Lidar atmosférico - Atmospheric lidar

Lidar atmosférico é uma classe de instrumentos que usa luz laser para estudar as propriedades atmosféricas desde o solo até o topo da atmosfera . Esses instrumentos têm sido usados ​​para estudar, entre outros, gases atmosféricos, aerossóis, nuvens e temperatura.

História

Os conceitos básicos para estudar a atmosfera usando a luz foram desenvolvidos antes da Segunda Guerra Mundial . Em 1930, EH Synge propôs estudar a densidade da atmosfera superior usando um feixe de holofote . Nos anos seguintes, feixes de holofotes foram usados ​​para estudar a altitude das nuvens usando varredura e luz pulsada. Técnicas avançadas para estudar as propriedades das nuvens usando luz espalhada com diferentes comprimentos de onda também foram propostas. Com os primeiros experimentos, padrões de espalhamento de luz foram observados na troposfera que não eram compatíveis com uma atmosfera molecular pura. Esta incompatibilidade foi atribuída a partículas de névoa suspensas. Técnicas semelhantes também foram desenvolvidas na URSS. A técnica do feixe de holofotes continuou a melhorar após o fim da Guerra, com instrumentos mais precisos e novos parâmetros atmosféricos, como a temperatura. Ao mesmo tempo, a luz pulsada foi usada para construir um telêmetro para medir a distância. de objetos, mas permaneceu apenas um projeto experimental.

Em 1960, T. Maiman demonstrou o primeiro laser funcional no Hughes Research Laboratories . A demonstração foi um momento crucial para o desenvolvimento do lidar. Logo depois, os engenheiros da Hughes Aircraft Company desenvolveram um telêmetro a laser usando luz laser rubi . O novo dispositivo, denominado colidar (detecção e alcance coerente de luz), ganhou ampla publicidade. Em 1962, L. Smullin e G. Fiocco usaram um laser de rubi para detectar ecos da lua . Durante seus experimentos, eles observaram a luz espalhada na alta atmosfera que atribuíram a partículas de poeira. Logo, vários grupos de pesquisa construíram dispositivos semelhantes para observar a atmosfera. Em 1969, "mais de 20 lasers estavam em uso por meteorologistas nos Estados Unidos em pelo menos uma base semirrotina" para várias aplicações, incluindo medições de aerossol, cirros subvisíveis e observações de nuvens noctilucentes e medição de visibilidade

Projeto

Figura 1. Configuração esquemática Lidar

Uma representação simplificada de uma configuração lidar é demonstrada na Figura 1. A unidade de transmissão consiste em uma fonte de laser, seguida por uma série de espelhos e um expansor de feixe que envia o feixe de luz colimado verticalmente para a atmosfera aberta. Parte da radiação transmitida é espalhada por componentes atmosféricos (ou seja, gases, moléculas, aerossóis, nuvens) de volta para o lidar, onde é coletada por um telescópio . A luz retroespalhada é conduzida para um analisador óptico onde o sinal óptico é primeiro espectralmente separado, amplificado e transformado em um sinal elétrico. Finalmente, o sinal é digitalizado e armazenado em uma unidade de computador.

Formulários

Nuvens

Os lidares têm se mostrado úteis para a classificação de tipos de nuvens (ou seja, cúmulos versus cirros). Os limites da nuvem podem ser recuperados de um lidar baseado em solo operando em uma banda visível e / ou infravermelho próximo. A altura da base da nuvem pode ser identificada pela diferença de tempo entre a transmitância do pulso de laser para o céu e a detecção da luz retroespalhada pelo telescópio. O feixe de laser é sempre atenuado quando penetra pelas nuvens. No entanto, quando um laser poderoso (por exemplo, laser Nd: YAG com alta energia por pulso) é usado, os topos das nuvens também podem ser recuperados. Outro parâmetro físico que pode ser recuperado é a fase de nuvem. Ao usar um feixe de laser polarizado linear, uma razão de despolarização de partícula linear (δ) pode ser definida como a razão da intensidade de retroespalhamento perpendicular medida sobre a intensidade de retroespalhamento paralelo em relação ao eixo de polarização do transmissor:

