Pomiary optyczne w atmosferze

Wykład 14
Kampanie Pomiarowe
Krzysztof Markowicz
[email protected]
Kampanie – eksperymenty polowe
To badania prowadzone w określonym rejonie świata
najczęściej przez wiele ośrodków naukowo-badawczych
poświęcone konkretnym problemom naukowym.
W ostatnich latach dotyczą one często problemów
związanych ze zmianami klimatu.
Kampanie te nie mają raczej na celu badanie tych zmian
we względu na ich znacznie krótszy czas trwania w
stosunku do czasu charakterystycznego dla zmian
klimatu a jedynie procesów fizyczno-klimatycznych.
Poza głównymi celami badawczym eksperymenty
polowe spełniają dodatkowe role. Używa się ich np. w
celu walidacji danych satelitarnych dzięki temu, że
wykonuje się szeroki zakres pomiarów
meteorologicznych
Pomiary w czasie eksperymentów polowych
Naziemne pomiary InSitu
Naziemne pomiary teledetekcyjne
Pomiary w swobodnej atmosferze (pomiary samolotowe,
balonowe itd.)
Pomiary Satelitarne
oraz inne
Logistyka kampanii i koordynacja
Koordynacja eksperymentem pełni ważna rolę przed, w
trakcie jak i po kampanii pomiarowej.
Staje się ona szalenie istotna w celu wydawania decyzji
o pomiarach prowadzonych przez statki powietrze
(samoloty, balony badawcze, statki badawcze)
W pozostałych przypadkach pomiary prowadzone są
przeważnie w sposób ciągły a więc koordynacja ma
nieco mniejsze znaczenie.
Pomiary samolotowe wykonuje się biorąc pod uwagę
miedzy innymi właściwe warunki meteorologiczne, czas
przeloty satelitów polarnych, rejony geograficzne.
W centrum koordynacji odbywają się odprawy (raz lub
dwa razy na doby) w czasie których omawia się:
Plan dnia
Aktualną i prognozowaną sytuacje meteorologiczną na
której poza aktualnymi danym przedstawia się wyniki
modelowe.
Podejmuje się decyzję dotyczące ewentualnych lotów,
zakresu badań, rejonu geograficznego, pory dnia itd.
W czasie wieczornych briefingów umawia się również
najświeższe wyniki pomiarów i interesujące przypadki.
INDOEX- Indian Ocean Experiment
Celem kampanii INDOEX było miedzy innymi badanie
wpływu aerozolu antropogenicznego na zmiany
klimatyczne i meteorologiczne w jednym z najbardziej
zanieczyszczonych obszarów świata
Ponadto badanie roli tropikalnej strefy zbieżności (ITCZ)
w wymianie powietrza pomiędzy zanieczyszczona
półkula północną i znaczne czystsza półkula południowa.
Badania przeprowadzono w lutym i marcu 1999 roku na
obszarze Morza Arabskiego oraz północnej części
Oceanu Indyjskiego.
Centrum koordynacji znajdowało się Mali na Malediwach
na terenie lotniska cywilnego.
Cyrkulacja powietrza w czasie monsunu
letniego oraz zimowego
Południkowy transport zanieczyszczeń
W czasie INDOEX-u prowadzono badania przy użyciu:
Satelitów: METEOSAT-5, INSAT, NOAA 14,15
wyposażonych miedzy innymi w przyrządy: AVHRR,
TRMM, CERES
Dwóch statków badawczych: Ronald H. Brown oraz
Sagar Kanya
Samolotów: C-130, Falcon, Citation, oraz Geophysica
Balonów, dropsond
Badania naziemnie prowadzono w obserwatorium
klimatycznym Kaashidhoo na Malidivach.
Pomiary na statku badawczym R.H. Brown
Pomiary własności optycznych aerozoli: lidar, fotometry
słoneczne
Pomiary chemiczne aerozoli
Pomiary koloru oceanu oraz biologii morza (koncentracja
chlorofilu, sondy STD- salinity, temperartue, density.)
Sztandarowe pomiary meteorologiczne oraz radiosondy.
Odbieranie i analiza zdjęć satelitarnych.
Pomiary na statku R.H. Brown
Zestaw pomiarowy STD
do sondowania wody
morskiej i pobierania jej
próbek.
