OR 12
Misure da aereo con tecniche congiunte DOAS e LIDAR
per la caratterizzazione bidimensionale
degli inquinanti gassosi (O3, SO2, NO2, Formaldeide)
e delle polveri.
I. Kostadinov, G.Giovanelli, D.Bortoli, E.Plazzi,
A.Petritoli, F.Ravegnani, F.Margelli, U.Bonafè
ISAC-CNR, via Gobetti 101, 40129 Bologna
OBIETTIVI:
• Impiego di un mini-LIDAR per la caratterizzazione dimensionale
dell’aerosol atmosferico all’interno dello strato di rimescolamento.
• Integrazione della strumentazione DOAS (OR11) installata su aereo
con il mini-LIDAR per determinare la distribuzione bidimensionale
dell’inquinamento atmosferico (gas e aerosol) nel basso strato (primi 2
km).
• Mapping degli inquinanti su vaste aree utilizzando strumentazione
montata su aereo anche al fine di effettuare occasionali Valutazioni di
Impatto Ambientale o indagini di tipo sistematico.
Protecting human health and quality of life
Environment and human health
To help improve human health and the quality of life as
related to the environment to support the EU
environment and health action plan. Specifi c outputs
will include:
• a methodological framework in which to analyse
environment and health issues;
The European
Environment Agency
is the leading public
body in Europe
dedicated to providing
timely, targeted,
relevant and reliable
information to policymaking agents and the
public, to support
sustainable
development and to
help achieve
significant and
measurable
improvements in
Europe’s environment.
EEA strategy 2004–2008,
• a set of environment and health indicators to track
key environmental stressors, such as air quality and
indoor pollution on human health, in consultation with
EEA member countries and the World Health
Organization;
Chemicals
To support policies that will reduce risks
posed by the use of chemicals. Specifi c
areas of work will include:
• development of a monitoring framework
and information system linked to
concentrations, exposure and effects of
chemicals, including pesticides, in different
natural and urban systems;
• partnership activities with the new
European Chemicals Agency.
ISBN 92-9167-638-1
• establishment of an Eionet network for environment
and health;
• a revised set of environment and health assessments;
• partnership activities with the European Food Safety
Authority.
Air quality
To support the process of reaching a quality of air that
does not give rise
to signifi cant impacts and risks to human health and
the environment. Specifi c outputs
will include: • distance–to–target assessments; •
assessments of local and indoor air pollution; • air
quality and air pollutant emissions monitoring, including
improvements to Airbase; • assessment of exposure to
air pollutants, especially in urban aras and street
canyons.
AEROSOL, SALUTE, CLIMA
NATURAL ORIGIN
Soil dust
Sea salt
Volcanic dust
Volcanic sulphates
ANTHROPOGENIC
ORIGIN
Industrial sulphates
Organic particles
Soot
Residence time
~ week (R> 50 mm)
~ month (R < 0.5 mm)
Spectral properties
Polarisation properties
Methods:
• In-situ (sampling
• LIDARS
• Modelling of radiative transpfer
Platforms:
Targets:
Ground-based
Aircraft
Satellite
Aerosols
Balloon-borne
Cortesy of V.Mitev
(PM1,PM2.5, PM10)
Gases
Clouds detection
sin 
sin 2
Induced electric dipol
P  Po cost
Long, 1978
-  2 Psin j
E
4o c 2 r
J
-  2 Psink
H
4cr
c -4 Po2 sin2i
2 o r 2
Polarized scattered radiation
Contemporaneamente
Mie e Rayleigh
segnali si ricevono dal LIDAR
 necessità di separarli
Parallel polarisation
Stokes parameters
 Ip   Iu   Ip  Iu   I 
Q  0   Q  Q 
    
 
U  0   U  U 
    
  
V  0   V  V 
Perpendicular polarisation
Inversione dei dati ottici per ricavare la size distribution
e
s 
e
j



Kj (r )
dV ( r )
d log r
d log r
sj
- dati sperimentali,
j - varie l
Kj(r) - Kernel functions  Junge type functions
Il segnale ricevuto dal LIDAR
z
Vl ( z )  klE 0 , l
1
( a , l ( z )  m , l ( z ))e
2
z
2
( ( z') ( z')) dz'
a,l
m,l
0
V(z) - il segnale ricevuto d’altezza z
Kl - la constante del LIDAR ( trasmissione del ottica ed efficienza del sensore )
Eo,l - l’energia del impulso del laser

- coefficiente di backscattering volumetrico (m-1sr-1)

- coefficiente di estinzione (m-1)
a , m  aerosol, molecular
In condizioni di assenza di aerosol,
il segnale dipende soltanto
dallo scattering molecolare:
procedura di normalizzazione 
m, l (0)  3.7367 E -8
Penndorf, 1957
P[ mbar ]
T[ K ].l[ μm]
Backscatter () and extinction () coefficienti sono relativi al:
• Raggio (r) delle particelle (sferiche)
• Distribuzione dimensionale N(r)
• e loro efficienza Qback e Q ext
(la frazione di radianza in arrivo sul aerosol successivamente asorbita o scatterata )



