Elemente de Radiometrie Solara

5/25/2018 Elemente de Radiometrie Solara

1/73

ELEMENTE DE RADIOMETRIESOLARA

ELEMENTE DE RADIOMETRIESOLARA

rof. Dr. Valeriu FILIUniversitatea din Bucuresti,

Facultatea de Fizica


2/73

IRADIANTA SOLARACantitatea masurata cu fotometrul solar este iradianta solara directa.

Iradianta este cantitatea de lumina (putere luminoasa) difuza care cade pe o suprafatasau este emisa de o suprafata sub o directie specificata (Wm-2):

unde:

este fluxul radiant, sau puterea luminoasa (W);A este aria sursei (m2); este unghiuldintre directia specificata si normala la suprafata.

Corespondentul iradiantei pentru ochiul omenesc este iluminanta.Iradiana solar pe un plan perpendicular pe distana Pmnt-Soare, la o distan fa deSoare egal cu o unitate astronomic (adic distana medie dintre pmnt i soare) senumete constanta solar,I0 = 1367 W/m2

cos

dI

dA


3/73

IRADIANTA SPECTRALA

Iradianta caracterizeaza emisia sau reflexia totala, pentru tot spectrul disponibil.

Iradianta spectrala este iradianta pe unitatea de frecventa (I) sau pe unitatea delungime de unda (I). Unitatile de masura sunt Wm

-2Hz-1 sau Wm-3; mai

obisnuita este unitatea Wm-2nm-1. Iradianta este deci suma (integrala)iradiantelor spectrale emise pe toate lungimile de unda disponibile. Iradiantacaracterizeaza emisia sau reflexia totala, in timp ce iradianta spectralacaracterizeaza din acest punct de vedere numai o anumita lungime de unda saufrecventa.

Iradianta este utila intrucat indica fractiunea din puterea luminoasa emisa saureflectata de o suprafata care va fi receptionata de un sistem optic ce vizeazasuprafata sub un anumit unghi.


4/73

PIRHELIOMETRE

Sunt instrumente pentru masurarearadiantei solare directe.Lumina patrunde printr-o fereastra a

instrumentului si este directionata pe obaterie de termocuple (bolometru), undeeste transformata in semnal electric.Un pirheliometru este de obicei folosit inconjunctie cu un piranometru (instrument

similar, care insa masoara radiatia difuza asoarelui)


5/73

FOTOMETRE (1)

FotometrulL201 produsde companiaMacam

Fotometru deflux luminos

In sens larg, fotometrul este un aparat care masoara iluminarea sau iradianta.

In termeni industriali, un fotometru este orice dispozitiv folosit pentru masurarea uneia dinurmatoarele marimi:

-Intensitatea luminii imprastiate-Intensitatea luminii absorbite

-Intensitatea luminii de fluorescenta (fluorescenta: fenomenul de luminescenta produs deabsorbtia unei radiatii de lungime de unda inferioara celei emise).


6/73

FOTOMETRE (2)

In principiu, un fotometru este compus dintr-un senzor, care isimodifica anumite proprietati electrice sub actiunea iluminarii, plasatintr-un circuit electronic corespunzator pentru detectarea modificarilor

respective.Cel mai des folosite ca senzori sunt fotodiodele sifotorezistentele.


7/73

FOTOMETRE SOLARE (1)

In esenta, un fotometru solar (sun-photometer) consta dintr-un senzor cu camp vizualingust, indreptat catre Soare. Fotometrele solare moderne contin, pe langa fotodetectorsi sistemul optic corespunzator, un dispozitiv defiltrare spectrala, o unitate deurmarire automata a Soareluisi un sistem de achizitie a datelor.

Fotometrul solar CE 318, produs de companiaCIMEL


8/73

FOTOMETRE SOLARE (2)

Un exemplu de fotometru solar,cu o structur relativ simpl ipuin costisitoare a fost sistemul

VHS-1.Acesta este un instrument pentrucare alinierea pe directia soareluise face manual.Foloseste doua canale spectrale.

Are avantajul portabilitatii,putand fi folosit atat peplatforme marine cat si peplatforme aeriene.


9/73

FOTOMETRU SOLAR

SCHEMA DE PRINCIPIU

Colimator (fara lentile)

Filtru interferentialDetector/amplificator optic

Sistem de inregistrare siachizitie a datelor


10/73

FOTOMETRUL SOLAR CE 318

Este un sistem mult mai perfecionat, fabricat de compania francez

CIMEL Electronique.Este un instrument extrem de precis, avnd toate calitile unuiechipament de teren: este motorizat, portabil, autonom (alimentat deo baterie solar) si automat.


11/73

FOTOMETRUL SOLAR CE 318

Foloseste o combinaie de filtre spectrale i vizare ajustabil de laazimut la zenit, controlat de un microprocesor.

Fotometrul solar CE 318 se compune dintr-un cap optic, o unitateelectronic i un robot.Capul optic are dou sisteme separate: colimatorul solar, fr lentile,i colimatorul celest prevzut cu lentile.


12/73

FOTOMETRUL SOLAR CE 318CARACTERISTICI TEHNICE

Varianta standard CE 318-1: are cinci filtre (canale de msur) 440nm, 670 nm, 870 nm, 936 nm i 1020 nm.Modelul cu polarizare, CE 318-2: are opt canale de msur, dintrecare dou sunt canale de polarizare.

Semi-deschiderea unghiular a colimatoarelor 1,2.Lrgimea de band: 10 nm.Detector: detectori de siliciu pentru Soare si cer.Domeniul de temperatur pentru operare: -30C to +60C.Alimentare: Baterii interne pentru capul optic i baterii externepentru robot; bateriile sunt rencrcabile prin panouri solare sautensiune de reea de 220 V.Colectarea i transferul datelor: Stocare local n memorii de tipEPROM, care pot fi citite opional de un PC, sau transmise ctresatelit prin Data Collection Systems.


