0,151. Continental Limpio

α(440 nm)τTipo

Identificación de los aerosoles

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.60

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

τ (440 nm)

α

12

3

4

586

7

L, Otero, P, Ristori, B, Holben, E, Quel, “ESPESOR ÓPTICO DE AEROSOLES DURANTE EL AÑO 2002 PARA DIEZ ESTACIONES PERTENECIENTES A LA RED AERONET – NASA”, (AEROSOL OPTICAL THICKNESS AT TEN AERONET – NASA STATIONS DURING 2002), Opt. Pura Apl. 39 (4) 355364 (2006).

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.60

0.5

1

1.5

2

2.5

AOT(440 nm)

Coef

icien

te de

Ang

strom

01 1815161718

El volcán Chaitén (42°50’S, 72°39’O, 962 m)

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 310

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Mayo 2008

AO

T(44

0 nm

)

CEILAP Buenos Aires

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.70

0.5

1

1.5

2

AOT(440 nm)

Coef

icien

te de

Ang

strom

CEILAP Buenos Aires

01 al 31 Mayo 200809 Mayo 200810 Mayo 2008

16 junio 17 junio

Río Gallegos

2612

km

CEILAP – Buenos Aires

Elian Wolfram, Jacobo Salvador, Lidia Otero, Andrea Pazmiño, Jacques Porteneuve, Sophie GodinBeeckmann ,Hideaki Nakane, Eduardo Quel SOLAR CAMPAIGN: STRATOSPHERIC OZONE LIDAR OF ARGENTINA Proceeding SPIE Vol. 5887, 251256, Lidar Remote Sensing for Environmental Monitoring VI, San Diego, Upendra N, Singh; Ed. , 2005.

Medición de aerosoles en Buenos Aires (y Río Gallegos).

Estudio simultáneo de aerosoles con fotómetro solar y lidar.

Identificación del posible origen de la contaminación aerosólica.

Estudio del espesor óptico de cirrus.

Variabilidad espacial de la constante lidar.

Medición de perfiles troposféricos de vapor de agua.

Conclusiones

z

aer mol aer mol2

0

O zP z K z z exp 2 d

z

R

R R R R

X z zX X aer mol aer mol

20 0

dO zP z K N z exp d d

dz

aer

p aer

zk

z

R

R

R mol mol2

aerÅ z

R

N zd ln z zdz P z z

z

1

R R

R

R

zaer mol

X XR o 0aer mol aer mol

o o X X zo R o aer mol

0

exp dP z N z P z

z z z zP z P z N z

exp d

Ecuaciones lidar 3E + 3I

zmol387

2 0

z2 mol408

0

dH O408

WV Nd387

P z eMRP z

e

Sensado activo y pasivo de la atmósfera. - tandar.cnea.gov.ar · propiedades intensivas y...

Documents

Transcript of Sensado activo y pasivo de la atmósfera. - tandar.cnea.gov.ar · propiedades intensivas y...