To się nazywa lidar!

Często piszemy w Nauce o klimacie o badaniach prowadzonych w głębi oceanów, za kołem podbiegunowym albo za pomocą satelitów. Tymczasem nowoczesne pomiary prowadzi się także dużo bliżej - na przykład w Laboratorium Transferu Radiacyjnego w Instytucie Geofizyki Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego.

Rysunek 1. Kontener z systemem lidarowym Laboratorium Transferu Radiacyjnego w Instytucie Geofizyki Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego przy ul. Pasteura w Warszawie. Zdjęcie udostępnione przez dr Iwonę Stachlewską (IGF WF UW).

Podobno większości ludzi hasło "aerozol" kojarzy się przede wszystkim z dezodorantem. Dla fizyków atmosfery i innych specjalistów zajmujących się klimatem i środowiskiem termin ten ma jednak inne znaczenie. Nazywamy tak zawieszone w powietrzu stałe lub płynne cząstki składające się z czegoś innego niż woda. Należą do nich "pyły zawieszone" (PM2.5, PM10), o których tak dużo mówi się zimą, kiedy powietrze silnie zanieczyszczają produkty spalania węgla i drewna. Poza paleniskami, źródłami aerozolu mogą być też pożary, roślinność (pyłki), wulkany (popiół i kropelki kwasu siarkowego powstającego, gdy dwutlenek siarki łączy się z wodą), ocean (kryształki soli morskiej) i in.

Zwykle przyjmuje się, że aerozol tworzą cząstki o średnicach poniżej 1 μm, ale nie jest to ścisła granica. Niektórzy twierdzą, że za bardzo dużą cząstkę aerozolu można uznać... balon wypełniony helem (serio!). Nie licząc balonów, cząstki aerozolu utrzymują się w atmosferze dzięki swoim małym rozmiarom. Ich masy są na tyle niewielkie, że prądy powietrza oraz siła tarcia potrafią w ich przypadku skutecznie przeciwdziałać grawitacji - przynajmniej przez jakiś czas. Po kilku dniach lub tygodniach grawitacja jednak wygrywa (czasem wspomagana przez "myjący" atmosferę deszcz) i aerozol z powietrza wypada.

Aerozol jest bardzo interesujący dla badaczy klimatu. Chociaż jest usuwany z atmosfery wielokrotnie szybciej niż gazy cieplarniane, potrafi zawędrować na duże odległości, po drodze pochłaniając i rozpraszając promieniowanie słoneczne oraz modyfikując własności chmur. Jak łatwo zorientuje się każdy, kto czytał nasz tekst o efekcie cieplarnianym (Efekt cieplarniany - jak to działa), oznacza to, że wpływa na bilans energetyczny Ziemi, a więc i klimat.

Jak to się robi?

Jak obserwować cząstki zawieszone w atmosferze na różnych wysokościach? Oczywiście, można z pomocą samolotów, balonów czy dronów pobierać próbki powietrza i sprawdzać, co w nim znajdziemy. Jest to jednak kosztowne, a w trakcie badania aerozol podlega modyfikacji – np. osuszeniu. Aby poradzić sobie z tymi problemami - badać aerozol na odległość szybko, tanio i bez zbytniej ingerencji w jego zachowanie - naukowcy wykorzystują lidary.

Lidar to urządzenie działające na zasadzie podobnej jak znany wszystkim radar, ale posługujące się falami podczerwonymi, widzialnymi i ultrafioletowymi. Instrument wysyła w atmosferę, najczęściej pionowo do góry, promieniowanie laserowe o ustalonej długości ("kolorze"), a następnie rejestruje część promieniowania, które powraca do niego po rozproszeniu na zawieszonych w atmosferze cząsteczkach aerozoli i molekułach gazu. Czas, po jakim impuls laserowy powraca, pozwala obliczyć, na jakiej wysokości znajdowała się cząstka, od której się odbił. Moc sygnału powracającego mówi w uproszczeniu o strukturze warstw aerozolu w atmosferze.