13/73

POZITIA FOTOMETRULUI SOLAR DE LABERNA (46.95N, 7.44E, 560 m)

IAP, BernaInstrument SPM2000

Numar de canale 18 (300 1024 nm)Resolutie temporala: 30 sLargime de banda: 2 10 nm


14/73

OBSERVATORUL DE LA JUNGFRAUJOCH(46.55N, 7.99E, 3580 m)

Numar de canale 16 (305 1024nm)Resolutie temporala: 2 minLargime de banda: 2 10 nm

Radiometru cu filtre de precizie


15/73

EFECTUL ATMOSFERIC (1)

Prezena diverselor componenteale atmosferei face ca iradiana

solar spectral masurat la sols difere substanial de ceaincident pe stratul atmosferic.

Din acest motiv, studiul iradianei solare la suprafaa Pmntului nfuncie de proprietile optice ale atmosferei devine esenial.


16/73

EFECTUL ATMOSFERIC (2)Atunci cand un fotometru solar este plasat intr-un anumit loc in atmosfera terestrairadianta masurata nu este deci egala cu iradianta emisa de Soare (adica iradiantasolara extraterestra), intrucat fluxul solar este redus prin absorbtie si imprastiere.Prin urmare, fluxul radiant masurat este datorat unei combinatii intre ceea ce emisde Soare si efectul atmosferei. Legatura dintre aceste efecte este continuta inlegea Lambert-Beer :

m

extI e

unde este coeficientul de extinctie, Ceste concentratia centrilor de absorbtie sauimprastiere in mediu, iar leste lungimea parcursului geometric al luminii.

m este un factor geometric (airmass factor, masse relative de lair) cecaracterizeaza inclinarea drumului razelor de lumina prin atmosfera (esteunghiul razelor solare fata de orizont, sau unghiul de elevatie):

l C

1 sinm

(adancime optica)


17/73

COMPONENTA GENERALA AATMOSFEREI

Gazele formeaza partea cea mai consistenta a atmosferei terestre.Gazele nu sunt distribuite uniform in spatiul din jurul planetei:exista atat variatii de densitate cu inaltimea, cat si variatii mari decompozitie. De exemplu, ozonul este o componenta gazoasa care seconcentreaza intr-o patura subtire in stratosfera.

In afara de componenta gazoasa, atmosfera contine si suspensiicondensate.Din aceasta categorie fac parte picaturile de apa, cristalele degheata, dar si alte particule care difera de acesti asa-zisi meteori.Ansamblul suspensiilor condensate in atmosfera, exceptand

meteorii, se numeste aerosol atmosferic.Studiul aersolului atmosferic constituie partea centrala ainvestigatiilor facute in radiometria solara.


18/73

AEROSOLUL ATMOSFERIC (1)

Exista aerosol primar, formatdin particule care sunt emise

sau injectate direct inatmosfera.

Aerosolul secundareste formatdin particule rezultate din

agregarea particulelorprimare sau prin nucleatie din

faza gazoasa.


19/73

Din punctul de vedere al fotometriei solare, cel mai mult intereseaza

distributia dupa dimensiunia particulelor de aerosol.Aceasta distributie se poate exprima in forma numerica, de arie sauvolumetrica.Diversele forme ale distributiei aerosolului se utilizeaza in diverse

situatii (ex. distributia de arie intereseaza n efectele aerosoluluiasupra sntii).


Determinrile experimentaledirecte au demonstrat cparticulele de aerosol se potgrupa n cteva dimensiuniprefereniale, numite moduri.


20/73

Una din cele mai folosite forme pentru descrierea matematica amodurilor distincte estefuncia log-normal.De exemplu distribuia volumetric a modului i, n aproximaia log-

normal, se definete astfel:


2

2

lnexp

22

iii

ii

r RCv r

r

Cieste coninutul volumetric columnar al modului i(m3/m2), adic

volumul total de particule de aerosol din modul icare se gasesc ncoloana atmosferic de arie transversal unitate.

ieste o marime adimensional care, exprimnd lrgimeadistribuiei, se numete lrgime modal.Rise numete raz modal i reprezint valoarea lui rpentru care

distribuia modului respectiv este maxim.


21/73


Practic, particulele din modurile ultrafin (de nucleaie), Aitken i de

acumulare se pot grupa ntr-un singur mod distinct, numit modulfin.Modul grosierramne entitate separat.

Aceast considerare simplificat a structurii aerosolului atmosfericse numete n literatura de specialitate aproximaia bimodal.

In distribuiile dimensionaleale aerosolului se potdistinge cel puin patrumoduri separate.

Totusi, n calcule practice deextincie a luminii nu estenecesar o astfel detaliere.


22/73


Aerosolul atmosferic are doua efecte importante asupra sistemuluiatmosfera-pamant:-Efectul direct (de umbrire) prin care atat radiatia solara cat sicea telurica sunt atenuate.-Efectul indirect asupra mecanismelor de formare a meteorilor(aerosolii sunt centri de condensare a vaporilor de apa dinatmosfera)

Efectul de atenuare a radiatiei solare este bivalent: are o

componenta de imprastiere si una de absorbtie.In total, insa, efectul de atenuare este masurat de o componentaspecifica a OD, numita adancimea de patrundere a aerosolului(AOD)


23/73

METODA DE EXTRAPOLARE

LANGLEY (1)Efectul atmosferei se poate elimina din rezultate folosind metoda de extrapolare

Langley. Aceasta metoda permite determinarea radiantei extraterestre folosindmasuratori terestre.