Quando este parâmetro é zero (o sinal retroespalhado é linearmente polarizado), a nuvem contém gotículas esféricas de líquido. No entanto, quando a nuvem contém cristais de gelo, a luz retroespalhada chega à unidade receptora com um componente polarizado cruzado e δ tem um valor mais alto (0 <δ <1). Gotículas de líquido tendem a se comportar como elementos de dispersão simétricos, enquanto os cristais de gelo são assimétricos.

O uso da razão de polarização geralmente inclui uma suposição implícita de que as partículas no volume são orientadas aleatoriamente. As propriedades de polarização de partículas orientadas não podem ser representadas adequadamente pela razão de despolarização. Os cristais de gelo são conhecidos por se orientar horizontalmente quando são grandes o suficiente para que as forças de arrasto superem os efeitos aleatórios do movimento browniano. A chuva também é geralmente orientada, onde as forças de arrasto achatam as gotas ao longo da direção de queda. Em tais casos, a razão de despolarização medida pode depender do estado de polarização particular usado pelo sistema LIDAR. Alguns sistemas lidar de polarização podem medir toda a matriz de fase de retroespalhamento, evitando assim a ambigüidade da razão de despolarização quando partículas orientadas estão presentes.

Partículas de aerossol

Uma das maiores incertezas para as mudanças climáticas é a importância dos efeitos diretos e indiretos dos aerossóis. As incertezas foram destacadas no 4º Relatório de Avaliação do Painel Intergovernamental para Mudanças Climáticas (IPCC). A grande diversidade de propriedades ópticas do aerossol, incluindo suas fontes e os processos meteorológicos a que são submetidos, requer medições resolvidas verticalmente, que só podem ser realizadas com observações LIDAR de rotina. Redes de lidares de aerossóis como a European Aerosol Research Lidar Network (EARLINET) foram estabelecidas para investigar propriedades de aerossóis, juntamente com fenômenos de transporte e modificação, de forma coerente em uma escala regional a continental. Em 2015, o EARLINET consistia em 27 estações lidar com mais de 44.000 perfis. Lidares de retroespalhamento elástico (EBL) têm sido usados ​​extensivamente para investigar nuvens e camadas de aerossol desde 1960. EBLs detectam o sinal retroespalhado total (partículas e contribuições moleculares). Os perfis do coeficiente de extinção devem ser estimados usando o sinal molecular e a suposição de uma extinção de aerossol condicionalmente "constante" (grosso modo) para a razão de retroespalhamento, chamada de razão lidar. A principal equação envolvida, conhecida como equação lidar é:

 

 

 

 

( 1 )

onde P (r) é a potência da radiação retroespalhada recebida pelo telescópio LIDAR na distância r , E é a energia de pulso de laser transmitida, L é a constante LIDAR resumindo suas características ópticas e de detecção, O (r) é a função de sobreposição, e e são o aerossol / retroespalhamento molecular e coeficiente de extinção, respectivamente. O retroespalhamento molecular e a extinção podem ser derivados de dados meteorológicos, portanto, as únicas incógnitas na equação lidar são e . No entanto, a proporção lidar, como uma propriedade intensiva do aerossol, depende fortemente do tamanho, morfologia e composição química das partículas e é altamente variável em relação à altura, o que muitas vezes arrisca a credibilidade do perfil de extinção. O processo para calcular perfis de coeficiente de retroespalhamento e extinção de retornos de EBL é amplamente conhecido como o método Klett e foi originalmente formalizado por Hitschfeld e Bordan em 1954. O defeito acima mencionado na estimativa de perfis de extinção é superado por Raman (inelástico) retrodifusão Lidar e alto espectral resolução lidar (HSRL). Raman lidar funciona medindo adicionalmente o retroespalhamento inelástico por nitrogênio e / ou moléculas de oxigênio. HSRL usa uma abordagem de processamento, mas obtém a medida adicional de retrodifusão molecular apenas no comprimento de onda transmitido, bloqueando os retornos de aerossol espectralmente estreitos e passando os retornos moleculares espectralmente amplos. Essas técnicas fornecem um cálculo direto do coeficiente de extinção, eliminando a necessidade de uma suposição de proporção LIDAR, uma vez que quaisquer termos adicionais envolvidos (por exemplo, o coeficiente de extinção molecular) são tratados por dados meteorológicos (por exemplo, radiossondagens) e dados da atmosfera padrão. Depois de algumas manipulações matemáticas da equação lidar, a equação relacionada à extinção diz:

