Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.pl

1. Meteorologia doświadczalnaWykład 9 Pomiary własności mikrofizyczny oraz optycznych aerozoli atmosferycznych Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

2. Zanieczyszczenia atmosfery zwane inaczej aerozolamito małe cząstki stałe lub ciekłe powstające w sposób naturalny oraz w wyniku działalności gospodarczej człowieka. • Rodzaje aerozoli: • sól morska • drobiny piasku • pyły (wulkaniczny) • fragmenty roślin • sadza (elemental carbon), organic carbon • siarczany, azotany • związki organiczne i nieorganiczne Aerozole naturalne. Aerozole antropogeniczne

5. niehigroskopijny higroskopijny Inny podział aerozoli bardzo ważny z punktu widzenia fizyki atmosfery Sól morska Siarczany, azotany Aerozole organiczne Pył pustynny Sadze

6. Objętościowy rozkład wielkości cząstek

7. Usuwanie aerozoli z atmosfery • Sucha depozycja Sedymentacja – osiadanie grawitacyjne (efektywnie usuwane tylko duże cząstki) • Wilgotna depozycja (wymywanie przez krople chmurowe lub krople deszczu). Efektywne usuwanie cząstek z modu akumulacyjnego

8. Wpływ aerozoli na klimat Ziemi • Efekt bezpośredni (poprzez rozpraszanie i absorpcje promieniowania) • Efekt pośredni (poprzez oddziaływanie na własności mikrofizyczne chmur)

9. Bezpośredni wpływ aerozoli na klimat wzrost albeda planetarnego wzrost absorpcji w atmosferze warstwa aerozolu redukcja promieniowana słonecznego dochodzącego do powierzchni ziemi

10. Pośredni wpływ aerozoli – ślady statków . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . większe albedo Stratocumulus . . . . . . . . . . . :: . . . . . . . . . . :: . . . . :: :: . . . . . . . . . . :: . . . . . . . . . . . . . . . . :: :::: :: Większa koncentracja kropel, Mniejszy promień re :: . .

11. Średnia grubość optyczna aerozolu (marzec- maj)

12. Grubość optyczna aerozoli o promieniu r<1 m (aerozol antropogeniczny i powstały w czasie pożarów) Grubość optyczna aerozoli o promieniu r>1 m (piasek i sól morska)

13. Pomiary własności optycznych aerozoli • Pomiary grubości optycznej • Współczynnika absorpcji • Współczynnika rozpraszania • Współczynnika ekstynkcji • Współczynnika rozpraszania do tyłu • Funkcji fazowej

14. Fotometr Słoneczny

15. Pomiary grubości optycznej aerozolu Zakładając horyzontalną jednorodność z prawa Lamberta-Beera mamy: I oraz Io – natężenie promieniowania bezpośredniego przy powierzchni ziemi i na górnej granicy atmosfery, m- masa optyczna atmosfery, RAY, H2O O3 grubość optyczna związana z rozpraszaniem Rayleigh’a, absorpcja przez parę wodną oraz ozon.

16. W obszarze widzialnym oraz w bliskiej podczerwieni grubość optyczna ozonu, pary wodnej oraz innych gazów jest najczęściej zaniedbywana mała poza wąskimi pasmami absorpcyjnymi. • Największy wkład do grubości optycznej wnoszą rozpraszanie i absorpcja aerozolu oraz rozpraszanie molekularne. Przy czym to ostatnie szybko zmniejsza się z długością fali (-4). • Przykład: RAY(350nm)=0.61 RAY(500nm)=0.14 RAY(1000nm)=0.008 • Typowe wartości grubości optycznej aerozolu mieszczą się w Polsce się w zakresie od 0.1 do 0.5.

17. Rozpraszanie Rayleigha Masa optyczna atmosfery • A=8436e-6; • B=-1225e-7; • C=14e-5; • p0=1013; • a=0.50572; • b=6.07995; • c=1.6364; • - jest kątem elewacyjnym Słońca w radianach. Dla kąta elewacyjnego > 30o

18. Grubość optyczna aerozolu (AOT) opisuje całkowitą zawartość aerozolu w pionowej kolumnie powietrza. • Z definicji grubości optycznej mamy gdzie ekstynkcja wyraża się wzorem Qext () jest efektywnym przekrojem czynnym na ekstynkcje i dla cząstek sferycznych może być wyznaczony z teorii MIE o ile znamy współczynnik refrakcji m oraz promień cząstki r.