Sonda wpuszczona była
do wody raz dziennie w
czasie gdy statek
zatrzymywał się.
Urządzenie opuszczano
do głębokości 300
metrów
Atmospheric Chemical Measurements
Mass size distributions of nss sulfate, MSA, ammonium, and other
major ions with a seven stage multi-jet cascade impactor at 55%
RH. Sampling time periods will range from 12 to 24 hours. Mass size
distributions of metals by trace metal TXRF with a seven stage
multi-jet cascade impactor at 55% RH. Sampling time periods will
range from 12 to 24 hours.
Sub- and super-micron nss sulfate, MSA, ammonium, and other
major ions with a two stage multi-jet cascade impactor. Upper size
cuts will be 1.0 and 10.0 m m diameter at 55% RH. Sampling time
periods will be 4 to 6 hours.
Sub- and super-micron nss sulfate, MSA, ammonium, and other
major ions with a two stage filter pack mounted outside at ambient
RH. Sampling time periods will be approximately 24 hours.
Sub- and super-micron elemental and organic carbon by combustion
and Raman spectroscopy. Upper size cuts will be 1.0 and 10.0 m m
diameter at 55% RH. Sampling time periods will be 12 to 24 hours.
Sub- and super-micron mineral dust using XRF and SEM/XRF.
Gas phase measurements of SO2 and NH3, DMS, O3 (surface and
vertical profiles with MicroTops and ozonesondes), PAN and
nitrogen oxides, 222Rn, CO2, CO, SO2, jNO2, H2CO, H2O2, NO2,
and CO.
Aerosol Physical and Optical Measurements
Gravimetric analysis of mass as a function of size with a seven
stage multi-jet cascade impactor at 55% RH. Total number
concentration of CN with Dp>15 nm and CN with Dp>5 nm using
TSI 3010 and 3025 particle counters, respectively.
Particle number size distribution from 5 to 5000 nm diameter
using an UDMPS, DMPS, and TSI 3300 APS. (2 systems, dry and
55% RH)
Particle number size distribution from 200 to 20000 nm using a
CSASP-200 PMS probe
Hygroscopic growth of aerosol particles with TDMA.
Total aerosol light scattering and the backscattered fraction at
wavelengths of 450, 550, and 700 nm.
Total aerosol light absorption at 500 nm using a PSAP.
Aerosol optical depth with hand-held sunphotometers.
AVHRR and SeaWiFS satellite observations of aerosol optical
depth, aerosol number/size.
Aerosol backscatter using Micro-Pulse LIDAR
Radiation Measurements
Waterleaving radiance using a SIMBAD system
Solar irradiance and diffuse sky radiance spectra at
several wavelengths using a PREDE system
Solar irradiance and diffuse sky radiance spectra at
several wavelengths using a sky rads system and the
aureole system
Up and downwelling radiance and PAR in the upper
water column
Shortwave global irradiance in six 10 nm bands, one
broadband, and from an Eppley PSP using a Portable
Radiation Package (PRP) with a Fast Rotating
Shadowband Radiometer (FRSR)
Seawater Measurements
DMS, Ammonia
pCO2, chlorophyll, oxygen
Fluoresence, transmisivity, chlorophyll, HPLC pigments,
total absorption of suspended matter in the upper water
column
Nitrogen isotopic composition of DON and nitrate
Meteorology
Surface air temperature, dew point, wind speed, wind
direction, precipitation amount and frequency, solar
insolation.
Vertical profiles of atmospheric temperature, dew point
and winds
Surface seawater temperature, salinity, chlorophyll a,
and nitrate
Pomiary samolotowe
Pomiary samolotowe są jedne z najtrudniejszych jakie
prowadzi się w czasie kampanii pomiarowych.
Wynika to z faktu, iż typowa prędkość przelotu wynosi
około 100 m/s. Przy tych prędkościach pojawia się wiele
niepożądanych efektów. Zaliczyć do nich można grzanie
dynamiczne, odpływ aerodynamiczny samolotu
zmieniający trajektorie kropel chmurowych, aerozoli.