 

 

 

 

( 2 )

onde os subscritos "inc" e "sca" se referem à luz de laser incidente e à luz retroespalhada deslocada respectivamente (em HSRL esses termos são os mesmos, simplificando ainda mais a equação, mas a distinção é necessária no caso de Raman lidar), N é a densidade numérica da molécula de nitrogênio / oxigênio e é o expoente Ångström . Uma desvantagem deste método é a presença de uma derivada na fórmula do coeficiente de extinção resultante ( 2 ) que resulta em instabilidade numérica potencial, introduzindo um campo ativo de pesquisa.

Inversão das propriedades microfísicas do aerossol

A extração das propriedades microfísicas das partículas é motivada pela necessidade de um entendimento mais profundo do efeito dos aerossóis no clima, investigando sua variabilidade espacial e temporal. Um parâmetro chave é a distribuição do número de partículas em relação ao seu tamanho. Outros parâmetros microfísicos envolvendo a caracterização de aerossóis são o raio médio (efetivo), o volume total e a concentração de área de superfície, o índice de refração complexo e o albedo de espalhamento único (forçante do clima). Embora conhecer as propriedades do aerossol (problema direto) e prever o sinal lidar seja um cálculo simples, o processo inverso é matematicamente mal posicionado (ou seja, espaço de solução não exclusivo e incompleto), mostrando uma forte sensibilidade nas incertezas de entrada. Os parâmetros ópticos podem ser obtidos a partir de medições usando sistemas lidar elástico Raman com vários comprimentos de onda. Os parâmetros são usados ​​como entradas para os algoritmos de inversão. Os coeficientes de extinção ( ) e retroespalhamento ( ) medidos por um lidar com vários comprimentos de onda ( ) estão relacionados à distribuição do tamanho do número por meio da equação integral de Fredholm do primeiro tipo:

 

 

 

 

( 3 )

onde r é o raio da partícula, m é o índice de refração complexo e? são as funções do kernel que resumem o tamanho, forma e composição das partículas. A dependência não linear do índice de refração é geralmente resolvida assumindo uma grade de opções viáveis. O espaço de solução é construído e ainda mais restrito por restrições físicas e / ou matemáticas e os limites do tamanho das partículas também são pré-determinados. O modelo Eq. ( 1 ) assume ainda um índice de refração independente do comprimento de onda. O comprimento de onda é restrito a vários valores discretos, dependendo da tecnologia atual e da disponibilidade do sistema lidar. A configuração mínima de dados ópticos consiste em 5 valores, onde nm ,. Eq. ( 1 ) deve ser discretizado, pois não pode ser resolvido analiticamente. A teoria dos problemas inversos mal colocados demonstra que os potenciais componentes ruidosos nos dados LIDAR farão com que a solução exploda, independentemente da magnitude do nível de erro. Métodos de regularização são usados ​​para neutralizar a instabilidade inerente da inversão. O objetivo desses métodos é filtrar os componentes ruidosos das soluções, mantendo ao mesmo tempo o máximo possível do conteúdo da solução. O compromisso ideal entre ruído e regularidade é expresso pelas chamadas regras de escolha de parâmetros. Os métodos de regularização comumente usados ​​são a Decomposição de Valor Singular Truncado , a regularização de Tikhonov combinada com o Princípio da Discrepância, o método da curva L ou o método de Validação Cruzada Generalizada como regra de escolha de parâmetro. Enquanto o modelo Eq. ( 1 ) oferece uma aproximação razoável para partículas quase esféricas (por exemplo, aerossóis de queima de biomassa), não fornece mais uma descrição viável para o caso não esférico. O formato da partícula é conhecido por ter efeitos substanciais para o espalhamento na direção lateral e para trás. Estudos recentes mostram que a aproximação de partículas esferoidais é capaz de reproduzir os dados ópticos com muito mais precisão do que as esferas.