Se bazeaza pe masurarea repetata a iradiantei cu un fotometru solar plasat intr-o

locatie fixata, in timpul unei dimineti sau dupa amieze insorite, pe masura ceSoarele se deplaseaza pe cer.

Legea Lambert-Beer se poate scrie sub forma: lnext

Im

I

MasurandIpentru mai multe valori ale luim si reprezentand graficul ln(I) ca

functie de m, se poate calculaIext din extrapolarea dreptei obtinute prininterpolare liniara, la intersectia acesteia cu ordonata. Adancimea opticarezulta apoi imediat din panta dreptei amintite.


24/73


LANGLEY (2)Observatii:1. Este evident ca, fizic, domeniul de variatie allui m este intre 1 si infinit. Extrapolarea la m = 0este un artificiu matematic pentru determinarearadiantei extraterestre.

2. In metoda descrisa, se presupune constant intimp. Practic, aceasta conditie se realizeaza dacanu exista nori deasupra punctului de observatiesi daca nu sunt variatii semnificative in stratulde aerosoli atmosferici. Intrucat aerosolii tind sase concentreze la altitudine joasa, manevrele deextrapolare Langley se fac in observatoare

montane, la altitudini relativ mari. Acurateteaextrapolarilor Langley este mult imbunatatitadaca datele sunt colectate deasupra topopauzei.De asemanea, durata de colectare a datelor nutrebuie sa depaseasca cateva ore.

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

1E-3

0.01

0.1

1

Semnalulcolectatlasenzor(V)

m


25/73


LANGLEY (3)In literatura se citeaz erori ale OD masurat situate ntre 0.005 i0.02.

Astfel de erori sunt n primul rnd produse de imprecizii decalibrare, de erori n considerarea coreciilor de mprtiere iabsorbie molecular i de defecte n instrumentaie (printre care sepoate include i murdrirea accidental a componentelor optice).

De asemenea, orice eroare de aliniere cu Soarele duce la valori maimari ale AOD.


26/73


LANGLEY (4)Din acest motiv, procesul de extrapolare Langley

trebuie efectuat n mod iterativ n modul urmtor:

1) se fiteaz o dreapt (cu metoda celor mai miciptrate) pe datele disponibile;2) se elimin datele ale cror puncte se afl cu mai mult

de 0,1% in afara liniei;3) se refiteaz punctele rmase cu o nou linie dreapt.

Procesul continu pn cnd toate punctele rmase se aflsub linia dreapt sau deasupra ei cu mai puin de 0,1%.


27/73

DETERMINAREA PRACTICA A

AOD (1)Ceea ce se masoara practic intr-un fotometru solar este un semnalelectric, o anumita tensiune (V) produsa de senzor pentru fiecaredeterminare.

Semnalul Vtrebuie corectat intotdeauna cu valoarea sa la intuneric

(Vdark), produsa de senzor in absenta iluminarii. In acest fel, semnalulutil este V-Vdark.

In plus, AOD se suprapune intotdeauna cu OD-ul altor componenteatmosferice, in special cu cel al componentelor gazoase (m), numita sicontributia dispersiei moleculare.

De asemenea, iradiana extraterestr trebuie corectat n funcie deunghiul solid sub care se vede pmntul la diverse distane fa desoare: este invers proporional cu ptratul distanei dintre pmnt isoare, d.


28/73

DETERMINAREA PRACTICA AAOD (2)

Admitand ca semnalul senzorului este proportional cu radianta, legea Lambert-Beer se poate deci pune sub forma:

unde V0 este constanta de etalonare a aparatului (obtinuta prin extrapolareLngley), iar cu A am notat AOD. m si O3 sunt componentele moleculara (gazoasa)si a ozonului din OD total, iar m si mO3 sunt factorii geometriciacorespunzatorigazelor atmosferice (cu exceptia ozonului) si ozonului stratosferic.Cu dav s-a notat media distantei pamant-soare. Raportul dintre dsi dav se poatecalcula in functie de numarul zilei respective din calendarul Iulian, doy, cu

urmatoarea relatie:

3 3

0

ln 2lndarkA m O O

av

V V dm m

V d

1

1 0,01673cos 0,017201 4avd

doyd


29/73


Datorit faptului c suprafaa Pmntului nu este plan, iaratmosfera nu este omogen pe vertical, variaia lui m cu unghiul deelevaie trebuie corectat, mai ales la elevaii solare mici, sub 300. O

expresie valabil pe un domeniu larg de elevaii solare esteurmtoarea:2

3 2

1.002432 sin 0.148386 sin 0.0096467

sin 0.149864sin 0.0102963sin 0.000303978m

Comparati cu formula simplificata, obtinuta pentru atmosferaplanara si omogena:1

sinm


30/73

Distribuia ozonului are un maxim foarte pronunat n stratosfer(aproximativ la 22 km) i deci difer semnificativ fa de distribuiamolecular obinuit. Factorul geometric al ozonului se poate obineca o corecie a factorului mn felul urmtor:

3

2 30,011 0,027 0,0161Om m m m m


Cantitile m i O3 se pot calcula prin algoritmi empirici proveniidin diverse modele atmosferice, dupa cum se va vedea in continuare.

Cu toate c ozonul contribuie relativ slab la extinctia totala a luminiisolare in atmosfera, in zona lungimilor de und de 340 nm i 675 nmcontributia sa devine semnificativa datorita liniilor de absorbtiespecifice.