19. Pomiary grubości optycznej aerozolu MICROTOPS- pomiar bezpośredniego promieniowania słonecznego Wyznaczane: 1. Grubość optyczna =380,440,500,675,870,1020 nm 2. Opad potencjalny 3. Całkowitą zawartość ozonu w pionowej kolumnie powietrza (MICROTOPS OZONOMETER)

20. Shadowband detektory: fotodiody Spektralny pomiar promieniowania całkowitego oraz rozproszonego =[415,500,610,665,862,940 nm] Służy do wyznaczania grubości optycznej aerozolu oraz opadu potencjalnego.

21. CIMEL-sunphotometer • Używany w sieci AERONET • Pomiar bezpośredniego promieniowania słonecznego za pomocą aktywnego systemu śledzącego Słońce oraz radiancji nieba (aureola Słońca) • Wyznaczanie teledetekcyjne • 1. Grubość optyczna aerozolu • =[340,380,440,500, 670,870,1020 nm] 2. Albedo pojedynczego rozpraszania 3. Funkcja fazowa 4. Rozkład wielkości aerozolu 5. Opad potencjalny

22. CIMEL – fotometr słoneczny

23. Pomiary promieniowania rozproszonego • CIMEL wykonuje się dwa różne skanowania obszaru nieba, wykonywane w: płaszczyźnie horyzontalnej (stały kąt zenitalny) płaszczyźnie prostopadłej (stały kąt azymutalny) • Promieniowanie rozproszone docierające do powierzchni ziemi zależy od własności optycznych aerozoli • W przeciwieństwie do promieniowania bezpośredniego promieniowanie rozproszone rośnie ze wzrostem grubości optycznej aerozoli. • Wykorzystanie pomiarów promieniowania rozproszonego w metodach teledetekcyjnych jest jednak znacznie trudniejsze, gdyż wymaga rozwiązania pełnego równania transferu w atmosferze. • Aby to zrobić musimy dokonać wielu założeń np. założyć profil pionowy parametrów stanu atmosfery czy fizyczno-optycznych własności aerozoli.

24. Rozkład radiancji promieniowania rozproszonego dla małych grubości optycznych możemy określać przy użyciu przybliżenia pojedynczego rozpraszania. • W tym przypadku wzór na promieniowanie rozproszone ma analityczna postać o =o gdzie wielkości optyczne takie jak funkcja fazowa P czy albedo pojedynczego rozpraszania  są wartościami uśrednionymi w pionowej kolumnie atmosfery,  oraz o są cosinusami kątów zenitalnych przyrządu oraz Słońca,  jest całkowitą grubością optyczną atmosfery w skład której wchodzi grubość optyczna aerozolu zaś F jest stała słoneczna dla danego kanału.

25. AERONET- sieć obserwacji aerozolowych opartych na pomiarach fotometrami słonecznymi W skład AERONETu wchodzi ponad 100 stacji wyposażonych fotometry typu CIMEL. Dane przesyłane za pośrednictwem łącz satelitarnych http://aeronet.gsfc.nasa.gov Poziomy danych w AERONECIE • Level 1.0 wstępnie przetworzone dane • Level 1.5 dane po odrzuceniu chmur • Level 2.0 ostateczna wersja uwzględniająca poprawki kalibracyjne i manualne odrzucenie chmur.

26. Pomiary współczynnika absorpcji aerozolu PSAP-Particle soot absorption photometer Pomiar współczynnika absorpcji aerozolu dla =565 nm Przyrząd za pośrednictwem pompy zasysa powietrze, które następnie przepuszczane jest przez filtr. Aerozole osadzają się na filtrze. Transmisja filtra monitorowana jest za pomocą układu optycznego Przyrząd wymaga ręcznej zmiany filtra co kilka godzin

27. abswspółczynnik absorpcji [m-1] S powierzchnia zajmowana przez cząstki aerozolu [m2] V – objętość powietrza przepływająca w jednostce czasu [m3] I – natężenie promieniowania przechodzącego przez filtr Io natężenie promieniowania padającego na filtr

