METODE DE INVESTIGARE A ATMOSFEREI -...

─ 1 ─

Dima Mihai Ştefan Sabina

METODE DE INVESTIGARE A ATMOSFEREI

Îndrumător de laborator

Metode de investigare a atmosferei

2

Cuprins

1. Fotometrie solară

2. Uitlizarea datelor de forometrie solară din reţeaua AERONET

3. Nefelometrul integrat

4. Ceilometrul


3

Lucrarea 1

FOTOMETRIE SOLARĂ

1.1 Introducere

De la începutul secolului al XX-lea lumina solară (care este intensă şi deci usor de

măsurat cu detectorii de sensibilitate redusă din vremea respectivă) a devenit noul standard

pentru masurarea transparenţei atmosferice. Este o practică destul de comună de a

suplimenta studiile de extinctie a luminii prin atmosfera investigand detaliile variaţiei

spectrale a acestui fenomen, atat în spectrul vizibil cat şi în afara acestuia. Motivaţia acestui

fapt este că particulele de diferite dimensiuni difuzează lumina în mod diferit la diverse

lungimi de undă. Astfel, evaluând aşa numitul spectru de extincţie al aerosolului, se pot

caracteriza sau obţine “amprente” ale particulelor suspendate în masele de aer de diferite

origini. Se pot identifica în acest mod chiar şi sursele de poluare, mergând pe urmele penelor

de aerosol de origine industrială sau naturală. Mai mult, se poate chiar proceda la obţinerea

distribuţiei dimensionale a particulelor suspendate în atmosfera. Un avantaj al acestui tip de

fotometrie solară spectrală, spre deosebire de colectarea punctuală a probelor de aerosol,

este relevanţa sa în cantitaţile atmosferice integrate pe coloană. Altfel spus, ea da

posibilitatea aprecierii cantitaţii de aerosol din întreaga atmosferă, o mărime care este

potenţial mult mai valoroasă pentru investigaţii climatice decât simplii parametrii de

suprafaţă.

O cantitate importantă de informaţie privind compozitia atmosferei poate fi extrasă din

analiza unor parametri măsuraţi sau calculaţi. Astfel, măsurarea adâncimii optice de

pătrundere în funcţie de lungimea de undă a luminii analizate permite determinarea

parametrului Ǻngström care este un indicator extrem de util al tipului de aerosol care

produce diminuarea radianţei solare.

1.2. Principiul fotometriei solare

Mărimea fizica determinată în masurătorile de fotometrie solară este radianţa solară

directă (L). Radianţa este cantitatea de lumină (putere luminoasă) difuză care cade pe o

suprafaţă sau este emisă de o suprafaţă în unitatea de unghi solid şi sub o direcţie

specificată (W·sr-1·m-2):

2

cos cos

dL

dAd A

, (1)


4

unde Φ este fluxul radiant, sau puterea luminoasă (W); A este aria sursei (m2); Ω este

unghiul solid (sr); θ este unghiul dintre directia specificată si normala la suprafaţă.

Aproximaţia este valabilă pentru valori mici ale ariei şi unghiului solid. Radianţa

caracterizează emisia sau reflexia totală, pentru tot spectrul disponibil.

Radianţa spectrală este radianţa pe unitatea de frecvenţă (Lν) sau pe unitatea de

lungime de undă (Lλ). Unitaţile de masură sunt Wsr-1m-2Hz-1 sau Wsr-1m-3; mai obişnuită

este unitatea Wsr-1m-2nm-1. Radianţă este deci suma (integrala) radianţelor spectrale emise

pe toate lungimile de unda disponibile. Radianţa caracterizează emisia sau reflexia totală, în

timp ce radianţa spectrală caracterizează din acest punct de vedere numai o anumită

lungime de undă sau frecvenţă. Radianţa este utilă întrucât indică fracţiunea din puterea

luminoasă emisă sau reflectată de o suprafaţă care va fi recepţionată de un sistem optic ce

vizează suprafaţa sub un anumit unghi. În acest caz, unghiul solid avut în vedere este cel

subîntins de apertura optică a sistemului.

Prezenţa diverselor componente ale atmosferei face ca radianţa solară spectrală

masurată la sol să difere substanţial de cea incidentă pe stratul atmosferic (Fig. 1.1). Din

acest motiv, este esenţial studiul radianţei solare la suprafaţa Pământului în funcţie de

proprietăţile optice ale atmosferei.

Variaţia radianţei spectrale cu distanţa parcursă de lumină, incidentă normal, printr-o

atmosferă planară este descrisă în general de ecuaţia de transfer radiativ:

0 1L L e S e

, (2)

unde Lλ0 este radianţa spectrală extra-atmosferică, Sλ este termenul de sursă, iar τλ este

adâncimea optică de pătrundere (optical depth – OD sau optical thickness – OT, în

literatura anglofonă; epaisseur optique – EO, în literatura francofonă), care, în mod esential

este produsul a trei factori ce caracterizează mediul optic respectiv:

l C , (3)

unde este coeficientul de extincţie, l este adâncimea geometrică de patrundere (distanţa

efectivă parcursă prin mediul optic respectiv), iar C este concentraţia elementelor

împrăştietoare/absorbante în mediul respectiv. În atmosfera terestră, termenul de sursă este

total neglijabil, astfel încât ecuaţia (2) se reduce la aşa-numita lege Lambert-Beer:


5

0L L e

. (4)

Atunci cand un instrument fotometric solar este plasat într-un anumit loc în atmosfera

terestră şi îndreptat către cer, radianţa măsurată nu este egală cu cea emisă de Soare (adica

radianta solara extraterestra), întrucât fluxul solar este redus prin absorbţie şi împraştiere.

Prin urmare, fluxul radiant măsurat este datorat unei combinaţii între ceea ce este emis de

Soare şi efectul atmosferei. Legatura dintre aceste efecte este conţinută în legea Lambert-

Beer (4).

Efectul atmosferei se poate elimina din rezultate folosind metoda de extrapolare

Langley. Această metodă permite determinarea radianţei extraterestre folosind măsuratori

terestre. Metoda se bazează pe măsurarea repetată a radianţei cu un fotometru solar plasat

într-o locaţie fixata, în timpul unei dimineţi sau dupa amieze însorite, pe măsura ce Soarele

se deplasează pe cer. Atunci când incidenţa luminii este sub un unghi θ faţă de orizontală

(unghi zenital), adâncimea de pătrundere geometrică devine l/sinθ, unde l este acum

grosimea stratului atmosferic considerat planar. În mod tradiţional, factorul pur geometric

1

sinm

(5)

este cunoscut în literatura anglofonă ca airmass factor. În literatura francofona, m este

denumit “masse relative de l’air”. Cu această notaţie, legea Lambert-Beer capătă forma:

0

mLe

L

. (6)

Figura 1.1: Comparaţie între spectrul solar extra-atmosferic (linie roşie) şi cel măsurat la suprafaţa Pământului (linie neagră). Pe ordonată este reprezentată iradianţa spectrală solară de suprafaţă.


6

Pe durata câtorva ore, poziţia Soarelui pe cer se modifică, iar m variaza în mod

corespunzator. Logaritmând ecuaţia precedentă se obţine ecuaţia unei drepte ca funcţie de

m, cu panta τλ:

0

lnL

mL

. (7)

Din datele experimentale, prin interpolare liniară (Fig. 1.2), se poate obţine deci atat

panta dreptei, care este egală cu adâncimea de pătrundere optică, τλ, cât şi valoarea

radianţei Lλ la intersecţia cu ordonată, adică radianţa extraterestră Lλ0.

În legătură cu aplicarea acestei metode, se pot face de asemenea şi următoarele

observaţii:

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

1E-3

0.01

0.1

1

Se

mn

alu

l c

ole

cta

t la

se

nzo

r (V

)

m

Figura 1.2: Exemplu de procedură de extrapolare Langley

1. Este evident că, fizic, domeniul de variaţie al lui m este între 1 şi infinit.

Extrapolarea la m = 0 este un artificiu matematic pentru determinarea radianţei extraterestre.

2. În metoda descrisă, τλ se presupune constant (în timp). Practic, această condiţie se

realizează dacă nu există nori deasupra punctului de observaţie şi dacă nu sunt variaţii

semnificative în stratul de aerosoli atmosferici. Întrucât aerosolii tind să se concentreze la

altitudine joasă, manevrele de extrapolare Langley se fac în observatoare montane, la

altitudini relativ mari. Acurateţea extrapolărilor Langley este mult îmbunataţita dacă datele

sunt colectate deasupra tropopauzei. De asemanea, durata de colectare a datelor nu trebuie

să depaşească câteva ore.

Odată cunoscută radianţa extraterestră, fotometrul solar se poate folosi pentru studiul

atmosferei şi al componentelor acesteia, în particular pentru determinarea adâncimii de

pătrundere optică. De asemenea, dacă se măsoară semnalul pe două sau mai multe

intervale spectrale alese corespunzător, informaţia obţinuta se poate folosi pentru a calcula


7

concentraţia integrată pe verticală a unor componente specifice ale atmosferei, cum ar fi

vaporii de apă, ozonul etc.

Adâncimea optică de pătrundere, τλ, este denumită şi turbiditate în multe lucrări de

specialitate. Dependenţa acestei mărimi de lungimea de undă a radiaţiei incidende este în

principiu destul de complicată, datorită diversităţii componentelor atmosferice. În limite destul

de largi, se poate folosi o expresie simplificată numită ecuaţia turbidităţii a lui Ǻngstrom, în

care dependenţa de lungimea de undă se reduce la o proporţionalitate inversă cu o putere a

lungimii de undă:

, (8)

unde β este aşa-numitul coeficient de turbiditate, iar α este exponentul Ǻngstrom. În

general, exponentul Ǻngström se defineşte prin relaţia [8]:

ln

ln

d

d

. (9)

Sub această formă, α este cunoscut sub numele de parametru Ǻngstrom. Avantajul relaţiei

aproximative (8) este acela că exponentul Ǻngstrom se poate determina măsurând

turbiditatea la doar doua lungimi de undă diferite, λ1 şi λ2:

1

2

1

2

ln

ln

. (10)

Determinarea parametrului Ǻngstrom este posibilă doar prin folosirea unui număr mare de

canale spectrale, suficient pentru o interpolare precisă a curbei τλ şi efectuarea derivatei

numerice în relaţia (9). Parametrul/exponentul Ǻngstrom reprezintă în mod esenţial panta

dependenţei spectrale a turbidităţii. Există o cantitate importantă de informaţie ce poate fi

extrasă din analiza acestui parametru.

1.3 Funţionarea unui fotometru solar şi principiile de măsură

În esenţă, un fotometru solar (sun-photometer) constă dintr-un senzor cu câmp vizual

îngust, îndreptat către Soare (Fig. 1.3). O importanţă critică în proiectarea unui sistem de

măsură o are înţelegerea fundamentală a caracteristicilor cantităţilor ce trebuie măsurate şi a

cerinţelor tehnice ale echipamentelor necesare pentru măsurători.


8

Figura 1.3 Principiul măsurătorilor de fotometrie solară

Un exemplu de fotometru solar automat, cu o structură relativ simplă şi puţin

costisitoare, este sistemul TERC VHS-1. Acest instrument a fost iniţial conceput pentru

scopuri didactice şi pentru persoane interesate în măsurarea proprietăţilor optice ale

aerosolului. Concepţia sa este foarte simplă, dar are şi suficiente limitări. Una din cele mai

importante este durabilitatea carcasei. Acest instrument nu a fost iniţial conceput pentru

folosire continuă în exterior şi în lumină solară directă. Din acest motiv, s-a trecut la

proiectarea unui alt instrument cu durabilitate şi stabilitate termică mai mare, fapt ce a permis

montarea lui pe un dispozitiv de urmărire solară de tip Eppley. În această configuraţie, TERC

VHS-1 conţine trei blocuri (unităţi) principale: blocul de detecţie, cel de conversie în semnal

electric şi amplificare şi blocul de măsurare a tensiunilor de ieşire.

Fotometrele solare moderne conţin, pe lângă fotodetector şi sistemul optic

corespunzător, un dispozitiv de filtrare spectrală, o unitate de urmărire automată a Soarelui şi

un sistem de achiziţie a datelor (Fig. 1.4).


9

Figura 1. 4: Schema de principiu a unui fotometru solar

O componentă importantă a oricărui fotometru solar este fotodetectorul. Această

piesă, care îşi modifică anumite proprietaţi electrice sub acţiunea iluminării, este plasată într-

un circuit electronic corespunzător pentru detectarea modificărilor respective. Fotodetectorul

este de obicei o fotodiodă (Fig. 1.5a) sau o fotorezistenţă (Fig. 1.5b). Pentru obiectivizarea

măsurătorilor, suprafaţa de expunere a fotodetectorilor trebuie să fie plană. Amplasarea

fotodetectorului în câmpul vizual al instrumentului trebuie să ţină seama de faptul că unghiul

solid sub care se vede Soarele de pe Pământ este de aproximativ 7,010-5 sr. Câmpul vizual

al instrumentului trebuie să depăşească de câteva ori acest unghi pentru a asigura captarea

întregii imagini a Soarelui.