Z punktu widzenia pomiarów promieniowania prędkość
lotu nie ma większego znaczenia jednak pojawiają się
inne problemy. Głównym z nich jest ustawienie
horyzontalne przyrządów. Montowanie radiometrów do
skrzydeł czy kadłuba sprawia iż podczas lotu bardzo
trudno zachować ich właściwe horyzontalne ustawienie.
Pewnym rozwiązaniem są platformy bezwładnościowe
jednak są one jednak bardzo drogie.
Duża zaletą pomiarów samolotowych jest możliwość
wykonywania profili pionowych
Ponadto ze względu na duży zasięg, prowadzenie
pomiarów gradientowych np. pomiar zmian własności
fizycznych chmur aerozoli na przestrzeni setek czy
tysięcy kilometrów.
Strategie pomiarów samolotowych
Pomiary Lagrangowskie – nie jest możliwe dosłowne
poruszanie się samolotu wraz dryfem mas powietrza
jednak często samolot wykonuje okręgi
przemieszczające się wraz z średnim przepływem.
Umożliwia to badanie zmian w masie powietrza tj. cykl
domowy, modyfikacja masy oceanicznej przy napływanie
na kontynent i inne.
Najczęściej jednak wykonywane są pomiary przy braku
synchronizacji prędkości mas powietrza i samolotu.
Trajektorie lotów na potrzeby pomiarów radiacyjnych
często mają kształt okręgów lub kwadratów. Wykonuje
się je po to aby w późniejszej analizie skorygować wyniki
na niehoryzontalne ustawienie radiometrów
Przyrządy na samolocie C-130
Pomiary meteorologiczne
Total air
temperature
Platinum resistance - Rosemount 102AL
Total air
temperature
(de-iced)
Platinum resistance - Rosemount 102BL
Radiometric air
temperature
4.3 micrometer CO2 absorption thermometer -UK
Met. office developed
Pitot-static
pressure
Variable capacitance - Rosemount 1221F
Static pressure
Variable capacitance - Rosemount 1201F
Dew point
temperature
Thermoelectric hygrometer - EG&G 137-C3
Absolute humidity
Lyman-alpha absorption and fluorescence
hygrometer - UK met. office developed
Mikrofizyka chmur
Total water content
Evaporator/Lyman-alpha absorption
hygrometer - UK met. office developed
Liquid water content
Hot wire - Johnson-Williams LWH
Condensation nuclei
Saturation gradient chamber - UK Met. office
developed
Aerosol concentration (0.13.0um)
Laser spectrometer, PCASP
Cloud droplet spectrum (1-45
um)
Laser spectrometer, FSSP - Particle
Measuring System Inc.
Cloud and precipitation particle
spectrum (25-800 um)
Laser spectrometer (2D-C) - Particle
Measuring System Inc.
Cloud and precipitation
spectrum (>200 um)
Laser spectrometer - HVPS SPEC Inc.
Promieniowanie
Radiometric surface
temperature
Balometric radiometer 8 to 14 micrometers - Barnes
PRT 4 (modified by MRF)
Infrared radiation
(upper and lower)
Pyrgeometers 4 to 50 micrometers (silicon dome) - UK
Met. office developed
Visible Radiation
(upper and lower)
Pyranometer .3 to 3 micrometers (WG7 dome) - Eppley
PSP
Visible Radiation
(upper and lower)
Pyranometer .7 to 3 micrometers (WG715 dome) Eppley PSP
Visible and infrared
radiation
Multi-channel radiometer .5 to 14 micrometers (16
channels) - UK Met. office developed
Microwave radiation
MARSS (89 and 157 GHz) and Deimos (23.8 50.1 Ghz
microwave radiometers - UK Met Office developed.
Interferometry
ARIES (Airborne Research Interferometer Evaluation
System) scanning infrared (600-2940 cm-1)
interferometer.
Aerosol light
scattering
Nephelometer - Meteorology Research Inc. 1550B
Nawigacja
Aircraft vertical velocity, ground
speed component, true
heading, pitch and roll
Aircraft Position
Angle of attack and sideslip
Geometric altitude (0-1500 m)
INU - Honeywell H-423
Omega Navigation
System-Litton LTN-211
GPS - Navstar XR5M6
Potentiometric wind vane Penny & Giles EZ3001
Radar altitude - Honeywell
YG9000D1
Forward Scattering Spectrometer Probe
FSSP
FSSP służy do pomiary rozkładu wielkości kropel
chmurowych
Układ optyczny przyrządu składa się z lasera oraz
detektora mierzącego promieniowanie rozproszone.