DETERMINAREA PRACTICA A


31/73

2 86400t

sin sin sin cos cos cos h

Trebuie precizat aici c determinarea precis a unghiului de elevaie nu este ochestiune banal. Simpla msurare a unghiului sub care se vede Soarele fa dedirecia sud-nord poate fi afectat de erori considerabile. De aceea, n practic, secalculeaza unghiul de elevaie solar n functie de trei parametri care se potdetermina mai precis: latitudinea punctului de observare (), ungiul de declinaie

solar ( care este latitudinea punctului de pe sol n care Soarele apare la zenit nmomentul msurtorii) i unghiul orar (h care este unghiul cu care ar trebuirotit Pmntul pentru a suprapune meridianul punctului de observare cumeridianul punctului n care Soarele este la zenit; acest unghi se determin prinrelaia: , unde teste timpul local exprimat n secunde).

Expresia care d unghiul de elevaie este urmtoarea:

.



32/73


undeHeste altitudinea locului de observaie, iarR4 depinde delungimea de unda prin urmtoarele relaii:

4

273exp

29,3m R H

3 1000OOBS

Ozabs

Ozabs este seciunea eficace de absorbie a ozonului,DOBSestecantitatea de ozon n uniti Dobson (DU; 1 DU este cantitatea deozon care ar forma, la suprafaa Pmntului, un strat cu grosimeade 10 m, n condiii normale de temperatur i presiune)

22

2 24 4

228773,6

R RR

82 2 2

406030 1599710 8342,13

130 38,9R


33/73

DEPENDENTA DE LUNGIMEADE UNDA A AOD

Ca si A, adancimea optica moleculara,m, este o marime dependentade lungimea de unda a radiatiei investigate. De exemplu, penntrulumina rosie, m = 0.05793, iar pentru lumina verde, m = 0.13813.

Datorita dependentei de lungimea de unda a AOD, este util sa se facamasuratori la diverse frecvente ale radiatiei incidente. In acest scopfotometrele solare sunt prevazute cu mai multe filtre de lumina sieventual cu senzori separati pentru fiecare din aceste filtre. Se spuneastfel ca instrumentul masoara pe mai multe canale.

Cunoasterea dependentei AOD de lungimea de unda este utila indeterminarea dimensiunilor si chiar a tipului de aerosol, aceasta fiindun fel de amprenta a aerosolului.


34/73

Desi variatia spectrala a OD este in general complicata, se admite demulte ori ca valabila ipoteza lui ngstrom conform careia OD esteinvers proportionala cu o anumita putere a lungimii de unda:

undeeste aa-numitul coeficient de turbiditate, iar este exponentulngstrom.Aceasta ipoteza este extinsa, de obicei, in mod tacit, si la componenta

de extinctie datorata aerosolului, AOD, astfel incat apare frecvent inliteratura expresia:

APROXIMATIA NGSTRM

A


35/73

EXPONENTUL NGSTRM

Folosind aproximatia ngstrm, exponentul specific se poate calculadin determinari efectuate cu numai doua lungimi de unda. Facandraportul valorilor AOD corespunzatoare celor doua canale, 1 si 2,se obtine:

1 1

2 2

A

A

De aici, exponentul ngstrm se poate calcula dupa relatia:

1

2

1

2

ln

ln

A

A

FOTOMETRUL SOLAR VIRTUAL


36/73

FOTOMETRUL SOLAR VIRTUALCALIPSO


37/73

PARAMETRUL NGSTRM

lnln

A A

A

dd

Odata cu aparitia fotometrelor solare cu mai multe canale, a aparut evident cadependenta AOD de lungimea de unda a radiatiei este mult mai complicata decataproximatia lui ngstrm.

Ca trasatura generala, AOD este o functie descrescatoare de lungimea de unda aradiatiei (lumina de lungime de unda mai mica este imprastiata si deci atenuata

practic de toate componentele atmosferei, in timp ce undele de lungime mai maretind sa ocoleasca centrii de extinctie aflati in suspensie in atmosfera si astfel suntmai putin atenuate).

Pentru a pastra formal descrierea spectrala a AOD in spiritul aproximatiei ngstrm, sedefineste asa-numitulparametru ngstrmprin relatia:


38/73

PARAMETRUL NGSTRM (2)

Determinarea parametrului ngstrm se face deci prin masurareaAOD la diferite lungimi de unda (canale), prin interpolarea siderivarea curbelor corespunzatoare.

Limitare practica importanta: pentru un instrument dat, numarul decanale nu poate fi prea mare (fotometre solare cu opt canale de masurasunt in momentul de fata printre cele mai avansate).

Ca urmare, operatia de derivare numerica pentru calcularea

parametrului ngstrm ramane dependenta de erori semnificative,mai ales la extremitatile domeniului de lungime de unda investigat.


39/73

Pentru a intelege mai exactdependenta spectrala a AOD sipentru a utiliza corespunzatordatele de fotometrie solara suntnecesare cateva consideratiiteoretice.

Imprtierea i absorbia luminii pe un obiect sferic dielectric este

descris de o soluie a ecuaiilor Maxwell care poart denumireageneric de teoria Mie, dup numele fizicianului german GustavMie, care a elaborat-o in 1908.

TEORIA MIE (1)


40/73

TEORIA MIE (2)

22

,M

m

r

A ext

r

rr Q n i k N r dr

Expresia general a AODeste urmtoarea:

unde rm i rMsunt limitele domeniului n care poate varia raza

particulei de aerosol.Nucleul Qextse numetefactor de eficien a extincieicare depinde deindicele de refracie complex al tintei dielectrice n-ik. Teoria Mieproduce, de fapt, acest factor de eficienta a extinctiei.

FactorulN(r) este distributia dimensionala a tintelor (particulelor deaerosol), adicaN(r)dreste numarul de particule cu raza in intervalul(r, r+dr) aflate in coloana atmosferica de raza unitate.