Gases

Os sistemas Lidar podem ser usados ​​para medir perfis de concentração de gases atmosféricos (ou seja, vapor de água , ozônio ) e emissões industriais (ou seja, SO 2 , NO 2 , HCl ). Essas medições são realizadas usando dois tipos básicos de lidar; Lidars Raman lidar e Absorção Diferencial (DIAL). No primeiro tipo, o Raman lidar detecta o espalhamento do feixe de laser devido ao espalhamento Raman . A mudança de frequência induzida por tal espalhamento é única para cada molécula e atua como uma “assinatura” para detectar sua contribuição específica. O segundo tipo, sistemas DIAL, emite dois feixes com duas frequências distintas. Um feixe é sintonizado exatamente em uma linha de absorção molecular e o outro feixe é sintonizado em um comprimento de onda próximo, sem absorção molecular. Ao examinar a diferença de intensidade da luz espalhada nas duas frequências, os sistemas DIAL podem separar a contribuição da molécula específica na atmosfera.

Temperatura

Os sistemas Lidar podem medir a temperatura atmosférica desde o solo até aproximadamente 120 km usando uma variedade de técnicas, cada uma adaptada para uma faixa de altitude específica. Os sistemas lidar de última geração podem combinar várias dessas técnicas em um sistema.

A medição da temperatura na parte inferior da atmosfera é normalmente feita aproveitando as mudanças dependentes da temperatura nas propriedades de dispersão ou absorção molecular. Os sistemas Raman rotacionais podem tirar proveito do espectro de espalhamento dependente da temperatura da banda Raman rotacional da luz do laser espalhada de gases de referência como nitrogênio e oxigênio . Medindo precisamente apenas essa luz difusa deslocada por Raman, tais sistemas podem determinar o perfil de temperatura de até 40 km durante a noite e até 12 km durante o dia, embora o intervalo seja uma função do tempo de medição com integrações mais longas necessárias para grandes altitudes. Rotacional Raman lidar tem sido uma técnica de perfil de temperatura atmosférica remota ativa útil, mas as implementações exigiram calibração externa. Esta não é uma necessidade intrínseca, mas tem havido pouco sucesso no desenvolvimento de abordagens eficazes para medir diretamente os termos de calibração do receptor necessários, então, em vez disso, esses termos são geralmente ajustados para fazer com que a estimativa de temperatura Raman corresponda a uma medição de temperatura auxiliar (geralmente radiossondas ).

O conceito de usar Lidar de Absorção Diferencial (DIAL) para perfis de temperatura na baixa atmosfera (superfície a 6 km) foi proposto ao longo da década de 1980. A técnica sugeriu sondar uma linha de absorção de oxigênio dependente da temperatura próxima a 770 nm. A vantagem do perfil de temperatura DIAL é que não requer calibração externa. No entanto, o efeito do alargamento espectral por dispersores moleculares tornou o problema de medir a absorção de oxigênio com lidar intratável por várias décadas. Não foi até 2019 quando esta técnica foi demonstrada com sucesso usando uma arquitetura baseada em diodo laser versátil que combinava DIAL de vapor d'água, DIAL de oxigênio e um lidar de alta resolução espectral (HSRL) em um único sistema. O HSRL mede diretamente a proporção relativa da luz espalhada por aerossol e molecular necessária para corrigir a espectroscopia de absorção de oxigênio, enquanto o DIAL de vapor d'água fornece uma correção para a densidade do oxigênio. Mesmo com as medições adicionais, a inversão para obter a temperatura é significativamente mais complicada do que as técnicas DIAL tradicionais.