Un sistem mult mai perfecţionat este cel fabricat de compania franceză CIMEL

Electronique. Din gama de fotometre solare oferite de această firmă se remarcă fotometrul

solar automat CE 318 (Fig. 1.6). Acest instrument este un fotometru solar extrem de precis,

având toate calităţile unui echipament de teren: este motorizat, portabil, autonom (alimentat

Figura 1. 5: Exemple de fotodetectori pentru fotometre solare ;

(a) fotodiodă ; (b) fotorezistenţe


10

de o baterie solară) şi automat. Acest aparat măsoară radianţa solară si celestă în scopul

obţinerii cantităţii totale de vapori de apă în coloana atmosferică, proprietăţile ozonului

atmosferic si ale aerosolului. În acest scop se foloseşte o combinaţie de filtre spectrale,

controlată de un microprocesor. Fotometrul solar CE 318 se compune dintr-un cap optic, o

unitate electronică şi un robot. Capul optic are două sisteme separate: colimatorul solar, fără

lentile, şi colimatorul celest prevăzut cu lentile. Sistemul de urmărire solară este echipat cu

un detector cu patru cuadranţi.

Figura 1.6: Fotometrul solar automat CE 318 Unitatea electronică conţine două microprocesoare destinate operării în timp real,

achiziţiei de date şi controlului mişcărilor instrumentului. În modul automat, un senzor umed

detectează precipitaţiile şi comandă parcarea instrumentului şi protejarea sistemelor lui

optice. Mişcarea robotului se realizează cu motoare pas-cu-pas în două direcţii, în planul

azimutal şi în cel zenital. Calcularea ecuaţiilor solare se realizează de către cele două

microprocesoare. Pentru măsurarea radianţei solare şi celeste se pot executa secvenţe

specifice. Au fost prevăzute diferite scenarii pentru a face în mod automat cât mai multe

tipuri de măsurători. Datele din memoria fotometrului solar se pot transfera într-un calculator

sau, prin intermediul Sistemului de Colectare a Datelor (DCS), către unul din următorii sateliţi

geostaţionari: GOES, METEOSAT, sau GMS şi apoi retrimise către staţiile de recepţie de la

sol. Datele se pot obţine, pentru procesare, fie prin modem, fie prin legătură la internet, ceea

ce înseamnă posibilitatea de achiziţie de date din orice parte a globului, cu excepţia zonelor

polare cu latitudini mai mari decât 80o.

Pentru a înţelege performanţele fotometrului solar CE 318 este util să evidenţiem

specificaţiile sale tehnice. Există două variante ale acestui intrument.

Varianta standard CE 318-1: are cinci filtre (canale de măsură) 440 nm, 670 nm, 870

nm, 936 nm şi 1020 nm.

Componente. Capul optic are două colimatoare ale câmpului vizual: un colimator

solar şi un colimator celest, ambele cu semi-deschiderea unghiulară de 1,2°.

Lărgimea de bandă (semi-lărgimea la jumătatea înălţimii picului): 10 nm.


11

Detector: detectori de siliciu pentru Soare si cer.

Domeniul de temperatura pentru operare: -30°C to +60°C.

Metoda de urmărire solară: Urmărire în planele zenital şi azimutal; urmărire activă

printr-un detector cu patru cuadranţi; precizia de urmărire este mai bună decât 0,1°.

Alimentare: Baterii interne pentru capul optic şi baterii externe pentru robot; bateriile

sunt reîncărcabile prin panouri solare sau tensiune de reţea monofazată de 220 V.

Colectarea şi transferul datelor: Stocare locală în memorii de tip EPROM, care pot

fi citite opţional de un PC, sau transmise către satelit prin Data Collection Systems.

Secvenţele de măsură.

Se pot face măsurători directe ale Soarelui şi cerului folosind mai multe secveţe

programabile. Măsurarea directă a Soarelui se face în cinci sau opt benzi spectrale si

necesită aproximativ 10 s. O secvenţă de trei astfel de măsurători se pot face din 30 s în

30 s, creând o triplă observaţie pentru fiecare lungime de undă. Astfel de observaţii triple

se realizează în timpul dimineţii şi al după amiezii, pe intervale standard de 15 minute, în

vederea secvenţelor de calibrare Langley.

Ceea ce se masoară practic într-un fotometru solar este un semnal electric, o

anumita tensiune (V) produsă de senzor la fiecare determinare. Semnalul V trebuie corectat

întotdeauna cu valoarea sa “la întuneric” (Vdark

), produsă de senzor în absenţa iluminării. În

acest fel, semnalul util este V-Vdark

. În plus, în adâncimea optică determinată la un moment

dat se suprapun întotdeauna efectele tuturor componentelor atmosferice, în special cel al

aerosolilor (AOD) A, şi cel al componentelor gazoase în general,

g, numit şi contribuţia

dispersiei moleculare. Datorită aditivităţii secţiunilor eficace totale ale componentelor

atmosferice, adâncimea optică de pătrundere totală se poate calcula însumând contribuţiile

specifice fiecarui component.

Admiţând că semnalul senzorului este proporţional cu radianţa, legea Lambert-Beer

(4) poate avea forma: 0

ln darkA g

V Vm

V

, (11)

unde V0 este o constantă rezultată din etalonarea aparatului (obţinuta prin extrapolare

Langley). Constanta V0 mai trebuie corectată practic şi cu pătratul raportului dintre valoarea

actuală şi cea medie a distanţei Pământ-Soare. Din relaţia de mai sus se poate extrage

imediat valoarea AOD prin două metode:

1. din panta graficului V(m) trasat în scară logaritmică (sunt necesare condiţii de

stabilitate atmosferică pe timpul determinarilor);


12

2. direct din relaţia de mai sus, pentru o valoare punctuală a lui m:

0

1ln dark

A g

V V

m V

. (12)

Adâncimea de pătrundere optică moleculară, g, se determina separat. Ca si

A, este o

mărime dependentă de lungimea de undă a radiaţiei investigate. De exemplu, într-o

aproximaţie destul de răspândită, pentru lumina rosie putem lua g = 0.05793, iar pentru

lumina verde, g = 0.13813.

Cu toate că aceste valori constituie o aproximaţie practică destul de bună, în multe

situaţii ele nu sunt suficiente. Astfel, în majoritatea zonelor marine îndepărtate AOD este

cuprins între 0.03 şi 0.05. Pentru aceste regiuni, o eroare de 0.01 în măsurarea adâncimii de

pătrundere optică devine substanţială şi poate afecta posibilitatea extragerii de informaţie

despre dimensiunea aerosolului din variaţia AOD cu lungimea de undă. În literatura se

citează erori situate între 0.005 şi 0.02. Acestea sunt în primul rând produse de imprecizii de

calibrare, de erori în considerarea corecţiilor de împrăştiere şi absorbţie moleculară şi de

defecte în instrumentaţie (printre care se poate include şi murdărirea accidentală a

componentelor optice).

Fotometrele solare sunt calibrate în mod obişnuit folosind extrapolarea Langley, care,

aşa cum s-a menţionat deja, se bazează pe legea Lambert-Beer (4). O formă mai precisă a

acestei relaţii, în care se ţine seama atât de corecţia de perspectivă, datorată variaţiei

distanţei Pământ-Soare, cât şi de contribuţiile separate ale principalelor componente

atmosferice, este următoarea [16]:

3 3

2

0

A A m m O O t tm m m mmL de

L d

. (13)

In relaţia (13), notaţiile suplimentare sunt următoarele:

d este distanţa Pământ-Soare în momentul măsurătorii, dm este distanţa medie, iar D =

d/dm este aşa-numita distanţă Pământ-Soare exprimată în unităţi astronomice.

Indicii mărimilor de la exponent (adâncimea optică de pătrundere şi factorul geometric

m) se referă la următoarele componente: A-aerosoli; m-componenta moleculară sau

Rayleigh; O3-ozon; t-urme gazoase, adică gaze în concentraţie redusă.

În cazul măsurătorilor pe canalul de 936 nm, pe care vaporii de apă din atmosferă

dau un raspuns puternic şi neliniar în factorul geometric, în exponentul relaţiei (13) se

adaugă şî termenul următor:

b

w w wm k W m , (14)

unde indicele w se referă la vaporii de apă din atmosferă, W este grosimea verticală a

coloanei de vapori de apă, iar k şi b sunt constante numerice specifice filtrului de 936 nm.


13

Raportul dintre distanţa medie şi distanţa zilnică Pământ-Soare se poate calcula din

următoarea formulă:

1

1 0,01673cos 0,017201 4mddoy

d

, (15)

unde doy reprezintă numărul zilei respective a anului (doy = day of the year).

O problemă aparte o constituie calculul factorilor geometrici. Pentru unghiuri zenitale

de sub 60o, factorul geometric molecular mm se poate calcula ca secanta unghiului zenital, cf.

relaţiei (5). Peste 60o, factorul geometric trebuie corectat în funcţie de curbura suprafeţei

terestre şi de distribuţia pe verticală a moleculelor:

1

sinm cm

, (16)

unde = 0,50572, = 6,07995, c = 1,6364, iar este, ca şi mai sus, unghiul zenital.

Pentru a calcula factorii geometrici ai aerosolului şi ai urmelor gazoase sunt necesare

distribuţiile acestora după înălţime. Din păcate, astfel de date sunt foarte rar disponibile,

astfel încât se presupune că distribuţiile respective sunt identice cu cele ale componentei

gazoase obişnuite în condiţii de normalitate (adică atunci când nu au loc erupţii vulcanice

majore).

Distribuţia ozonului are un maxim foarte pronunţat în stratosferă (aprox. 22 km) şi

deci diferă semnificativ faţă de distribuţia moleculară obişnuită. Factorul geometric al

ozonului se poate obţine ca o corecţie a factorului mm :

3O mm m m , (17)

unde

2 3

0,011 0,027 0,0161m m mm m m m . (18)

Cantităţile m şi O3 se pot calcula prin algoritmi empirici proveniţi din diverse modele

atmosferice:

4

273exp

29,3m R h

(19)

şi

3 1000

O

DOBSOzabs , (20)

unde h este altitudinea locului de observaţie, Ozabs este secţiunea eficace de absorbţie a

ozonului, DOBS este cantitatea de ozon în unităţi Dobson, iar R4 este dat de următoarele

relaţii:


14

22

2 2

4 4

228773,6

R RR

, (21)

8

2 2 2

406030 1599710 8342,13

130 38,9R

, (22)

în care este lungimea de undă a canalului respectiv exprimată în microni.

Cu toate că valorile lui O3 sunt mici, ele sunt cu siguranţă ne-neglijabile, mai ales la

lungimile de undă de 340 nm şi 675 nm.

Presupunând că detectorul instrumentului este liniar, tensiunile de ieşire la senzor (V

şi V0) se pot înlocui în relaţia (13) şi, după rearanjarea termenilor, se obţine:

3 3 0ln lnO O m A m tV m m V , (23)

unde

2

0 0

m

dV V

d

. (24)

In relaţia (24), V0 este media anuală a constantei extraterestre (corectată faţă de

variaţia distanţei Pământ-Soare), iar V’0 este constanta extraterestră care s-ar obţine dintr-o

calibrare prin extrapolare Langley într-o zi oarecare. Relaţia (23) are forma liniară

descrescătoare în mm, cu panta A+m+t şi intersecţia cu ordonata ln V’0. Efectuând

măsurători directe către Soare în timpul dimineţii şi reprezentând grafic 3 3

ln O OV m în

funcţie de mm se obţine în principiu o linie dreaptă care are ca pantă adâncimea optică de

pătrundere. Extrapolând această dreaptă la valoarea zero a factorului geometric (valoare

strict matematică) se obţine constanta extraterestră, adică ceea ce instrumentul ar măsura

dacă ar fi plasat în afara atmosferei în ziua respectivă. Din acest moment, AOD se poate

obţine dintr-o singură măsurătoare de tensiune la senzor:

3 30

1ln lnA O O m t

m

V V mm

. (25)

În efectuarea calibrării prin extrapolare Langley pentru obţinerea parametrului V’0 se

presupune că adâncimea de pătrundere optică rămâne constantă în timpul măsurătorilor.

Asigurarea riguroasă a unor astfel de condiţii este posibilă în observatoare montane, cum

este cel de pe muntele Mauna Loa din Hawaii. Acest observator este situat deasupra

stratului de inversie a vitezei vântului orizontal şi are valori destul de mici şi stabile ale AOD

pe toată durata anului. La această locaţie, măsurătorile necesare pentru acoperirea unui

domeniu de factor geometric între 5 şi 2 necesită mai puţin de două ore, ceea ce este

suficient pentru o bună calibrare. Un exemplu concret de calibrare Langley efectuat la

observatorul Mauna Loa este prezentat în Fig. 1.8. Pentru ziua respectivă se observă cum


15

valorile măsurate se aşeaza foarte bine pe o linie dreaptă şi deci valoarea constantei ln V’0

apare ca fiind bine determinată.

Orice eroare de aliniere cu Soarele duce la valori mai mari ale AOD. Din acest motiv,

procesul de extrapolare Langley trebuie efectuat în mod iterativ în modul următor: 1) se

fiteaza o dreaptă (cu metoda celor mai mici pătrate) pe datele disponibile; 2) se elimină

datele ale căror puncte se află cu mai mult de 0,1 % sub linie; 3) se refitează punctele

rămase cu o nouă linie dreaptă. Procesul continuă până când toate punctele rămase se află

sub linia dreaptă cu mai puţin de 0,1 % sau deasupra ei.

1.4 Tipuri de date ce se pot obţine prin fotometrie solară

Partea cea mai importantă a datelor obţinute din măsurători de fotometrie solară se

referă la aerosoli. Utilizând canalul de 936 nm se pot obţine informaţii şi asupra cantităţii de

vapori de apă din coloana atmosferică (integrated water vapour). Însă, majoritatea canalelor

de masură sunt dedicate studiului aerosolilor. Există trei categorii de informaţie asupra

aerosolilor, oarecum independente, ce se pot obţine din masuratori de fotometrie solară: 1)

adâncimea optică de pătrundere (AOD sau AOT), care este o măsură a concentraţiei

columnare de aerosol; 2) variaţia spectrală medie a AOD dată de exponentul/parametrul

Ångström (α); 3) dependenţa spectrală (curbura) a parametrului Ångstrom (δα).