41/73

TEORIA MIE (3)

2 1

2, 2 1 Reext j j

j

Q x m j a bx

Expresia factorului de eficienta a extinctiei, data de teoria Mie,este urmatoarea:

Unde , iar aji bjsunt coeficienii Mie, determinai decondiiile la interfaa dintre tinta sferic i mediul extern (consideratin general ca fiind vid).Se poate demonstra prin teste numerice c numrul optim determeni n seria de mai sus este dat de ntregul cel mai apropiat devaloarea urmtoerei expresii:

m n i k

1 34 2N x x x


42/73

1

1

Re Rej j j

j

j

j j

A m x jx

m xa

A m x jx x

m x

1

1

Re Rej j j

j

j j j

jm A m x x x

xb

jm A m x x x

x

unde simbolulAjreprezint derivata logaritmic a funciei Riccati-Bessel de prima spe, iar jeste funcia Riccati-Bessel de spea adoua.

TEORIA MIE (4)La randul lor, coeficientii Mie sunt dependenti de m si au expresii

analitice complicate:


43/73

ALEGEREA CANALELOR DEMASURA

Una dintre sursele de erori in masuratorile de fotometrie solara esteinfiltrarea de lungimi de unda nedorite prin filtrele instrumentului,sau asa-numitele scurgeri de lumina.

Pentru obtinerea unor rezultate de incredere, astfel efecte trebuiereduse pana la 10-6 10-7 din iradianta primara. Aceasta cerinta esterealizata mai usor daca se admit canale de lucru cu largime relativmare.

Totusi largimea spectrala a unui canal nu poate fi prea mare, pentru

a nu include variatii semnificative ale transmisiei atmosferice peintervalul spectral respectiv. Un bun compromis este largimeaspectrala de 10 nm a fiecaruil canal de lucru.


44/73

POZITIA CANALELOR DEMASURA

In operarea fotometrelor solare suntrecomandate cateva lungimi de undacare se afla in zone cu absorbtieatmosferica redusa din spectrulsolar, sunt bine separate si plasate in

zone in care structura Fraunhofer aspectrului de absorbtie solara esterelativ neteda. In acest fel, in cazulunor usoare deplasari ale ferestrelorcanalelor spectrale (produse deexemplu de variatii de temperatura

sau dezalinieri accidentale aleinstrumentului), energia solaraprimita pe un canal sa nu variezeprea mult.

EXEMPLU FOTOMETRUL


45/73

EXEMPLU: FOTOMETRULSOLAR CE 318N

Exemplu: fotometrul solar CE318N produs de CIMELElectronique foloseste urmatoarelecinci canale: 440 nm, 670 nm, 870nm, 940 nm si 1020 nm. Dupa cum

se vede in spectrul solar alaturat,ele corespund unor valori bineseparate, pentru care absorbtiaatmosferica este relativ mica, astfelincat corectiile de OD molecular safie nesemnificative. Aceasta duce la

diminuarea erorilor in obtinereacurbelor A() si deci indeterminarea parametruluingstrm.


46/73

ESTIMAREA TIPULUI DE AEROSOLCU PARAMETRUL NGSTRM

Distributia aerosolilor dupa dimensiuni se poate estima dindependenta AOD de lungimea de unda. Curbele de tipul A() senumesc spectre de extinctie produsa de aerosol(sau, mai scurt,

spectre de AOD)In mod tipic, se fac masuratori la 440 nm si 870 nm si secalculeaza exponentul ngstrm.

Valori ale lui mai mari decat 2 indica prezenta unor particulefine (de exemplu fum sau sulfati).Valori ale lui apropiate de zero indica modul grosier deaerosol, de exemplu praf desertic.

EXEMPLE DE SPECTRE DE EXTINCTIE


47/73

EXEMPLE DE SPECTRE DE EXTINCTIEPRODUSA DE AEROSOL (1)

Diagrama alaturata ilustreaza un episodde cea arctic msurat in Alaska.

Masuratorile chimice indicau untransport intens de aerosol din Eurasia(datorat poluarii) catre Alaska.

Curba de jos, corespunde unei situatii incare sursele de poluare locale sau distantenu afecteaza zona de masurare in nici unfel.

Extinctia variaza diferit cu lungimea de

unda in cele doua cazuri, in cazul cetiiarctice fiind mai slaba. Aceasta reflectafaptul ca particulele de aerosol importatesunt mai mari decat cele din fondulnatural local.



48/73


Nordul Keniei, pe malul sudic al laculuiTurkana, o zona prafoasa plasata lamarginea desertului Sahill.

Curba de sus a fost obtinuta in timpulunei perioade uscate, cu convectiiputernice, cu transport masiv de praf

saharian dinspre nord.Curba mijlocie corespunde unuitransport moderat de aer dinspre sud,care a urmat unor precipitatiiabundente. Se observa ca aerul curatatde ploaie mai pastreaza inca o oarecare

cantitate de particule gigantice (r> 1m).Pentru comparatie, se prezinta si unspectru de extinctie obtinut la Polul Sud(curba de jos).



49/73


Exemplul alaturat se refera la observatii in zonaPacificului central, facute cu precizie de 2.

Curba de sus este un spectru de extinctie tipic lanivelul marii produs de particulele gigantice desare din stratul de amestec.

Cea de-a doua diagrama este pentru conditiinormale de fond la observatorul de pe munteleMauna Loa (3380 m), obtinute in timpuldiminetii, cand aerosolul din straturile inferioarede aer nu a ajuns la nivelul observatorului.Aceste masuratori au fost facute primavara, cand

se produc intruziuni puternice de praf dinMongolia (desertul Gobi).