Nowoczesną wersję takiego urządzenia znajdziemy między innymi w Laboratorium Transferu Radiacyjnego (LTR) w Instytucie Geofizyki Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego na ulicy Pasteura w Warszawie. Ten wyjątkowy system (zwany w literaturze PollyNeXT) powstał jako unowocześniona wersja lidaru PollyXT. Został skonstruowany pod kierunkiem dr Iwony Stachlewskiej, przy ścisłej współpracy z Instytutem Badań Troposfery im. Leibnitza (więcej informacji na temat budowy różnych lidarów typu Polly nożna znaleźć w pracy Engelmann i in., 2016).

Chociaż jest wyposażony w zaledwie jedną głowicę laserową, produkującą fale podczerwone o długości 1064 nm, dzięki specjalnym elementom optycznym w atmosferę wysyła również dwa razy krótsze fale długości 532 nm (widzialne, zielone) i trzy razy krótsze długości 355 nm (ultrafiolet).

Rysunek 2. Lidar Laboratorium Transferu Radiacyjnego w Instytucie Geofizyki Wydziału Fizyki UW. Po lewej: głowica laserowa (duży srebrny element) i układ pozwalający na podwojenie i potrojenie częstotliwości emitowanych fal oraz dokładną, liniową polaryzację wiązek 532 i 355 nm, czarna tuba wyprowadza poszerzoną wiązkę promieniowania laserowego do atmosfery. Po środku: system rejestracji sygnałów - całe promieniowanie jest obserwowane za pośrednictwem teleskopu, a następnie widoczny na zdjęciu system luster i innych elementów optycznych rozdziela je tak, by fale o poszczególnych długościach lub polaryzacjach trafiały do odpowiednich czujników. Po prawej: automatyczna stacja meteorologiczna z czujnikiem deszczu - w razie wystąpienia opadu zamknięcie pokrywy teleskopu następuje automatycznie i pomiar jest przerywany do ustania opadu.

Jeszcze ciekawiej jest z odbiorem sygnałów zwrotnych: rejestruje się aż osiem ich rodzajów. W pierwszym rzędzie, oczywiście, sprawdza się, ile powraca promieniowania o długościach 1062, 532 i 355 nm, czyli fal, które zwyczajnie rozproszyły się na cząstkach aerozolu zawieszonych w atmosferze. Dzięki temu dowiadujemy się w przybliżeniu, jak dużo jest ich w powietrzu na różnych wysokościach.

Po co aż trzy długości fali? Przeszkody najskuteczniej rozpraszają promieniowanie o długości porównywalnej ze swoim rozmiarem. Jeśli więc z jakiejś wysokości powraca silny sygnał ultrafioletowy a słaby podczerwony, wiemy, że mamy do czynienia z cząsteczkami drobniejszymi niż w odwrotnym przypadku.

Dla fal 532 i 355 nm lidar rejestruje dodatkowo natężenie fal o polaryzacji prostopadłej do polaryzacji wyjściowej. Cząstki obłe, kanciaste, np. ziarenka pyłu mineralnego, silnie depolaryzują promieniowanie, podczas gdy cząstki kuliste pozostawiają polaryzację bez zmian. Wiedząc, że na jakiejś wysokości fala jest rozpraszana ze zmianą polaryzacji możemy określić w przybliżeniu, czy mamy do czynienia z aerozolem sferycznym czy nie.

Uważny czytelnik naliczył już pięć kanałów, w których rejestruje się sygnały zwrotne. A po co są jeszcze trzy? Rozpraszanie fali bez zmiany jej długości to nie jedyne zjawisko zachodzące w atmosferze. W grę wchodzi także tak zwane rozpraszanie Ramana. W tym procesie molekuła jednocześnie absorbuje kwant promieniowania i zmienia swój stan wewnętrzny (np. rodzaj wykonywanych stale drgań lub obrotów). Dzięki temu rozpraszane przez nią fale mogą mieć większą lub mniejszą energię (a więc i długość) niż ta, która pobudziła cząsteczkę do zmiany. Konkretne związki chemiczne są w stanie w ten sposób pochłonąć i wyemitować ściśle określone długości fali. Przykładowo pobudzane światłem o długości 355 i 532 nm molekuły azotu, emitują m.in. fale o długości 387 nm i 607 nm, a cząsteczki pary wodnej pobudzone światłem 355 nm emitują m.in. falę o długości 407 nm. I właśnie fale o tych trzech długościach są rejestrowane w pozostałych trzech kanałach lidaru, dostarczając informacji o zawartości azotu i pary wodnej w atmosferze. Z punktu widzenia badań aerozolu są to wielkości pomocnicze. Pozwalają na ustalenie aktualnie panujących w atmosferze warunków i uwzględnienie tego, jak oddziaływanie z molekułami powietrza redukuje moc wiązki lidarowej (promieniowanie może być pochłaniane lub rozpraszane, co łącznie nazywamy ekstynkcją). Wyposażenie lidaru w aż trzy takie kanały znacząco poprawia dokładność uzyskiwanych wyników.