Figura 1.9: Două observatoare naţionale elveţiene

Aşa după cum s-a arătat în secţiunea 2, AOD reprezintă, la o anumită lungime de

undă λ, extincţia radiaţiei cu această lungime de undă datorată prezenţei aerosolului în

atmosferă. Forcingul radiativ determinat de aerosol este o componentă critică, deşi variabilă

şi incertă, a climatului global. Determinarea AOD se face prin observaţii locale, folosind


16

fotometre solare amplasate pe sol, în staţii fixe, pe nave maritime (în scopul determinării

AOD în zone marine îndepărtate) şi pe platforme aeriene (avioane), pentru determinarea

variaţiei AOD (şi deci a conţinutului de aerosol) cu altitudinea. Măsurarea AOD cu un

instrument fixat la sol are în general o utilitate limitată. Este mult mai util să se coreleze

datele obţinute de mai multe staţii fixe, conectate în reţea şi să se compare rezultatele cu

măsuratori atmosferice de alte tipuri (ex. LIDAR, radiosondaj, observaţii satelitare, date

meteorologice, colectare de probe etc.). În acest scop, au fost concepute reţele naţionale şi

internaţionale de observare prin fotometrie solară. Un exemplu de reţea naţională bine

dezvoltată este cea elveţiană, cu observatoare reprezentative la Berna (instrument SPM2000

cu 18 canale, între 300 şi 1024 nm, lărgime de bandă între 2 şi 10 nm, rezoluţie temporală

de 30 s) şi la Jungfraujoch (radiometru cu filtre de precizie, 16 canale, între 305 şi 1024 nm,

lărgime de bandă între 2 şi 10 nm, rezoluţie temporală de 2 min) (Fig. 1.9).

Reţeaua Internaţională cel mai bine dezvoltată este de departe AERONET (Aerosol

Robotic Network). Aceasta are deja o vechime de peste zece ani, timp în care a produs

observaţii în timp aproape real şi distribuite global ale AOD si de radianţă celestă. AERONET

furnizează de asemenea şi valori ale parametrilor derivaţi, cum ar fi distribuţia după mărime a

particulelor de aerosol, albedoul de împrăştiere simplă şi indicele de refracţie complex.

Această reţea a fost dezvoltată pentru a produce informaţii despre aerosoli prin două tipuri

de măsurători făcute la sol: date spectrale de extincţie a radiaţiei solare directe (adică AOD)

şi distribuţia unghiulară a radianţei celeste. Măsurătorile de fotometrie solară la sol nu pot

avea acoperire globală. Totuşi, determinările în domenii unghiulare şi spectrale largi ale

radiaţiei solare şi celeste sunt cele mai potrivite pentru a obţine în mod continuu şi detaliat

valori de încredere ale proprietăţilor optice ale aerosolilor în poziţii cheie de pe suprafaţa

globului.

Procedurile standard ale reţelei, vizând întreţinerea şi calibrarea instrumentelor,

supravegherea norilor şi procesarea datelor, permit compararea cantitativă a datelor de

aerosol obţinute la diferite momente şi în diferite locaţii. Algoritmul de inversiune permite

obţinerea de informaţii indirecte despre aerosoli prin fitarea măsurătorilor din întreg domeniu

de radianţe la 440, 670, 870 şi 1020 nm pe un model de transfer radiativ. Câmpul de radiaţie

este determinat de indicele de refracţie complex al aerosolului (dependent de lungimea de

undă) şi de distribuţia după marime a particulelor de aerosol (în domeniul 0,05-15 μm) în

întreaga coloană atmosferică. AERONET gestionează în prezent în jur de 35 staţii din

Europa, Africa şi Asia. Are de asemenea o strânsă şi permanentă interacţiune cu NASA.

Măsurătorile în zonele maritime îndepărtate se efectuează în mod obişnuit cu

fotometre solare manuale, amplasate pe nave. Pentru a furniza date de încredere (având în

vedere valorile foarte mici ale AOD în zonele respective), aceste măsurători trebuie realizate

cu precauţii deosebite, mai ales în ceea ce priveşte procedura de etalonare Langley. În


17

literatură sunt descrise mai multe astfel de expediţii de măsurare şi sunt comentate

rezultatele obţinute. Un exemplu de rezultat este prezentat în Fig. 1.10, sub forma unei

dependenţe spectrale de AOD ridicate în timpul unor măsurători efectuate în ianuarie 1998 la

nord de insulele Hawaii, folosind fotometre solare de tip Microtops II construite de Solar Light

Inc. Se remarcă valorile reduse ale AOD indicând (cum era de aşteptat) dominanţa

componentei super-micronice a aerosolului de tip marin.

Fotometre solare manuale se folosesc şi în cazul măsurătorilor efectuate de pe

platforme aeriene (avioane). Un exemplu de utilizare a unui astfel de instrument este arătat

in Fig. 1.11. Determinările de acest tip urmăresc în principal obţinerea profilului vertical de

aerosol (dependenţa concentraţiei de aerosol de altitudine) prin determinarea variaţiei

corespunzătoare a AOD. Rezultatele de acest tip se pot prezenta sub formă de dependenţe

AOD ca funcţie de altitudine pentru mai multe lungimi de undă (Fig. 1.12).

Aşa cum s-a arătat în secţiunea 2, exponentul/parametrul Ångström reprezintă panta

dependenţei AOD de lungimea de undă în coordonate logaritmice. În domeniul spectrului

solar, α este un bun indicator al dimensiunilor particulelor atmosferice care determină AOD: α

> 1 este determinat mai ales de particule din modul fin, submicrometric. Valori ale lui α mai

mari decat 2 indică prezenţa unor particule fine de exemplu de fum sau sulfaţi. Domeniul α <

1 este produs practic de particule mari, supermicrometrice. Valori ale lui α apropiate de zero

indică modul grosier de aerosol, de exemplu praf deşertic. Curbele de tipul τA(λ) se numesc

spectre de extincţie produse de aerosol. În mod tipic, se fac măsurători la 440 nm si 870

nm şi se calculează exponentul Ångström. Pentru determinări mai precise se folosesc mai

multe canale de observare si se obţine parametrul Ångström. În Fig. 1.13-1.16 sunt

prezentate cateva exemple de astfel de diagrame de extincţie.

Figura 1.10: AOD măsurat manual în largul arhipelagului Hawaii

între 10 şi 12 ianuarie 1998


18

Figura 1.11: Folosirea fotometrului solar manual în măsurători de pe platforme aeriene

Figura 1.12: Profile verticale de aerosol pentru 13 lungimi de undă (între 354 şi 2139 nm)

0

1

2

3

4

5

6

7

809/13/200517:39-17:54 UT

09/13/200518:10-18:36 UT

09/16/200514:55-15:07 UT

09/16/200515:20-16:35 UT

09/16/200521:20-21:29 UT

0

1

2

3

4

5

6

7

809/16/200521:42-22:12 UT

09/17/200521:30-21:48 UT

09/17/200522:03-22:36 UT

09/17/200522:36-22:51 UT

09/17/200522:51-23:04 UT

0

1

2

3

4

5

6

7

809/19/200514:24-14:46 UT

09/19/200514:46-15:30 UT

09/19/200515:17-15:56 UT

09/19/200518:42-19:10 UT

09/19/200519:25-19:32 UT

0

1

2

3

4

5

6

7

809/19/200519:33-19:48 UT

Altitu

de

[km

]

09/19/200519:53-20:00 UT

09/20/200515:35-15:52 UT

09/20/200516:07-16:42 UT

09/20/200520:57-21:37 UT

0

1

2

3

4

5

6

7

809/20/200521:38-21:50 UT

09/20/200521:50-21:58 UT

09/20/200521:58-22:11 UT

09/20/200522:22-22:37 UT

09/21/200515:04-15:38 UT

0 0.1 0.2 0.3 0.40

1

2

3

4

5

6

7

809/21/200517:12-17:30 UT

0 0.1 0.2 0.3 0.4

09/21/200517:46-17:55 UT

0 0.1 0.2 0.3 0.4

09/21/200517:57-18:34 UT

Aerosol Optical Depth

0 0.1 0.2 0.3 0.4

09/21/200518:34-18:52 UT

0 0.1 0.2 0.3 0.4

09/22/200514:38-15:06 UT


19

Figura 1.14: Curbe de extincţie măsurate în nordul Keniei,

în 1979, în comparaţie cu o determinare polară

Figura 1.13: Curbe de extincţie măsurate în Alaska, în 1981, în timpul unui episod de ceaţă arctică


20

Diagrama din Fig. 1.13 indică un episod de ceaţă arctică măsurat în Alaska în 1981.

Masuratorile chimice indicau un transport interns de aerosol din Eurasia (datorat poluarii)

către Alaska. Curba de jos, corespunde unei situaţii în care sursele de poluare locale sau

distante nu afecteaza zona de masurare în nici un fel. Extinctia variaza diferit cu lungimea de

unda în cele doua cazuri, în cazul cetii arctice fiind mai slaba. Aceasta reflectă faptul că

particulele de aerosol importate sunt mai mari decat cele din fondul natural local.

Diagrama din Fig. 1.14 a fost construită în Nordul Keniei, pe malul sudic al lacului

Turkana, într-o zona prăfoasă plasată la marginea desertului Sahill, în 1979. Curba de sus a

fost obţinută în timpul unei perioade uscate, cu convecţii puternice, cu transport masiv de

praf saharian dinspre nord. Curba mijlocie corespunde unui transport moderat de aer dinspre

sud, care a urmat unor precipitatii abundente. Se observă ca aerul curaţat de ploaie mai

pastreaza înca o oarecare cantitate de particule gigantice (r > 1 mm). Pentru comparaţie, se

prezintă şi un spectru de extincţie obţinut la Polul Sud (curba de jos).

Figura 1.15: Curbe de extincţie măsurate în Alaska, în 1981,

în timpul unui episod de ceaţă arctică


21

Exemplul din Fig. 1.15 se refera la observaţii în zona Pacificului central, facute cu

precizie de 2‰. Curba de sus este un spectru de extinctie tipic la nivelul mării produs de

particulele gigantice de sare din stratul de amestec. Cea de-a doua diagrama este pentru

condiţii normale de fond la observatorul de pe muntele Mauna Loa (3380 m), obţinute în

timpul dimineţii, când aerosolul din straturile inferioare de aer nu a ajuns la nivelul

observatorului. Aceste măsuratori au fost facute primăvara, când se produc intruziuni

puternice de praf din Mongolia (desertul Gobi). Curba inferioară a fost obţinută în condiţii

normale, la aceeasi concentraţie de aerosoli (aprox. 150 cm-1).

Ca ultim exemplu, Fig. 1.16 prezintă diagrame de extincţie determinate în Alpii

elveţieni, lângă Davos, în estul Elvetiei. Curba de jos a fost luată după trecerea unui sistem

frontal care a adus o intruziune de aer foarte curat în Europa centrală. Curba de sus a fost

masurată la o zi după ce o ceaţă industrială a ajuns în zona alpină. Cerul era cenusiu-

murdar.

În acest exemplu se observă amprenta tipică a aerosolului industrial relativ proaspăt

(104 s), care, după panta abruptă a curbei de extincţie, conţine o concentraţie mare de

particule in domeniul r < 0.1 mm.Parametrul Ångström este folosit în mod uzual în fotometria

solară operaţională. Totuşi simpla sa calculare nu produce informaţii lipsite de ambiguitate

despre contribuţia relativă a modurilor fine şi grosiere în determinarea AOD. De exemplu,

Figura 1.16: Curbe de extincţie determinate la Davos, Elveţia


22

particule din zona mare a modului fin pot determina acelaşi parametru Ångström ca şi un

amestec de particule din zona mică a modului fin cu particule din modul grosier. O analiză

mai detaliată se poate face calculând derivata a doua a AOD, adică, concret, variaţia

parametrului Ångström cu lungimea de undă. Astfel se poate demonstra că valori negative

ale δα = α(440, 613) – α(440, 103) indică dominanţa modurilor fine de aerosol, în timp ce

valori pozitive ale acestei diferenţe indică efectul celor două moduri separate. Separarea

bimodală a aerosolului bazată pe analizarea variaţiei parametrului Ångström cu lungimea de

undă este un subiect actual, cu mare potenţial de investigare practică.

1.4 Rezumat

Aerosolul atmosferic este o componentă cheie în determinarea forcingului radiativ şi

astfel a climatului global. AOD reprezintă, la o anumită lungime de undă λ, extincţia radiaţiei

cu această lungime de undă datorată prezenţei aerosolului în atmosferă. Determinarea AOD

se face prin observaţii locale, folosind fotometre solare amplasate pe sol, în staţii fixe, pe

nave maritime şi pe platforme aeriene (avioane).

Informaţiile produse prin fotometrie solară sunt de trei tipuri oarecum distincte: 1)

AOD care este o măsură a concentraţiei columnare de aerosol; 2) variaţia spectrală medie a

AOD dată de exponentul/parametrul Ångström (α); 3) dependenţa spectrală (curbura) a

parametrului Ångstrom (δα). Din aceste date se extrag apoi o serie întreagă de proprietăti

microscopice adiacente ale aerosolului atmosferic, astfel:

AOD < 0.6 -> particule fine (<1μm) de aerosol

AOD < 0.6 -> particule mari (<1μm) de aerosol

α <1 – aerosol mare, supramicronic

1< α < 2 – aerosol fin, submicronic

α > 2 – fum sau sulfaţi

În cadrul acestei lucrării, scopul este de a studia modul în care pot fi folosite

măsuratorile realizate cu fotometrul solar pentru a determina proprietăţile aerosolului

atmosferic, folosind sistemul de date AERONET.

