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

OR 12

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.

The European Environment Agency is the leading public body in Europe dedicated to providing timely, targeted, relevant and reliable information to policy-making agents and the public, to support sustainable development and to help achieve significant and measurable improvements in Europe’s environment.

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;

• 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;

• 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.

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.

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. EEA strategy 2004–2008, ISBN 92-9167-638-1

AEROSOL, SALUTE, CLIMANATURAL ORIGIN Soil dustSea saltVolcanic dustVolcanic sulphates

ANTHROPOGENIC ORIGINIndustrial sulphatesOrganic particlesSoot

Residence time

~ week (R> 50 m)

~ month (R < 0.5 m)

Spectral properties Polarisation properties

Methods:

• In-situ (sampling

• LIDARS

• Modelling of radiative transpfer

Cortesy of V.Mitev

Platforms:Ground-based

AircraftSatellite

Balloon-borne

Targets:Aerosols

(PM1,PM2.5, PM10)

GasesClouds detection

rco2

2

4

jPsin- E

Induced electric dipol

Polarized scattered radiation

2

c

2 J

224-

ro

isinPo

cr

sin

4

kP- H

2

2sin sin

tP P o cos

Long, 1978

V

U

Q

I

V

U

Q

IuIpIu

V

U

Q

Ip

0

0

0

Stokes parameters

Parallel polarisation

Perpendicular polarisation

Contemporaneamente Mie e Rayleigh

segnali si ricevono dal LIDAR necessità di separarli

Inversione dei dati ottici per ricavare la size distribution

- dati sperimentali, j - varie

Kj(r) - Kernel functions Junge type functions

rdrKj rd

rdVe

js log)( log)(

se

j

In condizioni di assenza di aerosol, il segnale dipende soltantodallo scattering molecolare: procedura di normalizzazione

z

dzzzzz

zEkzV

ma

ma0

'))'()'((e))()((

1)(

,,2

,,2

,0

V(z) - il segnale ricevuto d’altezza zK- la constante del LIDAR ( trasmissione del ottica ed efficienza del sensore )

Eo, - l’energia del impulso del laser - coefficiente di backscattering volumetrico (m-1sr-1) - coefficiente di estinzione (m-1) a , m aerosol, molecular

Il segnale ricevuto dal LIDAR

][].T[

]P[ E7367.3)0( 8-

,μmK

mbarm

Penndorf, 1957

0

2 )()( drrNrQr back

0

2 )()( drrNrQr ext

LIDAR ratio: R= /

se R – indipendente dalla distanza dal LIDAR (non realistico) retrieving di è semplice

=> ulteriori dati necessari

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 )

Per interpretare correttamente l’informazione contenuta nelle misure dei composti atmosferici effettuate con strumentazione remota (spettrofotometri, Lidar)

PROcessing of Multi Scattered Atmospheric Radiation

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 OUTPUT 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…)

Modelli di trasferimento radiativo:

perché si usano?

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).

Architettura generale della sorgente

Nd:XXX, pompaggio a lampade o

con laser a semiconduttore

II arm. III arm.

1064

nm

532

nm

355

nm

Aerosol

Ti:Zaffiro, seeded/MOPAaccordabile

~91

5 nm

DIAL H2O

Ti:Zaffiroaccordabile

30% eff.

II arm. III arm.

DIAL O3

900 nm

~30

0 nm

A stato solidoStruttura

modulare con un’unica

sorgente di pompa

Caratteristiche di energia/freq. ripetizione determinate dalla pompa

Emissione simultanea/ rapida commutazione tra on e off

Cortesy of G.Tocci

Ce:LiCAFaccordabile

30% eff.

266 nm

IV arm.35% eff.

278

- 31

5 nm

DIAL O3Architettura generale della

sorgente

Nd:XXX, pompaggio a lampade o

con laser a semiconduttore

II arm. III arm.

1064

nm

532

nm

355

nm

Aerosol

Ti:Zaffiro, seeded/MOPAaccordabile

~91

5 nm

DIAL H2O

Caratteristiche di energia/freq. ripetizione determinate dalla pompa

Emissione simultanea/ rapida commutazione tra on e off

A stato solido

Struttura modulare con

un’unica sorgente di

pompa

Cortesy of G.Tocci

Sorgenti a Nd con pompaggio a diodo Edge-Wave Inno-slab IS4II-E, 527 nm, Nd:YLF4 mJ @ 1 kHz (4 W), 8-13 ns durataconsumo max. 700 Wpeso testa 15 kg

Ekspla NL220 Nd:YAG, 532 nm4.5 mJ @ 1 kHz (4.5W), 25 ns durata, M2<1.35

consumo < 1 kW850 mm

Quanta-System Diamond D2-S, Nd:YAG, 532 nm3.5 mJ @ 1 kHz (4 W), 40 ns durata, M2<1.5

625 mm

420 mm

• 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

NL640 series Q-switched nanosecond Nd:YVO4 lasers

Sorgenti Nd con pompaggio a diodo: moduli OEM59 mm

Nothrop Grummancamera di pompaggio a diodi con rod Nd:YAGpotenza max. uscita 75 W (oscillatore CW)potenza ingresso 36 V 25A DC (900 W)

Q-PeakCamera di pompaggio a diodi con rod Nd:YLFPotenza max. uscita 35 W (oscillatore CW)Potenza ingresso ~ 250 W

Airborne Lidar for Tropospheric OzonePiattaforma: 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 mJPRF: 20HzConsumo laser: 3 kW

M55 Geophysica

Backscatter Lidar measurements in PBL during BUBBLExperiment

Cortesy of V.Mitev

Cortesy of V.Mitev

GASCOD/A4M55 Geophysica

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 APE-ENVISAT High-Latitude Validation campaign.

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

3000 3100 3200 3300 3400 3500 3600 3700

wavelength, [A]

ins

tr.

un

its

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 trasferimentoradiativo per la valutazione del background delle misure previste.

Fine

Grazie per l’attenzione