  r 2Qback (r ) N (r )dr
0

  r 2Qext (r ) N (r )dr
0
LIDAR ratio:
R=  / 
se
R – indipendente dalla distanza dal LIDAR (non realistico)
 retrieving di  è semplice
=> ulteriori dati necessari
Modelli di trasferimento
radiativo:
perché si usano?
PROcessing of
Multi
Scattered
Atmospheric
Radiation
Per interpretare correttamente l’informazione
contenuta nelle misure
dei composti
atmosferici effettuate con strumentazione
remota (spettrofotometri, Lidar)
Modello probabilistico di tipo Monte-Carlo
(backward MC) che simula il trasporto dei fotoni in
atmosfera e modella le loro interazioni con i composti
gassosi.
(I tempi di calcolo vengono ridotti grazie all’impiego di
“biasing techniques”, ad es. la collisione forzata.)
INPUT del modello
Libreria contenente i dati relativi al tipo di
atmosfera (dati MODTRAN) + altri dati
utili alla simulazione (quota dello
strumento, campo di vista, n° di fotoni da
processare, angolo solare zenitale, albedo
superficiale…)
OUTPUT del modello
PROMSAR calcola il valore del cammino
medio che i fotoni compiono all’interno
dei singoli strati atmosferici.
Nel caso del LIDAR questo valore viene
utilizzato per calcolare la luce solare
diffusa (background).
DIAL H2O
DIAL O3
~300 nm
III arm.
~915 nm
II arm.
Nd:XXX,
pompaggio a lampade o
con laser a semiconduttore
355 nm
Aerosol
532 nm
A stato solido
Struttura
modulare con
un’unica
sorgente di
pompa
1064 nm
Architettura generale della sorgente
Ti:Zaffiro, seeded/MOPA
accordabile
Caratteristiche di energia/freq. ripetizione
determinate dalla pompa
Emissione simultanea/ rapida commutazione
tra lon e loff
900 nm
Ti:Zaffiro
II arm. III arm.
accordabile
30% eff.
Cortesy of G.Tocci
355 nm
III arm.
DIAL O3
278 - 315 nm
II arm.
Nd:XXX,
pompaggio a lampade o
con laser a semiconduttore
DIAL H2O
~915 nm
Struttura
modulare con
un’unica
sorgente di
pompa
Aerosol
532 nm
A stato solido
1064 nm
Architettura generale della sorgente
Ti:Zaffiro, seeded/MOPA
accordabile
Caratteristiche di energia/freq. ripetizione
determinate dalla pompa
Emissione simultanea/ rapida commutazione
tra lon e loff
266 nm
IV arm.
35% eff.
Ce:LiCAF
accordabile
30% eff.
Cortesy of G.Tocci
420 mm
Sorgenti a Nd con pompaggio a diodo
Edge-Wave Inno-slab IS4II-E, 527
nm, Nd:YLF
4 mJ @ 1 kHz (4 W), 8-13 ns durata
consumo max. 700 W
peso testa 15 kg
Ekspla NL220 Nd:YAG, 532 nm
4.5 mJ @ 1 kHz (4.5W), 25 ns durata, M2<1.35
consumo < 1 kW
850 mm
625 mm
Quanta-System Diamond D2-S, Nd:YAG, 532 nm
3.5 mJ @ 1 kHz (4 W), 40 ns durata, M2<1.5
NL640 series Q-switched nanosecond Nd:YVO4 lasers
• Up to 6 W output power at 40 kHz
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Up to 0.5 mJ pulse energy at 5 kHz
6–13 ns pulse duration
Air cooled
Extremely compact size
Electrooptical Q-switching
External triggering
TEM00 beam profile
Hermetically sealed
PC control using RS232 and USB
Remote control via keypad
59 mm
Sorgenti Nd con pompaggio a diodo: moduli OEM
Nothrop Grumman
camera di pompaggio a diodi con rod Nd:YAG
potenza max. uscita 75 W (oscillatore CW)
potenza ingresso 36 V 25A DC (900 W)
Q-Peak
Camera di pompaggio a diodi con rod Nd:YLF
Potenza max. uscita 35 W (oscillatore CW)
Potenza ingresso ~ 250 W
M55 Geophysica
Airborne Lidar for Tropospheric Ozone
Piattaforma: Fokker F27/ Mystère 20
Sorgente:
Nd:YAG quadruplicato (266nm)
raman shifted in H2 / D2
Lunghezze d’onda: 299 /341 nm (H2)
289/ 316 nm (D2)
Energia di uscita : 9-5 mJ
PRF: 20Hz
Consumo laser: 3 kW
Backscatter Lidar measurements in PBL during BUBBLExperiment
Cortesy of V.Mitev
Cortesy of V.Mitev
M55 Geophysica GASCOD/A4
1000
900
800
ABLE background noise VS Gascod nadir narrow FOV
700
1,6
1,6
1,4
600
instr. units
ABLE
Gascod
500
400
1,2
1,2
1,0
1,0
0,8
0,8
0,6
0,6
0,4
0,4
0,2
0,2
0,0
27000
28800
30600
32400
34200
28/02/2003
36000
37800
39600
Gascod signal at 333 nm - a.u.
ABLE noise background 355 (5 sec) - a.u.
1,4
300
200
100
0
3000
3100
3200
3300
3400
3500
3600
3700
wavelength, [A]
ABLE nadir background signal @355 nm and
GASCOD/A4p signal in 333 nm ± 30 nm spectral
band obtained through nadir faced NFoV channel
during 28.02.2003 flight from Kiruna within APEENVISAT High-Latitude Validation campaign.
SOMMARIO:
• Sono già avviati studi di fattibilità per individuare le caratteristiche
tecniche dei diversi componenti necessari per la realizzazione
del mini-LIDAR allo scopo di individuare i requisiti minimi necessari alla
misura del contenuto di polveri sottili PM1, PM2.5, PM10;
• Sono in corso i primi test per dare una stima della luce solare diffusa
alla quota del volo, attraverso l’impiego di un modello di trasferimento
radiativo per la valutazione del background delle misure previste.
Fine
Grazie per l’attenzione