Lucrarea 2


23

UTILIZAREA DATELOR DE

FOTOMETRIE SOLARĂ PRODUSE DE

REŢEAUA AERONET

2.1 Introducere

Este un fapt deja bine cunoscut că o parte importantă din aerosolul prezent în atmosferă

(atât în stratul limită planetar cât şi în troposfera liberă) îşi are originea în activităţile umane.

Se cunoaşte de asemenea că, din punct de vedere dimensional, aerosolul de origine

antropică se plasează în domeniul sub-micrometric, adică în aşa-zisul mod fin. Prin contrast,

aerosolul natural constă mai ales din particule care depăşesc 1 μm în diametru şi care

formează modul grosier al distribuţiei dimensionale a aerosolului atmosferic. Trebuie

menţionat totuşi faptul că, în diverse situaţii aflate în afara controlului uman, se pot injecta în

atmosferă cantităţi importante de aerosol sub-micrometric. Prin urmare, modul fin poate

avea, parţial, şi surse naturale. Un exemplu îl constituie marile incendii forestiere sau de

savană care apar cu regularitate în anotimpurile uscate. Totuşi, exacerbarea activităţilor

economice şi presiunea demografică existentă în unele zone ale suprafeţei terestre (ex.

marile aglomerări urbane) au dus la stabilirea unei surse permanente şi foarte consistente de

aerosol fin. Prezenţa abundentă a acestui tip de particule în atmosferă duce la o serie de

efecte de diferite tipuri, de la cele imediate asupra sănătăţii oamenilor, până la implicaţii

profunde şi de lungă durată asupra bilanţului energetic al Pământului şi asupra climatului.

Există trei modalităţi principale de abordare a studiului aerosolului antropic, aşa cum se

ilustrează în Fig. 2.1: (1) emisia poluanţilor gazoşi şi a particulelor fine din transport (în

Figura 2.1: Reprezentare schematică a celor mai frecvente condiţii de mediu din atmosfera unei

aglomerări urbane


24

special acela al automobilelor), din activităţi casnice (ex. încălzirea în perioada de iarnă), sau

din cele industriale; (2) dispersia şi transportul poluanţilor pe orizontală, mai ales în stratul

limită planetar; (3) acumularea de aerosol fin în troposfera liberă datorită transportului

convectiv şi advectiv, însoţită de apariţia de condiţii defavorabile de mediu. Situaţiile de tipul

(3) sunt pe cât de frecvente, pe atât de puţin cunoscute. Monitorizarea aerosolului, în

particular a celui fin, este deci un mijloc necesar de studiu pentru toate cele trei situaţii

prezentate mai sus. O modalitate de monitorizare foarte convenabilă ca raport

costuri/eficienţă este folosirea fotometriei solare. Potenţialul acestei tehnici este mult

amplificat în cazul în care se folosesc multe instrumente amplasate într-o reţea globală cum

este reţeaua AERONET. Programul AERONET (AErosol RObotic NETwork) este o uniune

de reţele de detecţie a aerosolului atmosferic, ale cărei baze au fost puse de NASA şi de

LOA-PHOTONS (CNRS) şi care se extinde permanent prin colaborări cu agenţii naţionale,

institute de cercetări, universităţi, cercetători şi parteneri individuali. Acest program

furnizează pe termen lung o bază de date continuă şi accesibilă public de date optice,

microfizice şi radiative ale aerosolului atmosferic, utilizabile pentru cercetarea şi

caracterizarea aerosolului, validarea datelor satelitare şi corelarea (sinergismul) cu alte baze

de date. Pentru colectarea si utilizarea eficientă a datelor, reţeaua impune o standardizare a

instrumentaţiei, a procedurilor de calibrare, a procesării şi distribuirii datelor. Amplasarea

aproximativă a fotometrelor solare care fac parte din această reţea este prezentată în Fig.

2.2. Se observă repartizarea reţelei pe aproape toată suprafaţa de uscat, cu excepţia zonelor

polare cu latitudini mai mari decât 80o. Datele stocate în memoria fotometrului solar se pot

transfera într-un calculator sau, prin intermediul Sistemului de Colectare a Datelor (DCS),

către unul dintre următorii sateliţi geostaţionari: GOES, METEOSAT, sau GMS şi apoi

retrimise către staţiile de recepţie de la sol. Datele se pot obţine, pentru procesare, fie prin

modem, fie prin legătură la internet, ceea ce înseamnă posibilitatea de achiziţie de date din

orice parte a globului. In mod curent, fotometrele solare automate pot efectua două tipuri de

măsurători de radianţă: solară şi celestă.

Radianţa solară se măsoară prin vizarea directă a soarelui, urmărind mişcarea sa diurnă

pe un anumit interval unghiular. La fiecare poziţie a soarelui se măsoară şi radianţa celestă,

prin orientarea instrumentului sub diferite unghiuri faţă de direcţia solară. Datele obţinute prin

cele două tipuri de măsurători se prelucrează automat, folosind algoritmi diferiţi. Rezultatele

obţinute sunt postate pe internet si pot fi accesate gratuit. Baza de date astfel constituită

este extrem de valoroasă pentru efectuarea de diverse analize, atât în domeniul

meteorologiei cât şi în cel al protecţiei mediului.


25

În continuare este descris modul de prezentare a datelor AERONET şi modalităţile de

extragere automată şi de utilizare a lor în prelucrări numerice ulterioare. În secţiunea a doua

se face o prezentare a celor trei niveluri de calitate ale datelor produse de AERONET,

descriindu-se procedurile de filtrare numerică folosite la fiecare nivel. În continuare, în

secţiunea a treia, se descriu procedurile concrete de extragere a datelor AERONET din

arhivele în care sunt stocate şi transferarea lor în medii software de prelucrare (Excel, Origin,

Mathcad). În următoarele două secţiuni sunt descrise tipurile de date oferite de AERONET:

datele de fotometrie solară şi datele obţinute direct sau indirect din algoritmul de inversiune

aplicat măsurătorilor de fotometrie celestă. În secţiunea a şasea se dau câteva exemple de

informaţie sintetică ce se poate obţine analizând direct datele furnizate de două fotometre

solare aflate în dotarea Universităţii din Bucureşti şi, respectiv, INOE 2000, pentru zona

Bucureşti. În încheiere sunt sintetizate informaţiile conţinute în această lucrare.

2.2 Proceduri de filtrare numerică folosite pentru baza de date

a reţelei AERONET

AERONET pune la dispoziţie observaţii distribuite la nivel global de AOD, produse de

inversie şi apă precipitabilă în diverse regimuri de aerosol. Importanţa unei astfel de reţele

constă în impunerea unei standardizări a măsurătorilor şi a procesării datelor, ceea ce

permite comparaţii multianuale şi la scară globală. Baza de date aflată în permanentă

dezvoltare necesită dezvoltarea unei proceduri reproductibile si sistematice de filtrare

numerică. Datele de AOD sunt calculate pentru trei nivele de calitate: nivelul 1. (date ne-

filtrate), nivelul 1.5 (date filtrate faţă de acoperirea cu nori) şi nivelul 2.0 (date filtrate faţă de

acoperirea cu nori şi care îndeplinesc un set mai larg de condiţii de calitate).

Filtrarea faţă de acoperirea cu nori

Figura 2.2: Poziţiile aproximative pe glob ale fotometrelor solare din reţeaua AERONET


26

Această procedură constă în verificarea îndeplinirii a cinci criterii numerice, după cum

urmează.

1) Verificarea calităţii generale a datelor. Dacă AOD este mai mic decât –0,01 pentru

orice lungime de undă, valorile respective ale AOD sunt respinse. Se elimină datele de la

orice canal individual pentru care AOD < -0,01. Intrucât măsurătorile efectuate la elevaţii

unghiulare mici ale soarelui au şanse mai mari de contaminare noroasă şi pentru a nu

aglomera baza de date cu numere înregistrate în timpul secvenţelor de etalonare Langley, se

elimină automat AOD pentru factorul geometric (air mass) m > 5.

2) Criteriul stabilităţii la măsurătoarea triplă. O măsurătoare triplă efectuată cu un

radiometru de tip CIMEL constă în trei măsurători la intervale de jumătate de minut între ele.

Se presupune că AOD în coloana atmosferică totală ar trebui să varieze cu mai puţin de 0,02

într-un astfel de triplet, pentru toate lungimile de undă, dacă atmosfera este considerată

stabilă şi fără nori. Altfel spus, condiţia (τmax – τmin) < 0,02 pentru măsurători triple defineşte

valorile bune ale lui τ, adică elimină instabilităţile temporale de înaltă frecvenţă. Când

adâncimea optică de pătrundere este mare (ex. în condiţii de incendii masive sau atmosferă

cu turbiditate mare) se acceptă o variaţie în măsurătorile triple de maximum 0,03AOD.

Astfel, sunt acceptate măsurători cu o variabilitate de triplet care este mai mică decât

valoarea maximă dintre 0,02 şi 0,03AOD.

3) Criteriul stabilităţii diurne. Dacă deviaţia standard de la media AOD la lungimea de

undă de 500 nm (sau 440 nm dacă nu este disponibil canalul de 500nm) pentru o întreagă zi

este mai mică decât 0,015 (după verificarea variabilităţii la măsurătorile triple), atunci se

opresc testările ulterioare şi se accepta toate măsurătorile rămase.

4) Criteriul de netezire. Acest criteriu (aplicat în general unui şir temporal de date) este

bazat pe limitarea mediei pătratice a derivatei secunde în funcţie de timp. In cazul AOD,

prima derivată furnizează rata, pozitivă şi negativă, a variaţiei temporale. Derivata a doua

defineşte variabilitatea acestei modificări în timp şi, în consecinţă, este foarte sensibilă la

oscilaţiile locale ale AOD produse de nori: media derivatei secunde creşte substanţial în

prezenţa unor astfel de oscilaţii. Concret, criteriul se exprimă astfel:

2

1

22

2 2

2 2

2 1

1t

critic

t

tD dt D

t t t

, (1)

unde Dcritic este definit apriori şi corespunde variabilităţii maxime aşteptate a AOD.

5) Criterii de deviaţie standard. În aceasă etapă se verifică dacă valoarea obţinută în

vreo măsurătoare din şirul corespunzător unei zile cade în afara domeniului 3 din jurul

valorii medii a AOD la 500 nm. Se verifică acelaşi lucru şi pentru parametrul Ångström

estimat folosind o metoda de regresie cu cele mai mici pătrate în domeniul 440-870 nm.


27

Cele cinci criterii descrise mai sus sunt efectiv folosite într-un algoritm de filtrare rezumat

în schema logică din Fig. 2.3. Există două criterii esenţiale, ambele legate de variaţiile

temporale ale AOD. Cel determinat de măsurătorile triple se aplică variaţiilor de perioadă

redusă (un minut), iar celălalt (criteriul de netezire) se aplică perioadelor de variaţie de

ordinul orelor (pe întreaga zi). Condiţiile impuse variabilităţii diurne a AOD nu sunt excesive

şi nu influenţează prea mult calculul mediilor zilnice.

Trebuie notat totuşi că există şi limitări importante ale procedurii de filtrare. Astfel, având

în vedere că, formal, variaţiile temporale sunt identificate cu contaminări noroase, acest

algoritm va elimina cazuri de AOD măsurat în panaşuri variabile de aerosol (produse de

exemplu de surse punctuale intense de poluare). Pe de altă parte, datele culese prin sisteme

noroase stabile vor trece de filtrele algoritmului şi vor fi considerate ca necontaminate noros.

Pentru acest motiv, AERONET furnizează şi datele brute, de nivel 1.

Condiţiile de calitate îndeplinite de datele de nivelul 2 ale AERONET

Aşa cum s-a menţionat mai sus, datele de nivel 1.5 sunt cele rezultate din filtrarea faţă

de contaminarea noroasă, efectuată cu algoritmul prezentat anterior. Nivelul de calitate 2

presupune însă exigenţe suplimentare. Datele prezentate la acest nivel trebuie să treacă prin

următoarele etape de control:

1) Controlul funcţionării instrumentului. Se evaluează datele faţă de apariţia unor

funcţionări eronate ale instrumentului pe durata folosirii lui pe teren şi se determină cauzele

posibile (de exemplu, prezenţa apei pe fereastra aparatului, formarea de pânză de păianjen

în colimatori, sau urmărirea necorespunzătoare a soarelui).

2)Verificarea senzorului de temperatură. Se determină dacă senzorul de temperatură

are anomalii în funcţionare care pot afecta corecţia de temperatură pentru canalul de 1020

nm.

3)Verificarea calibrării. Se evaluează calibrările anterioară şi ulterioară instalării

instrumentului pe teren pentru a determina dacă au apărut degradări ale filtrelor sau

modificări neliniare ale constantelor de calibrare.

4)Verificarea dependenţei spectrale a AOD. Se examinează datele de AOD în raport cu

orice anomalii de dependenţă spectrală. De exemplu, pot apare creşteri rapide de

transparenţă în domeniul ultraviolet la primele ore ale dimineţii sau târziu după amiază,

datorate scurgerilor sau degradării filtrelor. De asemenea, pot apărea creşteri şi scăderi

bruşte ale AOD pe canalele UV datorită unor probleme de electronică.


28

5) Verificarea contaminării noroase. Această verificare se realizează cu algoritmul

prezentat anterior pentru filtrarea datelor de nivelul 1.5.

6) Verificarea consistenţei. Constă în inspectarea vizuală a datelor faţă de puncte

anormale şi în identificarea unor evenimente optice neobişnuite folosind informaţii ajutătoare

(exemplu imagerie MODIS, date LIDAR, retro-traiectorii etc.).