Jak mówi dr Stachlewska, Koordynator Grupy Lidarowej IGF WF UW,

Mamy optimum tego, co można mieć - pełen zakres kanałów aerozolowych (trzy długości fali) pozwalający na profilowanie pionowe współczynnika rozpraszania wstecznego atmosfery, dwie depolaryzacje pozwalające zidentyfikować warstwy niesferycznych cząsteczek, dwa azotowe kanały ramanowskie, dzięki którym możemy określić współczynnik ekstynkcji atmosfery i policzyć jej grubość optyczną i do kompletu kanał pary wodnej z którego otrzymujemy profile stosunku zmieszania wilgotnego i suchego powietrza i wilgotność względną.

Rozproszenie ramanowskie ciężko jest zmierzyć w ciągu dnia. W związku z tym zestaw jest zoptymalizowany do pomiarów nocnych. Pary wodnej w ogóle nie mierzymy w dzień, ponieważ szum związany z promieniowaniem słonecznym byłby zbyt duży. Natomiast dwa sygnały ramanowskie od azotu mierzymy całodobowo. Jesteśmy jedną z nielicznych grup lidarowych, która umie zmierzyć i przetworzyć te dzienne sygnały i uzyskać na ich podstawie profile współczynnika ekstynkcji. To zasługa wielu lat pracy nad doborem odpowiednich parametrów i metod uśredniania.

Sygnały lidarowe są mierzone do wysokości nawet 40 km. Konfiguracja układu optycznego pozwalająca na rejestrowanie sygnałów z tak dużych wysokości utrudnia jednocześnie obserwowanie najniższych partii atmosfery. Zazwyczaj sygnały pochodzące z rejonu poniżej 1 km mnoży się przez odpowiednie poprawki. Jest to jednak dodatkowe źródło niepewności przy opracowywaniu wyników. Dlatego w warszawskim lidarze zamontowano dodatkowo... drugi lidar, NARLa (Near-range Aerosol Raman lidar), zwany pieszczotliwie baby ("maluszkiem"), odpowiedzialny właśnie za pomiary w bliskim polu (w pobliżu urządzenia). Jego dodatkową cechą jest przenośność - można wymontować go z kontenera, zapakować do walizki i zabrać na pomiary w innej lokalizacji. "Maluszek" ma zresztą za sobą takie wycieczki – jedną w 2015 r. za koło podbiegunowe (Ritter i in., 2016), a drugą w 2016 r. do Grecji, gdzie pomagał w badaniu silnie zanieczyszczonego powietrza w Atenach.

Jeśli chodzi o lidary, które mają służyć do zbierania quasi-ciągłych kompleksowych danych atmosferycznych, którymi jesteśmy zainteresowani, to jest to jeden z najlepszych systemów lidarowych na świecie,

mówi dr Stachlewska.

Ale po co nam ten sprzęt?

Jak wskazują badania, aerozole mają na ogół chłodzący wpływ na klimat – odbijają część docierającego do atmosfery promieniowania słonecznego, wydłużają czas życia chmur i powodują, że również one skuteczniej odbijają światło. Są jednak wyjątki – aerozole takie jak sadza i inne produkty spalania biomasy (czyli po prostu dym) pochłaniają promieniowanie słoneczne, ogrzewając tym samym atmosferę. Z tego powodu nie jest nam bynajmniej wszystko jedno, jakiego rodzaju aerozol znajduje się nad naszymi głowami, lub jakim oddychamy.