Lidares de retroespalhamento elástico são usados ​​para derivar perfis de temperatura da atmosfera superior (~ 30 km a ~ 100 km). Sem a presença de nuvens ou aerossol , a luz laser retroespalhada dessas altitudes se deve apenas ao espalhamento molecular. O sinal recebido é proporcional à densidade numérica molecular, que por sua vez é conectada à temperatura com base na lei dos gases ideais. Perfis de temperatura em altitudes mais elevadas, até 120 km, podem ser derivados medindo o alargamento do espectro de absorção de átomos de metais como Na, Ca, K e Fe.

Vento

Os lidares são capazes de recuperar o vetor de vento completo com base no efeito Doppler óptico . Os chamados lidars Doppler podem capturar o movimento de moléculas e partículas, detectando a mudança de frequência da luz retroespalhada. Em particular, supondo que a radiação emissora esteja em uma frequência f 0 = c / λ 0 , onde λ 0 é o comprimento de onda do feixe de laser, para um alvo móvel (ou seja, partícula ou molécula de aerossol) com uma linha relativa de velocidade de visão v, a luz retroespalhada detectada pelo receptor lidar tem uma mudança de frequência igual a Δf = 2v / c. A velocidade da partícula é definida onde uma velocidade de linha de visão positiva significa que um alvo está se movendo em direção ao lidar e leva a uma mudança de frequência positiva. Na literatura sobre aplicações lidar, a velocidade da linha de visada é sempre referida como velocidade radial. A magnitude da mudança pode ser detectada por vários métodos, sendo o principal técnicas de detecção de detecção direta e coerente

Quando os aerossóis são usados ​​como rastreadores, a força do sinal de retorno depende da carga do aerossol na atmosfera e isso é conhecido por depender da localização geográfica, das condições da atmosfera e da situação sinótica. O comprimento de onda operacional pode ser qualquer comprimento de onda sensível aos tamanhos de partícula subjacentes. Em geral, o retorno do aerossol melhora em comprimentos de onda mais baixos na faixa de UV. No entanto, o sinal lidar fica mais sensível às moléculas de ar na banda de UV, e uma relação de retroespalhamento aerossol para molécula esperada é mais difícil de ser alcançada. As pálpebras Doppler são geralmente apontadas para o zênite e fornecem perfis resolvidos verticalmente do componente de vento vertical. Técnicas de varredura são aplicadas para recuperar o componente do vento horizontal.

Vários desses sistemas são operados a partir do solo para aplicações relacionadas a, por exemplo, aeroportos, parques eólicos, estudo da turbulência da Camada Limite Planetária, etc. A missão de satélite ADM-Aeolus da Agência Espacial Europeia será o primeiro lidar com vento a operar a partir do espaço .

A JAXA e a Mitsubishi Electric estão desenvolvendo o lidar aerotransportado SafeAvio para reduzir pela metade os acidentes devido à turbulência do ar puro . O protótipo de 1,9 kW e 148 kg (325 lb) tem uma resolução espacial de 300 m (980 pés) e um alcance de sensoriamento remoto de 1-30 km (0,5-16 nmi) reduzido para 9 km a 40.000 pés Ele alertará as tripulações para dizer aos passageiros para apertar os cintos de segurança, antes de desenvolver o controle automático de atitude para minimizar os tremores. O protótipo foi testado em voo no 777F EcoDemonstrator da Boeing em março de 2018, as metas e requisitos devem ser determinados até março de 2019 e um relatório de viabilidade deve ser concluído até março de 2020 antes de uma decisão de desenvolver o sistema.