7) Verificarea impactului istoric al datelor. Se evaluează impactul noilor date asupra

climatologiei existente a aerosolului.

Figura 2.3: Schema logică a algoritmului aplicat de AERONET pentru filtrarea datelor fata de

contaminarea noroasă


29

2.3 Extragerea datelor de fotometrie solară obţinute prin reţeaua

AERONET

Accesând site-ul AERONET se pot găsi imediat legături pentru descărcarea de diverse

fişiere de date. Acestea sunt clasificate în date de AOD, date de inversiune, date de flux

solar, date privind culoarea apei oceanice şi o sinergie cu date obţinute prin alte metode

decât cele fotometrice. Fişierele de date se prezintă sub forma unor arhive din care se pot

cere părţi separate. Pentru descărcarea oricăror fişiere de date AERONET trebuie urmată o

secvenţă specifică de paşi, după cum urmează. După acceptarea condiţiilor de utilizare a

datelor, se descarcă arhiva corespunzătoare de tip .zip şi se decomprimă într-un director

separat. Se deschide un document MS Excel şi, din acest program, se deschide fişierul

decomprimat (Fig. 2.4).

Figura 2.4: Fereastra de selectare a fisierului de date care trebuie importat in Excel

Urmează o succesiune de interogări din partea Excel în scopul stabilirii formatului de

afişare a datelor (Text Import Wizard). La prima fereastră de interogare se alege „Delimited”

la tipul de fişier de date (Fig. 2.5).

În cea de a doua fereastră din cadrul Text Import Wizard se alege virgula ca separator

între diferitele câmpuri numerice (Fig. 2.6).

În finalul interogărilor din Text Import Wizard se indică formatul coloanei care indică

data calendaristică a măsurătorii (Fig. 2.7)


30

Figura 2.5 Fereastra în care se alege formatul separatorilor de camp numeric în Excel

Figura 2.6 Fereastra în care se alege separatorul de camp numeric în Excel


31

Figura 2.7 Fereastra în care se alege formatul coloanei care indică data calendaristică a

măsurătorii

Datele se obţin astfel intr-o foaie de lucru de tip Excel, care permite diferite prelucrări

elementare. Trebuie însă menţionat faptul că procesări avansate ale datelor sunt posibile

numai în medii de programare avansate, de tip Mathcad, Matlab sau Mathematica. Importul

datelor în unele din aceste platforme, direct din foaia de lucru Excel, poate fi imposibil.

Pentru a efectua astfel de transferuri este recomandată scrierea datelor în fişiere de tip text.

Acest lucru nu este însă posibil direct din Excel fără posibila apariţie a unor ambiguităţi

generatoare de erori. De aceea este necesară folosirea unui software intermediar, spre

exemplu OriginPro. Coloanele de date Excel se pot prelua cu copy si paste direct în foi de

lucru Origin, iar acestea din urmă se pot transfera în fişiere de tip text cu coloane bine

separate.

Parametrul principal determinat cu orice fotometru solar este adâncimea de pătrundere

optică determinată de aerosol (AOD). Particularitatea cea mai importantă legată de acest

parametru este faptul că instrumentele moderne permit măsurarea lui pentru un set

consistent de lungimi de undă (minimum 5, până la maximul realizat în prezent de 16). Este

bine cunoscut faptul că dependenţa spectrală a AOD conţine informaţii importante referitoare

la tipul şi dimensiunile aerosolului prezent în atmosferă.


32

În tabelele de date AERONET, AOD se prezintă pe coloane distincte, pentru fiecare

lungime de undă. Fiecare linie corespunde câte unei determinări, al cărui moment de

efectuare este înregistrat pe a doua coloană de date, după coloana cu datele calendaristice

în care s-au făcut măsurători. În coloana a treia este prezentat indicele iulian al zilei în care

s-a efectuat măsurătoarea (adică numărul de ordine al zilei, începând cu 1 de la prima zi a

lui ianuarie). Prezentarea AOD pe coloane distincte după lungimea de undă a canalului de

observare permite reprezentarea grafică directă a AOD în funcţie de timp, pentru fiecare

canal. O astfel de diagramă permite urmărirea evoluţiei în timp a AOD şi corelarea acesteia

cu alte tipuri de observaţii pentru determinarea cauzelor care duc la evoluţia încărcării

atmosferei cu aerosol. De exemplu, observarea unei creşteri a valorilor AOD pe toate

canalele de măsură în timpul unei zile poate fi atribuită unor advecţii de aer către zona în

care se fac măsurătorile. Dimpotrivă, creşterea AOD numai în zona lungimilor de undă mici

semnalează o acumulare de aerosol fin, posibil de origine antropică, rezultat dintr-un episod

de poluare. Posibilităţile de variaţie temporală a AOD sunt foarte numeroase şi necesită

fiecare o interpretare separată.

În afară de AOD, tabelele cu date de fotometrie directă AERONET cuprind şi o coloană

dedicată conţinutului de apa precipitabilă din atmosferă, care se determină prin observaţii pe

canalul specific de 940 nm.

Coloanele următoare sunt dedicate exponentului Ångström calculat pentru perechi tipice

de lungimi de undă (ex. 440-970 nm, 380-500 nm, 440-675 nm, 500-870 nm, sau 340-440

nm). Exponentul Ångström este obţinut cu formula [4]

1

2

1

2

ln

ln

(2)

pentru două lungimi de undă. Pentru interpretări mai precise, în cazul în care AOD este

obţinut pentru un număr suficient de canale, se calculează parametrul Ångström, definit prin

derivare spectrală:

ln

ln

d

d

(3)

Operaţia de derivare numerică este posibilă cu suficientă precizie numai după interpolarea

dependenţei spectrale a AOD. Din acest motiv, utilizarea unui număr cât mai mare de canale

de observare duce la creşterea preciziei de calcul a parametrului Ångström. Un astfel de

calcul trebuie efectuat de utilizatorii interesaţi, parametrul Ångström ne-fiind un produs


33

explicit al AERONET. Pentru a efectua un astfel de calcul este necesar un software mai

specializat decât MS Excel şi deci liniile de AOD trebuie exportate. Acest lucru se realizează

prin intermediul unor programe intermediare, cum ar fi OriginPro, după cum s-a explicat

anterior. Trebuie menţionat faptul că matricea AOD importată, de exemplu în Mathcad,

necesită o transpunere în vederea utilizării pentru calcului valorilor interpolate şi al derivatei

spectrale. În continuarea tabelelor de AOD sunt indicate pentru fiecare măsurătoare şi

numărul de determinări individuale efectuate în scopul calculării valorilor medii

corespunzătoare.

2.4 Produsele de fotometrie celestă obţinute prin AERONET

În afară de măsurătorile de fotometrie solară propriu-zisă, adică cele în care

instrumentul este perfect aliniat în direcţia soarelui, iar lumina se presupune că suferă doar

împrăştieri simple până la contactul cu radiometrul, informaţii extrem de utile se pot obţine şi

prin măsurători fotomertrice aureolare (fotometrie celestă, sau de împrăştiere multiplă). Acest

tip de determinări se efectuează cu instrumentul orientat către cer, sub un unghi mic faţă de

direcţia solară. Radiaţia patrunde astfel în colimator după ce a suferit cel puţin doua

împrăştieri pe suspensiile prezente în atmosferă. Extragerea informaţiei din astfel de date se

face prin utilizarea unui aşa-numit algoritm de inversiune. Pe scurt, prin acest procedeu, din

integralele ce leagă factorul de eficienţă a extincţiei la împrăştierea multiplă şi distribuţia

dimensională a aerosolului cu AOD, se obţine distribuţia dimensională. Trebuie menţionat

faptul că ipoteza de bază a algoritmului de inversiune este repartiţia modală a aerosolului. In

standardele AERONET se consideră că aerosolul atmosferic se grupează practic în două

moduri majore: modul fin (conţinând particule cu raze sub 0,6 m) şi modul grosier (cu

particule de raze peste 0,6 m şi sub 15 m).

Distribuţia dimensională a particulelor de aerosol nu este singurul produs al algoritmului

de inversiune. In combinaţie cu date de fotometrie solară (AOD), se pot obţine o serie de

proprietăţi optice ale aerosolului în coloana atmosferică totală. La baza algoritmului de

inversiune se află un set de ipoteze de model. Gradul de îndeplinire a acestor ipoteze în

situaţii practice este o măsură a calităţii rezultatelor algoritmului. Ipotezele avute în vedere

sunt prezentate mai jos.

Particulele de aerosol sunt presupuse de două categorii: sferice şi ne-sferice.

Componenta sferică este modelată ca un ansamblu polidispers şi omogen de sfere, al căror

indice de refracţie complex este acelaşi pentru toate particulele, de orice dimensiuni.

Componenta ne-sferică este un ansamblu polidispers de sferoizi (sfere alungite de-a lungul

unui diametru) omogeni orientaţi aleatoriu . Distribuţia raportului de aspect al sferoizilor este


34

fixată la cea obţinută de Dubovik et al. şi fitată pe întreaga matrice de împrăştiere a prafului

mineral (feldspat) măsurată în laborator de Volten et al..

Atmosfera este presupusă plan-paralelă.

Se presupune că aerosolul este distribuit omogen pe verticală în inversia cu almucantar.

In algoritmul de inversie cu plan principal se admite ca există doua straturi omogene de

aerosol.

Reflectanţa suprafeţei este aproximată de funcţia de distribuţie a reflectanţei

bidirecţionale (Bidirectional Reflectance Distribution Function, sau BRDF). Parametrii acestei

funcţii pentru diferite tipuri de suprafeţe sunt adoptaţi din standardele de teledetecţie

satelitară.

Erorile de optimizare statistică a inversiei şi a rezultatelor de inversie propriu-zise se obţin

în ipoteza că erorile sunt necorelate şi se distribuie după o funcţie log-normală. Această

optimizare statistică produce diferite nivele de precizie în măsurători. De exemplu, eroarea

statistică relativă a AOD este presupusă ca fiind 0,01, iar cea pentru măsurătorile de radianţă

celestă este considerată de 0,05.

Produsele algoritmului de inversiune se pot grupa în două categorii, după provenienţa

rezultatelor. Astfel, cantităţile obţinute direct din algoritmul de inversiune se referă la

proprietăţile microfizice ale aerosolului. Pe lângă acestea, există o serie de parametri care se

calculează din mărimile microfizice folosind teoria Mie a împrăştierii radiaţiei

electromagnetice pe particule aflate în suspensie. Aceştia formează categoria mărimilor

radiative.

Mărimi microfizice

Distribuţia dimensională a volumului de aerosol din coloana verticală de arie unitate,

ln

dV r

d r. Simbolul acestei mărimi este oarecum inconsistent din punct de vedere

dimensional, întrucât raza particulei de aerosol, r, cu dimensiune de lungime, apare

sub logaritm. De fapt, această scriere este o prescurtare pentru dV r

rdr

şi se

exprimă în μm3/μm2. Distribuţia este calculată într-o diviziune de 22 puncte logaritmic

echidistante, în domeniul 0,05 μm r 15 μm. Relaţia cu distribuţia dimensională a

numărului de particule de aerosol este următoarea: 34

ln 3 ln

dV r dN rr

d r d r .

Partea reală, n() şi imaginară k() a indicelui de refracţie complex al aerosolului

(1,33 n() 1,66; 0,0005 k() 0,5).

Procentul de particule sferice în aerosolul observat.

Diverşi parametri modali:


35

- Concentraţia volumică totală, pentru modul fin şi pentru cel grosier, exprimate

în μm3/μm2: max max

min min

lnln

r r

V

r r

dV r dV rC d r dr

d r dr .

- Raza mediană a distribuţiei dimensionale volumice, r, în varianta totală,

pentru modul fin şi pentru cel grosier:

max

min

max

min

ln

ln

r

r

r

r

dV rr dr

drr

dV rdr

dr

.

- Deviaţia standard totală, pentru modul fin şi pentru cel grosier:

max

min

max

min

2

ln

r

r

r

r

dV rrdr

r dr

dV rdr

dr

.

- Raza efectivă totală, pentru modul fin şi pentru cel grosier:

max

min

max

min

3

2

r

r

eff r

r

dN rr dr

drr

dN rr dr

dr

.

- Punctul de separare dintre modurile fin şi grosier. Acest punct este definit ca

raza pentru care distribuţia dimensională volumică este minimă.

-

Mărimi radiative

Albedoul de împrăştiere singulară, 0().

Funcţia de fază, P(; ), pentru 83 valori ale unghiului de împrăştiere.

Factorul de asimetrie, cos , pentru fiecare valoare a funcţiei de fază.

Fluxuri spectrale la partea de sus a atmosferei (top of the atmosphere, sau TOA) şi

la partea de jos a atmosferei (bottom of the atmosphere, sau BOA): fluxuri

direcţionate în jos, TOAF , BOAF

şi fluxuri direcţionate în sus, TOAF ,

BOAF . Fluxurile spectrale se calculează în bandă largă, prin integrare între 0.2

şi 4.0 μm. Calculele se bazează pe valorile indicilor de refracţie real şi complex

obţinute prin algoritmul de inversiune pentru lungimile de undă tipice AERONET. In

scopul integrării se efectuează interpolări/extrapolări ale dependenţei spectrale a

indicilor de refracţie. In mod analog, dependenţa spectrală a reflectanţei suprafeţei


36

se interpolează/extrapolează din valorile albedoului suprafeţei la lungimile de undă

ale radiometrului. Absorbţia gazoasă este luată în considerare folosind modelul

GAME (Global Atmospheric ModEl) de transfer radiativ.

- Fluxuri de bandă largă (exprimate în W/m2): direcţionate în jos, TOAF , BOAF

şi

direcţionate în sus, TOAF , BOAF

.