Rysunek poniżej przestawia przykład sygnałów lidarowych (dla długości fali 1064 nm, czyli podczerwonej) zebranych w dniu 10 lipca 2013 w Warszawie. Oś pionowa to wysokość a pozioma – czas. Kolorami oznaczono moc sygnałów (w jednostkach umownych) docierających do instrumentu w poszczególnych chwilach z poszczególnych wysokości. Dzięki informacjom z różnych kanałów zidentyfikowano rodzaje aerozolu (oraz odbicie promieniowania od występujących wysoko w atmosferze chmur cirrus). Duże koncentracje zanieczyszczeń znajdowały się przy powierzchni Ziemi, w tak zwanej warstwie granicznej atmosfery – to sytuacja typowa, zwłaszcza w krajobrazie miejskim. Ponad warstwą graniczną można było jednak zaobserwować także warstwy aerozolu napływowego. Analiza własności tych warstw oraz kierunków napływu powietrza wskazują, że były to z jednej strony pył pustynny, który dotarł nad Warszawę z Sahary a z drugiej – dymy z pożaru lasu w Kanadzie.

Rysunek 3. Sygnały lidarowe zebrane z użyciem lidaru LTR 10 lipca 2013 w Warszawie. Na osi poziomej zaznaczono czas a na pionowej – wysokość. Skala barwna przedstawia moc sygnałów lidarowych w kanale 1064nm (w jednostkach umownych). Jej podwyższone wartości sygnalizują obecność aerozolu. Na podstawie sygnałów ze wszystkich kanałów urządzenia oraz analizy kierunków napływu mas powietrza przeprowadzono identyfikację poszczególnych warstw. Były to: aerozol miejski w warstwie granicznej atmosfery (czyli przy powierzchni Ziemi), warstwa pyłu pustynnego między wysokościami 2 i 3,5 km i dym z pożarów w Kanadzie (między poziomami 4,3 i 6km). Silne sygnały z obszaru powyżej 6km pochodzą od składających się z kryształków lodu chmur wysokich (cirrus). Ilustrację zamieszczamy dzięki uprzejmości dr Iwony Stachlewskiej (IGF WF UW).

Powyższe pomiary to tylko jeden z przykładów danych, jakie zebrano w ramach projektu Zintegrowane badania procesów klimatycznych z udziałem aerozoli absorbujących. Celem tego projektu jest przede wszystkim dokładne scharakteryzowanie aerozolu powstającego podczas pożarów i jego wpływu na klimat. Wiadomo, że może on zawierać cząsteczki sadzy, jednak otwartą kwestią jest, jak duży jest ich udział i jaka jest struktura przestrzenna napływów tego rodzaju zanieczyszczeń. Jak wyjaśnia dr Stachlewska:

Mając kompleksową informację na temat depolaryzacji mierzonej dla mniejszych i większych cząsteczek, ich sferyczności bądź jej braku, ich uwodnienia, zdolności rozpraszających i osłabiających promieniowanie, względnej wielkości szacowanej ze stosunku pomiędzy sygnałami mierzonymi dla różnej długości fali i wielu innych parametrów którymi dysponujemy, można policzyć, stosując nietrywialne metody odwrotne, jaka jest mikrofizyka charakterystyczna dla cząsteczek wchodzących w skład w różnych warstw atmosfery.

Takie pomiary wykonuje się także, pobierając in-situ próbki powietrza z użyciem samolotów, co jest niezmiernie kosztowne – w IGF UW to możemy robić regularnie i zdalnie używając lidaru PollyNeXT.

To jest bardzo ważne, bo znając mikrofizykę cząsteczek w warstwach, ich rozkład wielkości, promień efektywny, zespolony współczynnik refrakcji, można określać typ aerozolu, jego zdolność do absorbcji światła i wykorzystywać te informację w bilansie energetycznym promieniowania Ziemia-Słońce i wpływu aerozoli na klimat.