29. Błędy pomiarowe PSAP • Błędy niestabilności prędkość przepływu powietrza – mniejsze niż 2% • Błędy związane z powierzchnią akumulacji aerozolu na filtrze – mniejsze niż 2% • Błędy związane z rozpraszaniem ~2% • Błędy związane z absorpcja ~22% • Precyzja przyrządu < 6% • Całkowity błąd PSAP-u dla uśredniania 1 minutowego i typowych warunków atmosferycznych wynosi około 15%

30. Aethalometer Przyrząd działa na tej samej zasadzie co PSAP jednak pomiar transmisji filtra odbywa się dla kilku długości fali. Ponadto układ mechaniczny pozwala na automatyczna zmianę filtra. http://www.mageesci.com Kanały spektralne

31. Przyrząd raportuje koncentracje cząstek absorbujących - black carbon (BC) w [ng/m3] liczona ze wzoru: Filtr kwarcowy gdzie ATN(t) oraz ATN(0) jest atenuacją filtru w chwili czasu t oraz chwili początkowej, zaś SG jest masowym współczynnikiem absorpcji „black carbon” w [m2/g].

33. Tryb pracy Aethalometr pracuje w cyklu 5 minutowym w czasie którego wykonywane są: • Pomiar napięcia na detektorze przy wyłączonych źródłach światła • Pomiar napięcia na detektorze przy włączonych źródłach promieniowania • Pomiar prędkości przepływu • Obliczanie wartość BC • Obliczanie współczynnika absorpcji może być wykonane dopiero w czasie analizy danych. Wymaga to jednak wykonania skomplikowanych poprawek na rozpraszanie promieniowania na warstwie aerozolu gromadzonego na filtrze.

34. Przykładowy przebieg koncentracji cząstek absorbujących

35. Multi-Angle Absorption Photometer, Model 5012 • Pomiar natężenia promieniowania rozproszonego wstecznie na warstwie aerozolu dla kilku kątów rozpraszania. • Umożliwia to oszacowanie efektu rozpraszania w całkowitej transmisji promieniowania przez filtr. • Umożliwia to wyznaczenie współczynnika absorpcji • Przyrząd działa dla długości fali 670 nm.

36. Pomiary fotoakustyczne-Pomiary absolutne. • W przyrządach tego typu źródło silnego światła przechodząc przez warstwę powietrza zawierającego aerozol jest absorbowane. Prowadzi to do ogrzewania i rozszerzania się otaczającego powietrza. W czasie tego ostatniego procesu emitowane są fale akustyczne, które rejestrowane są przy użyciu czułego mikrofonu. • Natężenie fali dźwiękowej związane jest z współczynnikiem absorpcji aerozolu • Wadą przyrządu jest niska czułości dlatego wymagane jest używanie silnego źródła świata oraz stosowania rezonatora do wzmacniania fali dźwiękowej. • Zaletą przyrządu jest unikatowa technika pomiarowa, która sprawia, iż tak wykonany pomiar jest pomiarem absolutnym i nie wymagane są korekcje na rozpraszanie światła jak to ma miejsce w standardowych przyrządach omawianych wcześniej.

39. Pomiary rozpraszania Nephelometer całkujący TSI

40. Nephelometr umożliwia pomiar współczynnika rozpraszania aerozolu na podstawie obserwacji promieniowania rozproszonego w kątach rozproszenia w przedziale od 7 do 170o. • Ponadto współczynnika rozpraszania do tylu dzięki układowi blokującemu detekcje promieniowania rozproszonego w przedziale od 7 do 90o. Io oraz I są natężeniem światła emitowanego oraz mierzonego przez detektor, x droga geometryczna, abs scat ext współczynnikami absorpcji, rozpraszania oraz ekstynkcji. suma absorpcji związana z aerozolami i molekułami powietrza suma rozpraszania związana z aerozolami i molekułami powietrza

44. Pomiar funkcji fazowej Nephelometer polarny Funkcja fazowa określa gęstość prawdopodobieństwa rozpraszania fotonów w kąt bryłowy d()

45. Lidar- mikropulsowy MPL =523 nm rozdzielczość pionowa 75 m Zasięg 8-20 km Wyznaczany na podstawie sygnału lidarowego: Pionowy profil ekstynkcji oraz współczynnika rozpraszania do tyłu

50. Pomiary własności fizycznych aerozoli • Poza pomiarami optycznych własności aerozoli wykonuje się pomiary fizyczno chemiczne obejmujące: • Pomiary rozkładu wielkości • Pomiary liczby (koncentracji) cząstek • Składu chemicznego • Własności higroskopijne