- Forcing radiativ (exprimat în W/m2): 0

TOA TOA TOAF F F ;

0

BOA BOA BOAF F F .

- Eficienţa forcingului radiativ (exprimată în W/m2): 0,55

eff TOATOA

FF

m

;

0,55

eff BOABOA

FF

m

.

2.5 Exemple de informaţie sintetică obţinută din datele

AERONET măsurate în Bucureşti de instrumentele 397 şi 359

Instrumentul AERONET nr. 397 este proprietatea INOE 2000 şi este un fotometru solar

robotizat, de tip CE 317, fabricat de compania CIMEL Electronique din Franţa. Are şapte

canale de observare solară şi celestă şi un canal pentru observarea apei precipitabile. Acest

instrument este instalat la sediul INOE 2000 din Măgurele, dar, începând de la sfârşitul lunii

iunie 2008 a fost oprit din motive de reorganizare a facilităţilor institulului. Instrumentul

AERONET nr. 397 este proprietatea Universităţii din Bucureşti şi face parte din Platforma de

Geoştiinţe din cadrul Centrului de Cercetare-Dezvoltare Materiale Polimere, Mezofaze şi

Metode Neconvenţionale de Protecţie a Mediului. Este un fotometru solar robotizat, de tip CE

318, fabricat de compania CIMEL Electronique din Franţa. Are opt canale de observare

solară şi celestă şi un canal pentru observarea apei precipitabile. Acest instrument a fost

instalat, temporar, începând cu luna iunie 2008, în incinta ANM Băneasa. Utilizând datele

trimise în reţeaua AERONET de acest instrument se pot evidenţia cu uşurinţă unele

particularităţi ale aerosolului Bucureştean. Astfel, în Fig. 2.8 sunt reprezentate datele de

distribuţie dimensională a aerosolului (medii diurne), determinate în anul 2008 de cele două

instrumente. Prin importul datelor în Mathcad 14 s-a putut realiza atât o reprezentare

tridimensională a distribuţiei în funcţie de raza aerosolului şi de ziua (conform calendarului

iulian) anului la care se referă măsurătorile. Mediul de programare Mathcad 14 permite atât


37

reprezentarea tridimensională a unui astfel de grafic, cât şi modificarea continuă a unghiului

de perspectivă asupra lui. In Fig. 8a este reprodusă o anumită orientare a graficului

tridimensional.

a) b)

Figura 2.8: Reprezentarea sintetică a mediilor diurne ale distribuţiei dimensionale a aerosolului Bucureştean pe durata anului 2008

Se poate observa, pe direcţia paralelă cu axa zilelor, că distribuţia are permanent o

forma bimodală, cu modul fin mai apropiat de privitor şi modul grosier către planul secund.

Se poate observa calitativ că ponderea relativă a celor două moduri variază în timp: există

perioade în care domină unul sau altul din moduri. De asemenea, se disting clar perioade în

care ambele moduri sunt mult amplificate, probabil din cauza unor advecţii. Situaţiile în care

modul fin domină faţă de cel grosier se pot asocia cu episoade de poluare. O localizare mai

precisă a acestor evenimente se poate face folosind o reprezentare prin curbe de nivel

(panoul (b) al Figurii 8), realizată tot cu Mathcad 14. Diferitele culori utilizate în figură disting

între valori numerice: culorile din partea albastră a spectrului corespund unor valori mai mici,

iar cele deplasate spre roşu unor valori mai mari. Din imaginea prezentată în Fig. 8b se

observă clar un episod de advecţie în zona Bucureşti în luna mai a anului 2008, când ambele

moduri de aerosol au crescut simultan în cantitate. Cu excepţia acestei situaţii, se observă în

general o uşoară dominanţă a modului fin, ceea ce semnalează prezenţa consistentă a

aerosolului antropic de tip urban.

O reprezentare sintetică asemănătoare se poate face pentru variaţia spectrală a AOD în

timp. In Fig. 9 sunt prezentate mediile diurne ale AOD măsurate cu fotometrul solar nr. 397

în a doua jumătate a anului 2008. Panoul (a) reprezintă dependenţa dublă, tridimensională, a

AOD de lungimea de undă a canalului de observare şi de momentul măsurătorii (indicele


38

zilei din calendarul iulian). Panoul (b) arată acelaşi lucru prin curbe de nivel colorate. Se

observă o creştere semnificativă a AOD pe aproape tot spectrul vizibil în perioada august-

septembrie, ceea ce înseamnă o prezenţă masivă de aerosol în ambele moduri. In general,

însă, aerosolul grosier, care intensifică mai ales AOD la lungimi de undă mari, pare sa fie

redus faţă de cel fin, care determină creşteri ale AOD la lungimi de undă mici. Această

situaţie confirmă observaţia, făcută anterior asupra distribuţiilor de aerosol, că există o sursă

relativ intensă de poluare antropică în zona investigată.

O posibilitate mai sugestivă de investigare o oferă studiul comparativ al încărcării cu

aerosol fin şi grosier cu variaţia AOD la cele două extremităţi ale spectrului. O astfel de

comparaţie este prezentată în Figura 10. Panoul (a) înfăţişează volumele de aerosol pe

unitatea de arie a coloanei verticale integrate separat pe cele două moduri şi prezentate în

datele AERONET furnizate de fotometrul solar nr. 397. Panoul (b) reprezintă AOD măsurat la

două lungimi de undă extreme: 380 nm şi 1020 nm. Pentru primul canal, AOD este influenţat

în mod esenţial de aerosolul fin, iar pentru canalul din extremitatea opusă a spectrului AOD

este determinat de aerosolul grosier. Corelaţiile dintre volumul de aerosol fin şi AOD la 380

nm pe de o parte şi volumul de aerosol grosier AOD la 1020 nm pe de altă parte sunt foarte

vizibile. De exemplu, în lunile iunie şi octombrie se observă o creştere importantă a cantităţii

de aerosol fin, faţă de cel grosier, ceea ce determină valori mari ale AOD la lungimi de undă

mici.

a) b)

Figura 2.9: Reprezentarea sintetică a mediilor diurne ale AOD în Bucureşti în a doua parte a anului

2008


39

220 240 260 280 300 3200.0

0.3

0.6

0.9

(b) AOD la 380 nm

AOD la 1020 nm

AO

D

Ziua anului 2008 (conform calendarului iulian)

0.00

0.05

0.10

0.15 Modul fin

Modul grosier

Vo

l. d

e a

ero

so

l (

m3/

m2)

(a)

Figura 2.10: Studiu comparativ între încărcărea cu aerosol fin şi grosier şi variaţia AOD la lungimi de undă din extremităţile spectrului

2.7. Rezumat

În această lucrarea sunt prezentate aspecte legate de construirea şi utilizarea bazei

de date AERONET. În prima parte sunt descrise procedeele de filtrare efectuate de

AERONET asupra datelor furnizate de reţeaua sa de fotometre solare. Nivelele de filtrare

utilizate împart produsele AERONET în trei calităţi: cele de nivelul 1.0, 1.5 şi 2.0. Fiecare din

aceste tipuri de date pot fi utilizate în proceduri specifice de analiză. Cum extragerea propriu-

zisă a datelor oferite online de AERONET este o problemă distinctă, sunt descrise

procedurile de dezarhivare şi de transfer în alte tipuri de software. Se face apoi o descriere a

produselor de fotometrie solară şi a celor de fotometrie celestă oferite de AERONET în baza

sa de date. În final, se exemplifică utilizarea şi prelucrarea datelor obţinute de două

instrumente AERONET în zona Bucureşti pentru realizarea unei imagini sintetice a încărcării

cu aerosol pe (aproximativ) durata anului 2008. În cadrul acestei lucrării, scopul este de a

deprinde modul de utilizare a datelor AERONET pentru a determina proprietăţile aerosolului

atmosferic.


40

Lucrarea 3

NEFELOMETRUL INTEGRAT

Nefelometrul integrat este folosit pentru determinarea proprietăţilor aerosolului

atmosferic.

Pentru a putea obţine informaţii cât mai corecte referitoare la bilanţul radiativ, este

necesară combinarea mai multor metode observaţionale, care să permită o analiză

temporală şi spaţială a aerosolului. Tipurile de măsurători posibile sunt măsurătorile in situ, la

distanţă, realizate în staţii fixate la sol şi în staţii mobile pe coloană (orizontal şi vertical). De

asemenea, există tipuri diferite de echipamente utilizate în cercetare, pentru monitorizarea

aerosolului şi a proprietăţilor acestuia.

Nefelometrul integrat şi fotometrul de absorbţie continuă a luminii, sunt două

echipamente utilizate pentru determinarea componentelor de împrăştiere, retroîmprăştierere

emisferică şi absorbţie a coeficientului de extincţie a luminii, în domeniul (0,35 – 0,90) m.

Deoarece umiditatea relativă este un factor care poate modifica proprietăţile optice ale

aerosolului, este foarte importantă determinarea factorului de creştere higroscopică pentru

componentele de împrăştiere şi retroîmprăştiere emisferică a coeficientului de extincţie a

radiaţiei de către aerosol. Acest coeficient poate fi determinat din măsurătorile realizate cu

nefelometrul integrat pentru controlul umidităţii.

Un alt parametru optic important, unul dintre parametrii cheie ai modelelor de transfer

radiativ, este adâncimea optică a aerosolului. Obţinerea acestui parametru pentru 7 sau 5

lungimi de undă în domeniul (0,35 – 0,90) se poate face cu fotometrul solar sau cu

radiometrul. Adâncimea optică a aerosolului poate fi obţinută pentru coloana de aerosol şi

din datele LIDAR – ului, (din engleză : Light Detection And Ranging), care este o tehnologie

optică "remote sensing" şi măsoară profilul vertical de împrăştiere a radiaţiei de către

aerosol.

Numărătorul de particule poate fi utilizat pentru determinarea densităţii numerice

totale (concentraţiei). Echipamentele cel mai des utilizate pentru obţinerea distribuţiei

dimensionale a numărului de particule în domeniul (0,05 – 5) , sunt analizorul diferenţial,

numărătorul optic de particule şi spectrometrul de particule aerodinamice. Parametrii şi

particulele, precum sunt densitatea masică a speciilor chimice importante, incluzând ioni,

carbon organic, carbon negru şi oligoelemete, pot fi obţinute din prelevarea de probe,

cromatografia ionică, combustia şi PIXE (în engleză : Proton – Induced X ray Emission


41

analysis). Măsurătorile ar trebui să fie obţinute în două fracţiuni dimensionale (sub – and

supermicrometer). Densitatea masică totală ar trebui deasemenea determinată.

Echipamentul nefelometrului integrat TSI 3653 (Carlson, 2005), aparţinând

Laboratorului de Fizica atmosferei al Facultăţii de fizică de la Măgurele, Bucureşti, a stat la

baza activităţii de cercetare ştiinţifică pentru determinarea proprietăţilor optice ale aerosolului

caracteristic zonei suburbane Măgurele (44,35N – 26,033E) şi reprezintă subiectul capitolului

de faţă. Acest echipament de măsurare in situ are posibilitatea de a determina direct

proprietăţile optice de împrăştiere şi retroîmprăştiere a radiaţiei de către aerosol şi indirect a

parametrului ̇ngstrőm, adâncimi optice şi a factorului de turbiditate.

În continuare vom prezenta principiul de funcţionare al acestui echipament şi modul

de realizare al calibrării şi mentenanţei echipamentului.

3.1 Principiul fizic de funcţionare

Nefelometrul TSI 3563, reprezentat în Fig. 3.1, este un echipament care poate fi

utilizat cu succes pentru studiul forcingului radiativ, sau pentru analiza calităţii aerului de la

nivelul solului în zonele curate. Din datele obţinute cu acest aparat, se poate obţine în mod

direct coeficientul total de împrăştiere şi retroîmprăştiere pentru 3 lungimi de undă. Aparatul

poate fi utilizat de asemenea ca detector analitic pentru particulele de aerosol, atunci când

parametrul de interes este coeficientul de împrăştiere a luminii pe particule, după o perioadă

de expunere la diverse procese, precum încălzirea, umidificarea, sau spargerea prin

dimensiune.

Figura 3.1. Nefelometrul 3563


42

Coeficientul de împrăştiere a luminii este un parametru al aerosolului, care variază

intens. Acest coeficient este evaluat prin utilizarea softului nefelometrului, care calculează

integrala unghiulară de împrăştiere a luminii de către proba de aerosol, pentru 3 lungimi de

undă şi anume 450, 550 şi 700 nm.

Procedeul de măsurare este următorul: nefelometrul absoarbe o probă de aerosol

atmosferic printr-o mică turbină (Fig. 3.2). Această probă este iluminată sub un unghi cuprins

între 70 – 1700, de către o lampă cu halogen, orientată printr-o ţeavă de lumină optică şi

difuzator de sticlă opacă. Proba este analizată de către 3 tuburi multiplicatoare (PMT) printr-o

serie de aperturi de-a lungul axei corpului principal al echipamentului. Filtrele dicroice din

faţa tuburilor PMT, împart şi direcţionează lumina care a fost împrăştiată de aerosol. Radiaţia

este direcţionată în 3 filtre "trece bandă", specifice lungimilor de undă de 450, 550 şi 700 nm.

Un disc de referinţă care se roteşte cu turaţie constantă, separă semnalul radiaţiei

pentru a obţine 3 semnale distincte. Prima secţiune a discului dă o valoare măsurată a

semnalului de lumină împrăştiată a aerosolului, valoare obţinută datorită deschiderii discului

rotativ. Cea de a doua zonă blochează integral lumina din detector şi dă o valoare măsurată

a curentului de întuneric PMT care apoi este scăzută din semnalul măsurat. Cea de a treia

arie este o zonă transparentă a discului, iluminată de lampa cu halogen, care oferă o valoare

a semnalului sursei de lumină. În acest fel, orice modificare a eficienţei sursei de lumină sau

a detectorului, este compensată.