Curba inferioara a fost obtinuta in conditiinormale, la aceeasi concentratie de aerosoli(aprox. 150 cm-1).


50/73


Ca ultim exemplu, figura alaturataprezinta diagrame de extinctiedeterminate in Alpii elvetieni, langaDavos, in estul Elvetiei.

Curba de jos a fost luata dupa trecerea

unui sistem frontal care a adus o intruziede aer foarte curat in Europa centrala.

Curba de sus a fost masurata la o zi dupace o ceata industriala a ajuns in zonaalpina. Cerul era cenusiu-murdar. In acestexemplu se observa amprenta tipica a

aerosolului industrial relativ proaspat (104

s), care, dupa panta abrupta a curbei deextinctie, contine o concentratie mare departicule in domeniul r< 0.1 m.

MONITORIZAREA SUN-FOTOMETRICA A


51/73

INCARCARII CU AEROSOL AATMOSFEREI

Valoarea practica ametodelor fotometrice deinvestigare a atmosferei estemult amplificata prinfolosirea de retele nationalesau internationale defotometre solare.

Cea mai ampla dintre acestea este Aerosol Robotic Network(AERONET), initiata de NASA i de LOA-PHOTONS (CNRS) icare se extinde permanent. In momentul de fata, aceasta reteaacopera practic toata suprafata de uscat a globului.


52/73

AERONET furnizeaz pe termen lung o baz de date continu iaccesibil public de date optice, microfizice i radiative aleaerosolului atmosferic, obtinute atat prin fotometrie solara directacat si prin fotometrie celesta.

La baza functionarii retelei AERONET se afla standardizare ainstrumentaiei, a procedurilor de calibrare, a procesrii idistribuirii datelor, ceea ce permite comparaii multianuale i lascar global.

Baza de date AERONET este accesibila public(http://aeronet.gsfc.nasa.gov/index.html).

Datele se prezinta sub forma grafica sau ca tabele care se potrelucra ulterior

RETEAUA AERONET GENERALITATI

MASURATORI STANDARD ALE ALE


53/73

MASURATORI STANDARD ALE ALEAERONET

Instrumentele AERONET pot face in mod curent msurtorifotomertrice directe sau aureolare (de fotometrie celest, sau demprtiere multipl).

In primul caz, instrumentul este orientat catre soare si masoara

iradianta in ipoteza ca lumina incidenta sufera o singura imprastierela trecerea prin atmosfera atmosfera trebuie sa fie deci suficient delimpede, fara nori.

Masuratorile celeste se efectueaz cu instrumentul orientat ctre cer,sub un unghi mic fa de direcia solar (in almucantar). Radiaia

patrunde astfel n colimator dup ce a suferit cel puin douamprtieri pe suspensiile prezente n atmosfer.

ALGORITMUL DE INVERSIUNE GENERALITATI (1)


54/73

GENERALITATI (1)

Extragerea informaiei din astfel de date se face prin utilizarea unui

aa-numit algoritm de inversiune.La baza algoritmului de inversiune se afl un set de ipoteze demodel. Gradul de ndeplinire a acestor ipoteze n situaii practiceeste o msur a calitii rezultatelor algoritmului:

Particulele de aerosol sunt presupuse de dou categorii: sferice ine-sferice care formeaza un ansamblu polidispers i omogen de sferesi sferoizi (sfere alungite, orientate aleatoriu). Indicele de refraciecomplex este acelai pentru toate particulele.

Atmosfera este presupus plan-paralel.

Se presupune c aerosolul este distribuit omogen pe vertical, iarintr-o abordare mai exacta, se admite ca exist doua straturiomogene de aerosol.

ALGORITMUL DE INVERSIUNE


55/73

ALGORITMUL DE INVERSIUNE GENERALITATI (2)

22

,M

m

r

A ext

r

rr Q n i k N r dr

In esenta, algoritmul deinversiune este conceput safurnizeze parametriidistributiei de aerosol prininversarea relatiei

fundamentale a AOD pentrufiecare canal disponibil, inaproximatia bimodala siadmitand distributii log-normale pentru fiecare mod

de aerosol.Algoritmul utilizeaza in conjunctie datele de fotometrie solaradirecta si celesta

PRODUSE AERONET OBTINUTE DIN


56/73

PRODUSE AERONET OBTINUTE DINALGORITMUL DE INVERSIUNE

Distribuia dimensional a volumului de aerosol din coloanavertical de arie unitate, dV/dlnr, exprimat n m3/m2. Distribuiaeste calculat ntr-o diviziune de 22 puncte logaritmic echidistante,n domeniul 0,05 m r 15 m.Partea real, n() i imaginar k() a indicelui de refracie complexal aerosolului (1,33 n() 1,66; 0,0005 k() 0,5).Procentul de particule sferice n aerosolul observat.

Diveri parametri modali: concentraii volumice modale, razemediane, deviatii standard modale, raze efective modale si punctulde separare dintre modurile fin i grosier (definit ca raza pentru caredistribuia dimensional volumic este minim).

MARIMI RADIATIVE OBTINUTE


57/73

INDIRECT DIN ALGORITMUL DEINVERSIUNE

Albedoul de mprtiere singular, 0().Funcia de faz,P(; ), pentru 83 valori ale unghiului demprtiere.Factorul de asimetrie,g= , pentru fiecarevaloare a funciei de faz.

Fluxuri spectrale la partea de sus si de jos a atmosferei

(fluxuri de band larg, forcing radiativ, eficienaforcingului radiativ.