Na podstawie rejestrowanego promieniowania wyznacza
się liczbę kropel oraz ich rozmiar w objętości powietrza.
Pomiar rozkładu wielkości
FSSP jest instrumentem który pozwala rejestrować przelot
pojedynczych kropel chmurowych. Natężenie światła
rozproszonego na kropli pozwala oszacować jej rozmiar.
Źródłem światła jest laser He-Ne którego wiązka ma
średnicę zaledwie 0.2 mm.
Światło rozproszone w kacie 4-12o jest rejestrowane przez
detektor
Zakres średnic kropli: 2.0 m - 47.0 m
Dokładność ±20% (średnica)
±16% (Koncentracja)
Termometr typu ROSEMOUNT
Czujnikiem termometru jest drut platynowy.
Wykalibrowany mierzy tak zwaną temperaturę
całkowita.
Musi zawierać korekcje na tzw. „grzanie
dynamiczne” wywołanie opływem powietrza.
Czujnik może by podgrzewany
Particle Cavity Aerosol Spectrometer Probe
PCASP
Wykorzystywany jest do pomiaru rozkładu wielkości
aerozoli
Rozmiar cząstek wyznaczany jest na podstawie teorii
MIE poprzez pomiar promieniowania rozproszonego.
Przyrząd posiada 15 kanałów i mierzy cząstki w zakresie
średnic od 0.1 do 3.0 mikrometrów
Nevzorov Liquid Water and Total
Condensate Probe
Pomiar zawartości wody (wodność) lub lodu w chmurach
(Liquid and ice water content)
Głównym elementem przyrządy jest grzany drut, którego
rezystancja zmienia się w czasie parowania lub
sublimacji lodu.
Przyrząd posiada dwa czujniki: jeden do pomiaru wody
chmurowej oraz drugi do pomiaru wszystkich produktów
kondensacji.
Umieszczony jest na specjalnej chorągiewce
ustawiającej się pod wiatr.
Obserwatorium KCO na Malediwach
Wyniki
W czasie pomiarów zaobserwowano silne
zanieczyszczenia na obszarze północnej części Oceanu
Indyjskiego, które znacząco wpływają na budżet
promieniowania słonecznego na powierzchni ziemi, w
atmosferze oraz na górnej granicy atmosfery.
Ponadto zmierzono duży gradient w koncentracji
aerozoli pomiędzy półkula północną oraz południową
który jest wynikiem cyrkulacji monsunowej.
Skład chemiczny obserwowanych zanieczyszczeń to
14% (masowo) cząstek sadzy, 32% związków siarki,
26% cząstek organicznych, 5% pyłów oraz 10%
aerozolu pochodzenia pustynnego.
Wysoka zawartość sadzy sprawiła iż obserwowane
wartości albeda pojedynczego rozpraszania były bardzo
niskie i zmieniały się w przedziale od 0.85 do 0.9.
Jednym z najważniejszych rezultatów INDOEXu było
odkrycie, iż aerozole w tym rejonie znacząco redukują
promieniowanie słoneczne dochodzące do powierzchni
ziemi oraz, ze zwiększają o 50% ogrzewanie radiacyjne
dolnej atmosfery.
Redukcja promieniowanie słonecznego na powierzchni
ziemi wynosiła średnio 23 Wm-2 zaś wzrost
promieniowania odbijanego przez atmosferę na górnej
granicy atmosfery wyniósł 7 Wm-2.
Wartości te wielokrotnie przekraczają średnie wartości
dla całego globu opublikowane w raporcie IPCC.
Pomiary pokazały, że strefa zbieżności pasatowej ITCZ
pełni istotną rolę w konwergencji zanieczyszczeń oraz
wynoszeniu ich do górnych granic troposfery gdzie
następnie transportowane są na duże odległości
modyfikują własności optyczne chmur konwekcyjnych.
Eksperyment ACE-ASIA
(Asian Pacific Regional
Aerosol Characterization Experiment)
Badania
•Wpływu aerozolu
troposferycznego na bilans
promieniowanie słonecznego
(efekt bezpośredni).