Figura. 3.2 Schiţa nefelometrului


43

În procesul de retroîmprăştiere, declanşatorul retroîmprăştierii se roteşte sub lampă,

pentru a bloca lumina în domeniul 70 – 900. Atunci când lumina este blocată, numai lumina

retroîmprăştiată este transmisă în detectorii PMT. Pentru a obţine semnalul împrăştiat

înainte, din semnalul de împrăştiere total se scade semnalul de retroîmprăştiere. Când

această măsurătoare nu este de interes, declanşatorul retroîmprăştierii poate fi setat în

poziţia de împrăştiere totală.

Periodic, o valvă automată de la intrarea aparatului poate fi activată pentru a

diversifica proba de aerosol, printr-un filtru extrem de eficient HEPA. În acest fel se poate

obţine o valoare corectă a semnalului aerului curat pentru mediul local. Acest semnal trebuie

scăzut, împreună cu semnalul de întuneric al PMT, din semnalul împrăştierii aerosolului,

pentru a obţine doar semnalul împrăştiat de către proba de aerosol. Parametrii de

împrăştiere ai particulelor pentru toate cele 3 lungimi de undă din semnalul de împrăştiere

totală şi de retroîmprăştiere, sunt mediaţi continuu şi înregistraţi în memoria nefelometrului.

Datele sunt înregistrate în memoria echipamentului de măsură, cu ajutorul unei

aplicaţii software, numită NephLong, care este o aplicaţie PC implementată pentru achiziţia

şi înregistrarea continuă a datelor pe termen lung. Fereastra de realizare a setărilor de

măsurare este reprezentată în Fig. 3.3. Mai multe detalii despre funcţiile principale ale

aplicaţiei NephLong şi modul de utilizare al acestei aplicaţii, pot fi găsite în manualul de

utilizare al echipamentului.

Figura 3.3. Interfaţa programului NephLong

Pentru a putea analiza mai uşor datele înregistrate de către NephLong, se poate

utiliza softul NephWin, care este o aplicaţie PC realizată pentru a citi şi analiza datele

înregistrate ulterior cu aplicaţia NephLong. Softul NephWin are şi opţiunea de înregistrare a

datelor, însă pentru o scurtă perioadă de timp, mai mică de 24 ore, de aceea nu este la fel

de eficientă, din acest punct de vedere, comparativ cu aplicaţia NephLong. Funcţia cea mai


44

importantă a aplicaţiei NephWin este de a verifica rapid datele colectate anterior. De

asemenea, aplicaţia NephWin are opţiunea de reprezentare grafică a datelor afişate,

copierea datelor în calculator, sau printarea datelor.

Pentru a putea manipula mai uşor datele salvate cu ajutorul aplicaţiei NephLog, a fost

realizat un cod de programare pentru citirea fişierelor de date salvate şi calculul anumitor

parametri optici de interes, care pot fi obţinuţi din datele nefelometrului integrat. Pentru a

putea determina aceşti parametri este necesară cunoaşterea teoriei Mie şi a legii Beer-

Lambert, prezentate în capitolul 1.

Nefelometrul are capacitatea de a măsura coeficientul de împrăştiere a radiaţiei de

către volumul de aerosol absorbit în camera de măsurare şi de a genera termenii

corespunzători împrăştierii radiaţiei de către aerosol, eliminând componenta de împrăştiere

de tip Rayleigh din coeficientul de împrăştiere. Presupunând că termenul corespunzător

împrăştierii este mult mai mare decât cel al absorbţiei, pentru alte zone decât cele cu

concentraţii mari ale particulelor şi măsurând coeficientul de împrăştiere, se poate face o

bună estimare a concentraţiei particulelor de aerosol, în determinarea coeficientului de

extincţie. Coeficientul de absorbţie este de asemenea neglijabil.

Geometria de bază a nefelometrului integrat TSI a fost descrisă prima dată de către

Beuttel şi Brewer. Această geometrie integrează intensitatea luminii împrăştiate aproape de

4 steradiani şi oferă o bună aproximare a componentei de împrăştiere a extincţiei.

Lumina împrăştiată de particule mai mici de 0,05 este descrisă în termeni relativ

simpli prin teoria Rayleigh. Particulele mai mari de 10 pot fi descrise în cadrul opticii

geometrice. Particulele cu dimensiuni cuprinse între aceste valori pot fi analizate cu ajutorul

teoriei de împrăştiere Mie. Studiul împrăştierii acestui tip de particule este mai dificil de

descris, deoarece dimensiunea particulei şi lungimea de undă a luminii, au acelaşi ordin de

mărime. Oricum, dacă considerăm că aerosolul este polidispers, cum este cazul aerosolului

atmosferic, dependenţa de lungimea de undă în regiunea Mie, este dictată de distribuţia

dimensională şi poate fi analizată într-o formă mai simplă a teoriei Mie.

Determinarea coeficientului ̇ngstr ̈m permite înregistrarea continuă a variaţiei

distribuţiei dimensionale faţă de estimarea variaţiilor lui (retroîmprăştierii).

Aşadar, pentru , adică pentru 600 nm şi d , teoria Rayleigh este

valabilă. Intensitatea împrăştierii Rayleigh este proporţională cu a şasea putere a diametrului

particulei şi invers proporţională cu puterea a patra a lungimii de undă incidentă.

Pentru , unde diametrul particulei şi lungimea de undă sunt de acelaşi ordin de

mărime şi anume (0,1 – 1) , împrăştierea aerosolului atmosferic poate fi descrisă de


45

funcţia legii de putere, care este determinată de către panta distributiei numerice a graficului

log-log.

Un alt parametru care poate fi determinat din analiza datelor cu nefelometrul este

grosimea optică a aerosolului (AOD( o mărime a concentraţiei aerosolului pe coloană,

care depinde de lungimea de undă şi este un parametru standard, măsurat de fotometrul

solar. Dependenţa acestei mărimi de lungimea de undă a radiaţiei incidente este destul de

complicată, datorită diversităţii componentelor atmosferice. Între limite destul de largi, se

poate folosi ecuaţia turbidităţii.

Determinarea parametrului ̇ngstr ̈m este posibilă doar prin folosirea unui număr

mare de canale spectrale, suficient pentru o interpolare precisă a curbei şi efectuarea

derivatei numerice în ecuaţia respectivă. Parametrul ̇ngstr ̈ reprezintă panta dependenţei

spectrale a turbidităţii. În spectrul solar, parametrul ̇ngstr ̈m este un indicator al dimensiunii

particulelor din atmosferă, care determină AOD-ul. Astfel, pentru particulele au

dimensiuni mici, aerosolii sunt submicronici, în timp ce pentru , particulele probei de

aerosol sunt de dimensiuni supramicronice.

Raportul de retroîmprăştiere este un alt parametru care poate fi determinat direct

din datele nefelometrului.

Pentru analiza lucrării de faţă au fost realizate setări specifice ale nefelometrului.

Pentru captarea aerului a fost utilizat un tub de teflon fără şicane, cu un diametru de

aproximativ 10 cm şi o înălţime de 5 m, faţă de echipamentul plasat la o înălţime de 10 m

faţă de sol, cu 1,5 m deasupra acoperişului clădirii. Orificiul de acces este protejat ca să nu

intre insecte sau picături de ploaie. A fost utilizat teflonul pentru tubul de extragere a probei

de aerosol, pentru a minimiza pierderile de aerosol datorate fenomenului electrostatic,

teflonul fiind un material care limitează încărcarea electrostatică.

Deoarece dimensiunea particulelor este foarte sensibilă la variaţia umidităţii, a fost

monitorizată umiditatea relativă din interiorul echipamentului, iar rezultatele sunt reprezentate

în figura 4. Dacă umiditatea relativă din interiorul instrumentului este sub 50 % , atunci proba

de aerosol analizată poate fi considerată uscată (Targino, 2005). De asemenea, proprietăţile

de împrăştiere a radiaţiei de către aerosol, sunt influenţate de umiditate doar dacă aceasta

depăşeşte pragul menţionat anterior (Anderson şi Ogren, 1998). Pentru nefelometrul integrat

TSI 3653 din Laboratorul de Fizica atmosferei, valorile RH s-au menţinut sub 50 %. Prin

urmare, valorile coeficienţilor de împrăştiere totală şi retroîmprăştiere, nu au fost afectate de

aceste valori. În consecinţă, măsurătorile au fost realizate fără a aplica procedura de uscare

a aerosolului şi fără a aplica nici o secţionare a domeniului dimensional.


46

Figura 3.4 Dependenţa coeficientului de retroîmprăştiere de umiditatea relative pentru anul 2009. Au fost folosite valorile diurne ale coeficientului de retroîmprăştiere şi umiditate relativă (Mihai şi Ştefan, 2011).

3.2 Calibrarea şi mentenanţa nefelometrului

Pentru a menţine performanţa nefelometrului este recomandată realizarea unor

verificări periodice şi etalonarea echipamentului, ori de câte ori este necesar, cu ajutorul a

două gaze şi anume CO2 şi aer, recomandate în literatură (Anderson şi Ogren, 1998).

Aplicaţia NephWin conţine opţiunea de calibrare a nefelometrului integrat faţă de

datele obţinute într-o calibrare anterioară. Astfel, pentru etalonarea sau reetalonarea

echipamentului se alege comanda "Calibration" din meniul Run al aplicaţiei NephWin. Forma

ferestrei deschise în cazul selectării operaţiei de etalonare este reprezentată în Fig. 3.4. În

partea superioară a ferestrei sunt afişate setările etalonării curente, colectate în nefelometru

şi orice setare nouă a etalonării, nesalvată încă în nefelometru. Secţiunea de mijloc a

ferestrei afişează datele etalonării în frecvenţă pentru gazele considerate "low span" şi "high

span" la fiecare lungime de undă. Datele de etalonare sunt afişate în această fereastră atât

pentru modelul de împrăştiere totală, cât şi pentru cel de retroîmprăştiere. Secţiunea de jos a

ferestrei prezintă paşii necesari pentru etalonarea nefelometrului. Aceşti paşi trebuie urmaţi

exact în ordinea indicată.

Etalonarea nefelometrului se poate realiza cu ajutorul a 2 gaze span şi comparând

rezultatele pentru aer (low span) şi CO2 (high span). Înaintea unui experiment important,

nefelometrul trebuie să fie etalonat. De asemenea, trebuie să fie etalonat periodic pentru a


47

verifica dacă a apărut vreo modificare a setărilor. În cazul în care discul rotitor de referinţă

este murdar sau zgâriat, sau în cazul în care se curăţă acest disc ca parte periodică a

mentenanţei, se realizează etalonarea echipamentului. Tasta "Graph Meas Data" permite

observarea grafică a datelor de variaţie span, în timpul realizării etalonării. În acest fel se

poate observa când este eliminat aerul din echipament şi înlocuirea acestuia cu CO2.

Setarea sau resetarea timpului de mediere, fără a intra în secţiunea de setări a

nefelometrului, este activată de către "New Avg Time". Se poate selecta un timp de mediere

scăzut pentru a avea un timp de răspuns mai bun, în ceea ce priveşte eliminarea aerului şi

înlocuirea acestuia cu CO2 . În cazul în care, pentru monitorizarea aerosolului este aleasă o

valoare redusă a timpului de mediere (5 secunde) pentru perioada de eliminare a gazului,

această valoare va fi înlocuită, pentru etalonare, cu o valoare mai mare (300 secunde),

deoarece un timp de mediere scăzut, poate genera mult zgomot, care poate conduce la o

etalonare imperfectă.

Figura 3.5 Fereastra de afişare a datelor de etalonare a nefelometrului


48

Parametrii setaţi pentru etalonare sunt: punctele de etalonare, constantele de

etalonare, tensiunile PMT dorite şi eticheta de etalonare. Fereastra de setare a parametrilor

de etalonare este reprezentată în Fig. 3.6.

Figura 3.6 Fereastra de setare a parametrilor de etalonare a nefelometrului

Punctele de etalonare permit etalonarea celor 4 senzori interni K1 – K4 (al presiunii

barometrice, al temperaturii de intrare, al umidităţii relative şi al temperaturii probei). Mai

multe informaţii referitoare la parametrii de etalonare pot fi găsite în Manualul de Utilizare al

Nefelometrului.

Înainte de începerea etalonării trebuie setate proprietăţile gazului din cavitatea

nefelometrului. Gazul trebuie adus la temperatura camerei, temperatură atinsă şi de

nefelometru. O modalitate de a îndeplini această condiţie este de a utiliza între nefelometru

şi butelia de gaz un tub de (6 – 9) m lungime şi 6 mm diametru. Lungimea tubului afectează

temperatura gazului CO2 . Se utilizează gazele ca etaloane numai în zonele bine ventilate,

sau cu posibilitatea de eliminare a gazelor în exterior. Multe gaze utilizate ca etaloane pot

cauza asfixie în camerele neaerisite. În trecut, nefelometrele se etalonau folosind aer şi

CFC-12, obţinându-se o gamă largă de coeficienţi de împrăştiere (de la 1 la 15 ori ).