DETERMINAREA CONTINUTULUI DE


58/73

APA PRECIPITABILA PRIN FOTOMETRIESOLARA

Apa precipitabila: continuta in atmosfera sub forma de vapori (staregazoasa).Determinarea continutului de apa precipitabila se face in modasemanator cu metoda DIAL: se face raportul extinctiei la 936.1 nm(lungime de absorbtie rezonanta a apei) si la o lungime de undaapropiata, dar in afara rezonantei. Ambele valori ale AOD suntafectate identic de continutul de aerosoli si apa precipitata si factorulcorespunzator se simplifica in raport.AOD la 936.1 contine insa si factorul de extinctie datorat absorbtiei

rezonante, care este proportional cu concentratia de vapori de apa.Cantitatea de apa precipitabila este un alt produs AERONET.

BAZA DE DATE AERONET


59/73

Masuratorile AERONET se efectueaza sise includ in baza de date cu o rata deaproximativ 1 la 10-15 minute. La cerere,se obtin date mediate pe fiecare ora saumediate pe fiecare zi.

Baza de date AERONET este npermanent dezvoltare si necesitfolosirea unei proceduri reproductibile sisistematice de filtrare numeric.

BAZA DE DATE AERONET GENERALITATI

Datele de AOD sunt calculate pentru trei nivele de calitate: nivelul1.0 (date ne-filtrate), nivelul 1.5 (date filtrate fa de acoperirea cunori) i nivelul 2.0 (date filtrate fa de acoperirea cu nori i carendeplinesc un set mai larg de condiii de calitate).

EXEMPLE DE UTILIZARE A BAZEI DE


60/73

DATE AERONET

Universitatea din Bucureti este afiliata la AERONET cuinstrumentul nr. 397 este proprietatea i face parte din Platforma deGeotiine din cadrul Centrului de Cercetare-Dezvoltare MaterialePolimere, Mezofaze i Metode Neconvenionale de Protecie a

Mediului. Este un fotometru solar robotizat, de tip CE 318, cu optcanale de observare solar i celest i un canal pentru observareaapei precipitabile.

In prezent, instrumentul se afla amplasat la Eforie Nord, dar, operioada a functionat in zona Bucuresti. Utilizand datele obtinute deacest instrument se pot evidentia unele particulariti ale aerosoluluiBucuretean.

In figurile de mai jos sunt reprezentate datele de distribuie dimensional aaerosolului (medii diurne), determinate n anul 2008 (reprezentare tri-


61/73

aerosolului (medii diurne), determinate n anul 2008 (reprezentare tridimensionala si prin linii de nivel).

Se poate observa, pe direcia paralel cu axa zilelor, c distribuia are permanent o

forma bimodal cu ponderea relativ variabila n timp.Se disting clar perioade de n care ambele moduri sunt mult amplificate, probabildin cauza unor advecii. Cu excepia acestor situaii, se observ n general o uoardominan a modului fin, ceea ce semnaleaz prezena consistent a aerosoluluiantropic de tip urban.

In figurile de mai jos se prezint mediile diurne ale AOD msurate cufotometrul solar nr. 397 n a doua jumtate a anului 2008.


62/73

Se observ o cretere semnificativ a AOD pe aproape tot spectrul vizibil nperioada august-septembrie, ceea ce nseamn o prezen masiv de

aerosol n ambele moduri.In general, ns, aerosolul grosier, care intensific mai ales AOD la lungimide und mari, pare sa fie redus fa de cel fin, care determin creteri aleAOD la lungimi de und mici. Aceasta confirma ipoteza existentei unorsurse intense de poluare antropic n zona investigat.

O posibilitate mai sugestiv deinvestigare o ofer studiul


63/73

220 240 260 280 300 3200.0

0.3

0.6

0.9

(b)AOD la 380 nm

AOD la 1020 nm

AOD

Ziua anului 2008 (conform calendarului iulian)

0.00

0.05

0.10

0.15Modul fin

Modul grosier

Vol.deaero

sol(m

3/m

2)

(a)comparativ al ncrcrii cuaerosol fin i grosier cu variaia

AOD aproape de cele douextremiti ale spectrului: 380nm i 1020 nm. Pentru primulcanal, AOD este influenat nmod esenial de aerosolul fin, iar

pentru canalul din extremitateaopus a spectrului AOD estedeterminat de aerosolul grosier.Corelaiile dintre volumul de aerosol fin i AOD la 380 nm pe de oparte i volumul de aerosol grosier AOD la 1020 nm pe de alt partesunt foarte vizibile. De exemplu, n lunile iunie i octombrie seobserv o cretere important a cantitii de aerosol fin, fa de celgrosier, ceea ce determin valori mari ale AOD la lungimi de undmici.

METOD DE ESTIMARE A CONINUTULUI DEMETOD DE ESTIMARE A CONINUTULUI DE


64/73

AEROSOL SUBAEROSOL SUB--MICRONIC N ATMOSFERA TERESTRMICRONIC N ATMOSFERA TERESTRFOLOSIND DATE DE FOTOMETRIE SOLAR DIRECTFOLOSIND DATE DE FOTOMETRIE SOLAR DIRECT

Folosind expresia general, se pot defini componente separate aleAOD pentru fiecare din cele dou moduri principale de aerosol:

,

,

, ,

3 2 1,

4

f cM

f cm

r

f c ext f c

r

rQ n i k v r dr

r

unde v(r) este distribuia volumetric de aerosol. Prin definiie,v(r)dr, reprezint volumul total al particulelor de aerosol care aurazele cuprinse in intervalul (r, r + dr) aflate in coloana atmosfericde arie unitate.