•Wpływu aerozolu na
mikrofizykę chmur (efekt
pośredni) w szczególności na
właściwości radiacyjne oraz
czas życia chmur.
•Wpływu aerozolu
antropogenicznego na zmiany
klimatu
Grubość optyczna aerozolu
Główne kierunki badań
Wpływu aerozolu troposferycznego na bilans promieniowanie
słonecznego poprzez rozpraszanie i absorpcje światła (efekt
bezpośredni).
Wpływu aerozolu na mikrofizykę chmur (efekt pośredni) w
szczególności na właściwości radiacyjne oraz czas życia chmur.
Wpływu aerozolu antropogenicznego na zmiany klimatu (aerosol
forcing).
Prowadzone badania
Pomiary Is-situ w naziemnej sieci pomiarowej w zakresie
chemicznych, fizycznych i radiacyjnych właściwości aerozolu 20002004.
Intensywne badania (marzec-kwiecień 2001) w zakresie
przestrzennego rozkładu właściwości aerozolu, jego formowania się,
ewolucji i depozycji.
Wpływ aerozolu na właściwości fizyczne chmur będzie badany
jesienią 2001 oraz 2002 i 2003.
Poprawianie chemicznego modelu zanieczyszczeń sprzężonego z
modelem radiacyjnym w celu obliczania wymuszania radiacyjnego
aerozolu przy różnych sytuacjach meteorologicznych.
Platformy badawcze:
Samoloty C-130, CIRPAS Twin Otter
Statek: R.H. Brown
Satelity SeaWIFS, NOAA, Terra
W badaniach uczestniczyło wiele
naziemnych stacji badawczych. W tym
azjatycka sieć stacji lidarowych.
Trasa statku badawczego Ronald H. Brown
Badania prowadzone na statku R.H. Brown
pomiary składu chemiczne aerozolu:
rozkład masowy siarczanów, amonu oraz innych ważnych jonów
(spektrometr masowy),
elementarny i organiczny węgiel, radon, pyły mineralne i piasek
właściwości fizyczne i optyczne aerozolu
współczynnik absorpcji aerozolu (PSAP)
Współczynnik rozpraszania wstecznego (lidar aerozolowy)
satelitarne pomiary grubości optycznej i rozkładu wielkości aerozolu
(SeaWIFS, AVHRR, Tera)
efekt higroskopowy (DMA-differential mobility analyzer, TDMAtandem differential mobility analyzer)
rozkład wielkości cząstek 20-10000nm (DMPA- differential mobility
particle sizer) dla wilgotności powietrza: 10, 30 55 75, 90%
współczynnik rozpraszania i rozpraszania wstecznego dla 3
długości fali i wilgotności 55 % (Nephelometer)
grawimetryczne pomiary masy jako funkcji rozmiaru cząstek
promieniowanie słoneczne
gazy śladowe (DMS, O3 SO2)
pomiary oceaniczne
– DMS, SST, zasolenie, koncentracja chlorofilu
– RRS, Ed , Eu spektralny współczynnik absorpcji,
współczynnik rozpraszania do tyłu, rozkład wielkości
cząstek
pomiary meteorologiczne
standartowe pomiary powierzchniowe i radiosondażowe
Podsumowanie
zmierzono bardzo wysokie wartości grubości optycznej
przekraczające 1 dla 500 nm
Zmierzono duży gradient w koncentracji aerozoli
pomiędzy wschodnimi wybrzeżami Azji a środkowym
Pacyfikiem.
obserwowano w wyższych warstwach troposfery (do
8km) trans-pacyficzny transport aerozolu pochodzenia
pustynnego
Powiązane to było z dużą aktywność burz piaskowych
związanych z aktywnymi frontami chłodnymi we
wschodniej Azji
Badania chemiczne pokazały iż cząstki pochodzenia
pustynnego są modyfikowane nad silnie
zanieczyszczonym obszarami SE Azji. Tworzą się
złożone struktury zawierające cząstki w środku cząstkę
mineralna zaś na zewnątrz małe cząstki sadzy.
Wymuszanie radiacyjne jest porównywalne do
zmierzonego w czasie INDOEX-u