Espécies metálicas na atmosfera

Lidars aproveitam o espalhamento de ressonância na alta atmosfera para detectar átomos metálicos. Em tais sistemas, a luz laser emitida tem que ser precisamente sintonizada na frequência de ressonância das espécies estudadas. As primeiras medições foram a detecção de camadas atômicas de sódio metálico (Na) na mesopausa. A mesma técnica agora é aplicada para detectar potássio metálico (K), lítio (Li), cálcio (Ca) e íon cálcio (íon Ca) e ferro (Fe). Essas medições fornecem informações importantes em uma região pouco estudada da atmosfera e têm ajudado a aumentar o conhecimento sobre a concentração das espécies, a origem e a complexa dinâmica atmosférica nessas altitudes.

Aplicações de lidar com o tempo e clima

A camada limite planetária (PBL) é a parte da troposfera que é diretamente influenciada pela presença da superfície da Terra e responde às forças da superfície com uma escala de tempo de cerca de uma hora ou menos. Os processos de mistura turbulenta convectiva são dominantes na camada de mistura (ML) do PBL e têm uma grande influência no crescimento e transporte de poluentes atmosféricos. Variáveis ​​meteorológicas (ou seja , temperatura , umidade , vento ) no PBL são extremamente importantes como entradas para simulações confiáveis ​​em modelos de qualidade do ar. Um dos principais parâmetros que determinam a extensão vertical do ML é a altura do PBL.

De uma perspectiva observacional, a altura do PBL tem sido historicamente medida com radiossondas, mas nos últimos anos foram utilizados instrumentos de sensoriamento remoto, como lidar. Como é bem sabido que a altura do PBL varia muito no tempo e no espaço, da ordem de alguns metros e vários minutos, as radiossondagens não são a escolha ideal para observações da altura do PBL. O conceito de usar lidar para detectar a altura PBL baseia-se na suposição de que há um forte gradiente na concentração de aerossóis no ML em relação à atmosfera livre. Uma vantagem de usar instrumentos de sensoriamento remoto em vez de radiossondas para detecção da altura do PBL é a possibilidade de monitoramento quase contínuo em comparação com observações típicas de duas vezes por dia em radiossondas. O monitoramento contínuo da altura do PBL permitirá uma melhor compreensão da profundidade dos processos turbulentos convectivos no ML, que são os principais impulsionadores dos poluentes atmosféricos.

A profundidade do PBL é definida como a altura do nível de inversão que separa a troposfera livre (FT) da camada limite. Normalmente, no topo do PBL, o fluxo de flutuabilidade atinge um mínimo e grandes gradientes de temperatura potencial , vapor de água e aerossóis são observados. Identificar uma posição precisa da profundidade do PBL é essencial para uma representação confiável dos parâmetros em modelos meteorológicos e de qualidade do ar, pois o PBL é a região de turbulência máxima. É bem conhecido que os processos de mistura convectiva são predominantes no PBL, o que, como resultado, influencia a estrutura e a composição dos aerossóis. Conhecer a extensão vertical da mistura convectiva permitirá uma representação mais precisa da atmosfera na camada limite. Nos últimos anos, instrumentos de sensoriamento remoto, como lidar, têm sido empregados para identificar e observar a altura do PBL. Uma vantagem de usar lidar é sua cobertura espacial temporal e vertical de alta resolução, que pode ser operada continuamente e em um estado quase automatizado. Assim, uma altura instantânea do PBL pode ser registrada, o que permite uma análise mais aprofundada, como a evolução diurna e estudos climáticos de longo prazo.

Vários métodos foram aplicados para determinar a altura do PBL a partir de observações lidar. Eles são métodos objetivos e subjetivos. Os métodos objetivos consistem em várias formas de métodos derivados, métodos de análise de wavelet, o método de variância e o método de ajuste de perfil ideal. Os métodos de inspeção visual raramente são usados ​​como uma abordagem subjetiva, mas não são a melhor abordagem.

Ceilômetros são um Lidar baseado em solo otimizado para medição de nuvem no caminho de aproximação de aeronaves, eles também podem ser usados ​​para estudos de PBL.

Veja também

Referências

Leitura adicional