343

v r r N r


65/73

Distribuiile separate ale modurilor de aerosol sunt considerate deform log-normal:

2

,,, 2

,,

lnexp

22

f cf c

f c

f cf c

r RCv r

r

Cf,c sunt concentraiile volumetrice modale de aerosol (volumul totalde aerosol din modul respectiv aflat n coloana atmosferic de arieunitate);Rf,c sunt razele modale; f,c sunt lrgimile modale.Cu ajutorul concentraiilor volumice modale se poate definifraciunea volumetric de aerosol fin din coloana atmosferic de arieunitate:

f

V

C

C

unde CVeste concentraia volumetric total


66/73

In concluzie, folosind teoria Mie si aproximatia bimodala, AOD totalse poate obtine ca sum de AOD modale in functie de fraciuneavolumetric de aerosol fin, de concentraia volumetric total, deindicii de refractie complecsi si de parametrii distributiilor modale:

1A f c f f c c V f cC C C

unde mrimile sunt AOD modale reduse. ,

,

,

f c

f c

f cC

Principiul metodei este rezumat in schema alaturata:


67/73

Spectrele de AOD masurate se compara cu diagrameleteoretice corespunzatoare;

Ajustand convenabil parametrii de model se obtine un fitoptim al curbelor teoretice pe cele experimentale.Valorile parametrilor de model care corespund celui mai bun

fit sunt considerate a fi cele reale


68/73

Procedura propusa permite deci extractia parametrilordimensionali si de compozitie ai aerosolului atmosferic din date defotometrie solara directa.

Ea se constituie ca alternativa la procedurile standardaleAERONET care se bazeaza pe algoritmul de inversiune aplicatdatelor de fotometrie celesta.

EXEMPLIFICAREA METODEI PROPUSEEXEMPLIFICAREA METODEI PROPUSE


69/73

Au fost selectate doua seturi de cate trei zile din lunile februarie simartie ale anului 2008. Curbele teoretice sunt desenate cu liniicontinue, iar datele experimentale sunt reprezentate prin puncte.

EXEMPLIFICAREA METODEI PROPUSEEXEMPLIFICAREA METODEI PROPUSE

0.1

1Experimental

Teoretic

AOD

Data: 12.02.08

0.1

1ExperimentalTeoretic

AOD

Data: 13.02.08


70/73

0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1

0.2

0.4

0.6

0.8

Rap.optic

Lungimea de unda (m)

0.0

0.7

1.4

Par.Angstrom

0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1

0.2

0.4

0.60.8

Rap.optic


0.0

0.7

1.4

Par.Angstrom

0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1

0.2

0.4

0.6

0.8

Rap.optic


0.0

0.7

1.4

Par.Angstrom

0.1

1Experimental

Teoretic

AOD

Data: 14.02.08In prima serie de determinri se observcurbele de AOD relativ plate cu valori

absolute relativ mari i n ordine cresctoarede la o zi la alta.

Avnd n vedere valorile relativ mici alefraciunii volumice de aerosol fin (=0,28; 0,43i 0,38) i valorile cresctoare ale coninutuluitotal de aerosol (CV=0,08 m3/ m2; 0,13 m3/m2 i 0,23 m3/ m2), acest fapt se datoreazunei advecii de aerosol grosier (posibil praf)

n zona respectiv.

0.1

1Experimental

Teoretic

AOD

Data: 07.03.08

0.1

1Experimental

Teoretic

AOD

Data: 08.03.08


71/73

O situaie oarecum opus se poate observapentru trei zile consecutive din prima decad a

lunii martie.Valorile AOD sunt mult diminuate idescresctoare de la o zi la alta. De asemenea,panta spectral a AOD este din ce n ce maimare. Acest fapt sugereaz o advecie de aercurat n atmosfera monitorizat, fapt susinutsi de valorile relativ sczute ale coninutuluitotal de aerosol (CV= 0,13 m3/ m2; 0,025 m3/m2 i 0,025 m3/ m2).

0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1

0.2

0.4

0.60.8

Rap.optic


0.0

0.7

1.4

Par.Angstrom

0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1

0.2

0.4

0.6

0.8

Rap.optic


0.0

0.7

1.4

Par.Angstrom

0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1

0.2

0.4

0.6

0.8

Rap.optic


0.0

0.7

1.4

Par.Angstrom

0.1

1Experimental

Teoretic

AO

D

Data: 09.03.08

VALIDAREA METODEI PRIN


72/73

COMPARATIE CU PRODUSE AERONET

Valorile celor patru parametri de fit (ptrate albastre) icorespondentele lor furnizate de AERONET (puncte roii) suntprezentate in figurile alaturate.

20 40 60 80 100

0.05

0.10

0.15

Date AERONET

Rezultate de model

CV

(m3/m

2)

Ziua anului 2008 in calendarul iulian

0.3

0.6

0.9

Fractiuneamoduluifin

20 40 60 80 100

2.1

2.8

3.5

4.2

Date AERONET

Rezultate de model

Rc

(m)


0.1

0.2

0.3

0.4

Rf

(m)

Exceptnd raza modal grosier care influeneaz mai puin fitul,l il bi t i d l l t i t d l f it d


73/73

20 40 60 80 100

0.05

0.10

0.15

Date AERONET

Rezultate de model

CV

(m3/m

2)


0.3

0.6

0.9

Fractiuneamoduluifin

20 40 60 80 100

2.1

2.8

3.5

4.2

Date AERONET

Rezultate de model

Rc

(m)


0.1

0.2

0.3

0.4

Rf

(m)

valorile obinute prin modelul propus sunt apropiate de cele oferite dAERONET.

Acest fapt ntrete ncrederea c modelul propus este o alternativconsistent pentru determinarea unor parametri de distribuie aiaerosolului.

Documents

Elemente de Radiometrie Solara