Lidary w sieci

Jeśli zainteresowały Was wykonywane z użyciem lidaru LTR pomiary, możecie śledzić je na stronie międzynarodowej sieci pomiarowej EARLINET (LTR należy do niej od marca 2015 roku). Oprócz danych z Warszawy, znajdziecie tu także sygnały z innych europejskich stacji pomiarowych. Pomiary prowadzone są systematycznie, dwa razy w tygodniu, i wszystkie obserwatoria muszą wypełniać ściśle określone standardy jakości (np. regularnie wykonywać ustalone testy urządzeń, oprogramowania do analizy danych i jakości obliczonych profili atmosferycznych). Dlatego pełne dane liczbowe udostępniane są publicznie dopiero w rok po ich zebraniu – ten czas jest przeznaczony na wielokrotną kontrolę wyników z użyciem odpowiednich algorytmów.

Rysunek 4. Europejskie obserwatoria udostępniające online wyniki pomiarów lidarowych. Za stroną Uniwersytetu w Monachium.

Obok Obserwatorium w Belsku Instytutu Geofizyki Polskiej Akademii Nauk, LTR jest również zaangażowane w projekty ACTRiS, których celem jest rozwój zaawansowanej sieci pomiarowo-badawczej, dostarczającej regularnych i skoordynowanych pomiarów własności aerozolu, chmur i gazów śladowych w atmosferze. ACTRiS obejmuje także centra kalibracji, czyli ośrodki, w których instrumenty pomiarowe są regularnie testowane i w razie potrzeby korygowane, tak żeby była pewność, że cały czas mierzą tak samo. Jest też centrum danych zajmujące się zbieraniem i udostępnianiem danych pomiarowych we wspólnym formacie oraz dostarcza narzędzi do ich analizy. Infrastruktura ACTRiS obejmuje Europę Zachodnią, Północną i Południową a w roku 2016 projekt został wprowadzony na "mapę drogową" europejskiej infrastruktury badawczej (ESFRI Road Map).

Naukowcy polscy liczą na wprowadzenie inicjatywy ACTRiS również na polską mapę drogową Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego. Dałoby to szanse na stworzenie krajowej, rozproszonej infrastruktury wyposażonej w nowoczesne systemy do badania pionowych profili własności optycznych aerozoli (lidary i fotometry słoneczne) i własności chmur (radary meteorologiczne i ceilometry). Dodatkowo możliwy byłby rozwój pomiarów gazów śladowych (tak, tak, należą do nich m.in. dwutlenek węgla czy metan!) i własności aerozoli z użyciem urządzeń pobierających próbki powietrza. Byłoby to cenne uzupełnienie europejskiej infrastruktury badawczej, a nasi naukowcy mogliby dzięki temu częściej i aktywniej uczestniczyć w międzynarodowych projektach. Mieliby także dostęp do centrów kalibracji aparatury i rozwoju technologii oraz szkoleń dla młodych naukowców i pracowników technicznych.

Jak mówi koordynator projektu ACTRiS w Polsce, dr hab. Aleksander Pietruczuk z Instytutu Geofizyki PAN:

Liczymy na wsparcie Ministerstwa Nauki i Głównego Inspektora Ochrony Środowiska, chcielibyśmy aby infrastruktura ACTRiS stanowiła wsparcie polskich programów badawczych i konsolidowała środowisko naukowe wokół zaawansowanych obserwatoriów. Uważam, że wartością dodaną takich projektów jest dostęp do wysokiej jakości danych i centrów kalibracji, które to zapewniają. Poza tym nie do przecenienia jest możliwość szkolenia młodej kadry naukowej, w tym studentów w ośrodkach na światowym poziomie, które jak liczymy znajdą się również w Polsce.

Aleksandra Kardaś

Redakcja dziękuje za pomoc w przygotowaniu materiału dr Iwonie Stachlewskiej z Instytutu Geofizyki Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego

Opublikowano: 2016-08-03 11:11
Tagi

efekt aerozolowy pomiary i obserwacje

Fundacja UW
Korzystanie z witryny bez zmiany ustawień przeglądarki oznacza akceptację polityki cookies.