După restricţiile impuse de către Protocolul Montreal, au fost propuse pentru etalonare

diverse gaze de mare anvergură, precum CO2 , CFC-22, HFC-134a, SF6 . Proprietăţile fizice

ale acestor gaze sunt date în tabelul 1. Din analiza rezultatelor etalonărilor, s-a constatat că

CO2 este cea mai bună alegere. Această variantă a rezultat din faptul că răspunsul

nefelometrului 3563 se ştie că este unul clar liniar, astfel încât singura problemă ar fi de a

stabili panta liniei de calibrare cu o acurateţe maximă. Acest lucru depinde însă de statisticile

de măsurare a fotonilor din timpul etalonării gazului şi de precizia determinării coeficienţilor

de împrăştiere a radiaţiei de către gaz. Statistici echivalente referitoare la numărarea


49

fotonilor, pot fi obţinute cu oricare din gazele de mare anvergură, ajustând timpul de

măsurare.

Nefelometrul converteşte numărul de fotoni în coeficienţi de împrăştiere şi

retroîmprăştiere , cu ajutorul expresiilor:

, (1)

(2)

unde este panta de etalonare, şi

sunt constantele de împrăştiere pe

perete pentru împrăştierea totală şi retroîmprăştiere, iar este coeficientul

de împrăştiere, măsurat pentru aerul uscat standard, dependent de temperatura T şi

presiunea p. Mărimile şi reprezintă numărul de fotoni normat pentru împrăştiere şi

respectiv retroîmprăştiere (normalizarea corectează pentru drift-ul lămpii şi măsurarea

întunericului). Constanta este aceeaşi pentru împrăştierea totală şi retroîmprăştiere.

Valorile tipice pentru la toate cele 3 lungimi de undă, trebuie să fie cuprinse în domeniul

2E-3 – 8E-3 (Sheridan şi Ogren, 2006). Constanta , care este raportată la valoarea

volumului împrăştiat în timpul măsurării retroîmprăştierii, trebuie să aibă valori cuprinse în

jurul lui 0,5 .

Coeficienţii de împrăştiere ai aerului şi ai CO2 sunt cel mai bine cunoscuţi pentru

etalonarea gazelor. Incertitudinile prezentate în tabelul 1 sunt bine cunoscute pentru CO2, dar

mai puţin cunoscute pentru celelalte gaze. De exemplu, o influenţă majoră asupra

coeficientului de împrăştiere o are factorul de depolarizare, care a fost repetat pentru aer şi

CO2 (vezi Young, 1980) în ultimii 100 de ani, dar a rămas necunoscut pentru celelalte gaze.

Gazele alternative au însă avantaje din punctul de vedere al timpului de achiziţie a probei

(coloana 4 a tabelului 1), ceea ce poate fi important în unele experimente.

Aceste avantaje vor fi însă mult diminuate atunci când se ia în considerare

necesitatea de curăţarea a echipamentului şi a liniilor de intrare înainte de utilizarea

nefelometrului, pentru măsurările aerului şi ale gazelor cunoscute (coloana 5 din tabelul 1).

Faţă de celelalte metode, etalonarea echivalentă precisă cu CO2 este mult mai ieftină.

Dacă punem la un loc măsurătorile de aerosol cu măsurătorile de aer şi CO2, se obţine

răspunsul imediat şi foarte precis al echipamentului şi poate fi determinată corecţia drift-ului

de etalonare.


50

Tabelul 1 Evaluarea etalonării alternative a gazelor de mare anvergură

Costul în mai Rata de Timpul de măsurare Măsurarea cu aerul şi

gazul cunoscut utilizat

1997 împrăştiere pentru gazele

Timpul Cost

($/kg) folosind aerul cunoscute (min.) total (min) ($)

CO2 0,34 2,59 0,9% 30,0 110 0,5

CFC-22a 5,3 7,7 2% 7,2 87 5,0

HFC-134ba 9,2 7,3 7,6 88 10,6

SFb 49,0 6,8 2% 8,3 88 38,0

Se realizează înregistrarea zgomotului înstrumentului şi a drift-ului de răspuns,

informaţii care pot fi utilizate pentru a evalua precizia măsurării. Cea mai bună estimare a

coeficientului de împrăştiere a particulelor, numită , ia în considerare drift-ul de

etalonare. Dacă se consideră că această mărime are o relaţie liniară faţă de coeficientul de

împrăştiere măsurat, , atunci se poate scrie

, (3)

unde O şi S sunt corecţia şi respectiv, panta schemei de corecţie liniară. Aceste mărimi pot fi

determinate din măsurătorile asupra aerului şi CO2 , conform relaţiilor :

, (4)

, (5)

unde k şi m fac referire la coeficientul de împrăştiere cunoscut (Tabelul 1) şi respectiv

coeficientul de împrăştiere măsurat de către nefelometru, pentru gazul considerat. Este

necesar să ne amintim că valoarea raportată de nefelometru include o sustragere automată

a lui , bazată pe temperatura şi presiunea măsurate, şi devine egală cu zero

pentru un nefelometru perfect calibrat. Ambii coeficienţi şi anume şi , se

presupune că ar fi mediaţi pe o perioadă mai mare de timp (30 min). Valorile impuse de

ecuaţiile precedente, pot fi calculate din datele tabelului 1, coloana 3 şi din valorile

temperaturii şi presiunii măsurate, folosind relaţia:

, (6)


51

unde S indică eroarea pantei fracţionale şi O indică eroarea corecţiei (în unităţi Mm-1 ), pentru

toţi cei 6 parametri măsuraţi.

Zgomotul echipamentului poate fi măsurat empiric folosind CO2 şi aer pur, cu

expresia:

, (7)

unde se constată că deviaţia standard calculată este funcţie de timpul mediu . Zgomotul

nefelometrului este atribuit incertitudinii măsurării fotonilor, care este estimată ca fiind egală

cu unu supra rădăcina patrată a numărului total de fotoni, pentru un timp de mediere dat

(Anderson, 1986). Acest lucru permite ca nivelul de zgomot, determinat cu gazele

menţionate mai înainte, să fie utilizat pentru determinarea nivelelor de zgomot pentru

coeficienţi de împrăştiere şi timpi de mediere arbitrari, astfel:

( ) ( )√

√

, (8)

unde factorul 2 produce o incertitudine estimată la factorul de confidenţă de 90%, şi

sunt coeficienţii de împrăştiere ai aerului şi gazului măsurat, iar W este constanta de

împrăştiere pe perete, determinată în timpul etalonării nefelometrului. Împrăştierea radiaţiei

pe peretele nefelometrului poate fi calculată din valorile date de producător în fişierul de

configurare al echipamentului generat după fiecare etalonare, astfel:

(9)

, (10)

unde şi sunt valorile împrăştierii şi respectiv ale retroîmprăştierii pe peretele

echipamentului, şi sunt valorile afişate "Zero Baseline" pentru împrăştierea totală şi

respectiv pentru retroîmprăştiere, este valoarea afişată pentru împrăştierea Rayleigh

(aceasta fiind , ajustat cu temperatura şi presiunea), este factorul de etalonare afişat

pentru retroîmprăştiere. Toţi aceşti parametri există pentru fiecare dintre cele 3 lungimi de

undă disponibile pentru echipament.

Pentru măsurări multiple ale gazelor de etalonare în timp, incertitudinea aplicată

oricărei măsurători a lui datorită drift-ului de etalonare, , poate fi calculată după

expresia

( ) √ , (11)


52

unde şi sunt deviaţiile standard ale lui O şi S pentru determinări multiple, iar factorul 2

este utilizat, precum se face în ecuaţia (11), pentru a produce un nivel de încredere a

incertitudinii de 90 %. Această cantitate ar putea fi calculată de asemenea din măsurători

multiple, realizate în timp înlocuind O cu W (mărimi definite în ecuaţiile (7) şi (8)) şi S cu

constanta de etalonare a producătorului K2.

Mărimile din ecuaţiile (7) şi (8) pot fi combinate într-o estimare a incertitudinii de

precizie, astfel:

( ) √

. (12)

Valoarea acestei cantităţi permite compararea diferitelor măsurători ale

nefelometrului, separate în timp şi spaţiu. Această comparaţie ne poate spune dacă

diferenţele dintre măsurătorile nefelometrului sunt semnificative pentru proprietăţile optice ale

aerosolului, sau nu. Când se măsoară gazele de etalonare, nivelele de zgomot pentru cei 6

parametri pot fi păstrate la 1% , utilizând timpi de măsurare de 60 de minute pentru aer şi 30

de minute pentru CO2 . Aceste măsurări trebuie să fie precedate de curăţarea nefelometrului

şi a liniilor de intrare, astfel încât întreaga procedură durează aproximativ 2 ore.

Un numărător de particule, montat în josul nefelometrului, oferă o verificare excelentă

pentru curăţarea neadecvată a echipamentului. În mod similar, monitorizarea internă a RH

este utilă pentru verificarea contaminării vaporilor de apă (difuzia de apă de pe pereţi şi/sau

de pe filtre). Măsurările de gaz ar trebui să fie repetate de câte ori este necesar şi menţinute

valorile pentru S, O, .

Prelevarea selectivă de particule a fost implementată prima dată de către White

(1994). Această selecţie creşte dramatic conţinutul informaţiei măsurătorilor nefelometrului

din două motive şi anume:

* Modurile de particule fine şi grosiere sunt în general fenomene independente

(Whitby, 1978), cu surse şi timpi de viaţă atmosferici separate.

* Răspunsul nefelometrului este foarte diferit pentru modul de particule fine şi modul

de particule grosiere, deoarece o fracţiune mult mai mare din împrăştierea luminii în modul

grosier este concentrată în lobul aproape înainte care, datorită limitărilor de design, nu este

sesizată de către nefelometru.

Când nefelometrul este utilizat pentru studiile bilanţului de extincţie, factorii de

corecţie ar trebui să fie aplicaţi pentru a calcula efectele imperfecţiunilor unghiulare şi în

primul rând, trunchierea împrăştierii aproape înainte.


53

Deoarece semnalul nefelometrului (rata de numărare a fotonilor) constă în măsurarea

relativă a coeficientului de împrăştiere, calitatea măsurătorilor de aerosol depinde în mod

fundamental de cât de bine este înţeles răspunsul echipamentului la gazele de etalonare. De

aceea, este recomandat să fie realizate verificări frecvente ale răspunsului nefelometrului cu

buteliile de aer şi de CO2 , pentru menţinerea performanţei echipamentului.

La etalonare se aplică ecuaţiile (3) şi (4), din care se obţin coeficienţii K2 şi K4 astfel:

(13)

(14)

Valorile împrăştierii pe perete pot fi determinate şi ajustate între calibrări printr-o

procedură de zero, prin care în nefelometru este introdus aer filtrat, astfel:

, (15)

, (16)

unde z reprezintă numărul de fotoni, sau coeficienţii de împrăştiere pentru aerul filtrat, aerul

"zero". Încertitudinea etalonării este dată de expresia:

( ) [

]

[

]

[

]

, (17)

unde primul termen reprezintă incertitudinea numărului de fotoni din timpul măsurătorii şi

procedurii de zero, al doilea termen este incertitudinea numărului de fotoni din timpul

etalonării, iar ultimul termen este incertitudinea asupra coeficientului de împrăştiere a gazelor

de etalonare.

Incertitudinea relativă datorată densităţii gazului poate fi determinată cu relaţia:

[

]

(

) . (18)

Incertitudinile datorate coeficientului de împrăştiere sunt de 0,42 % pentru aer şi de

0,95 % pentru CO2 (Anderson şi alţii, 1996).


54

Aerul este considerat întotdeauna aer standard uscat. Efectul combinaţiilor

moleculare asupra coeficienţilor de împrăştiere este o funcţie de schimbările indicelui de

refracţie şi ale factorului de depolarizare, fiind exprimat prin relaţia:

, (19)

unde se referă la aerul uscat standard iar face referinţă la aerul cu diferite

compoziţii moleculare. Owens în 1997 a specificat că deviaţiile semnificative faţă de aerul

uscat standard, provin din prezenţa vaporilor de apă. Prin urmare putem scrie:

, (20)

unde este presiunea de saturaţie a vaporilor de apă la temperatura T , e este

presiunea vaporilor de apă şi p este presiunea totală. Dacă umiditatea ar fi de 30%, atunci

s-ar modifica cu – 0,39% 0,06% faţă de aerul uscat , în timp ce, pentru RH = 85% ,

s-ar modifica cu –1,1% 0,2% (Anderson şi alţii, 1996). Pentru valori date ale lui RH, acest

efect este diminuat rapid la temperaturi scăzute şi creşte rapid la temperaturi ridicate,

datorită puternicei neliniarităţi a funcţiei . Dacă se foloseşte aer uscat, iar procedura de

zero cu aer ambiental, erorile devin neglijabile. Dacă nu este disponibil aer uscat, atunci

poate fi calculat un factor de corecţie cu ecuaţia (6), pentru valorile măsurate de

nefelometru ale mărimilor T şi RH.

Rezultatele măsurătorilor realizate cu nefelometrul pot fi corectate de efectul umidităţii

asupra coeficientului de împrăştiere cu ajutorul relaţiei (Nessler şi alţii, 2005):

𝜉 (

, (21)

pentru care se pot scrie relaţiile:

𝜉

, (

) ∑

, . (22)

Valorile corespunzătoare polinoamelor pentru vară şi iarnă se regăsesc în articolul lui

Nessler şi alţii, din 2005.

În plus faţă de cele menţionate anterior, măsurătorile nefelometrului pentru şi

conţin erori sistematice, datorită nonliniarităţii unghiulare şi de lungime de undă. Factorul de

corecţie C corespunzător nonliniarităţilor unghiulare, poate fi determinat astfe:


55

, , , unde

. (23)

unde este exponentul lui ̇ngstr ̈m.

Dacă se combină efectul umidităţii cu cel al nonidealităţii unghiulare, funcţia de

parametrizare devine:

𝜉 (24)

În ceea ce priveşte dependenţa de dimensiune a particulelor, acestea ar putea fi

excluse în mod grosier şi periodic din volumul probei.

3.3 Modul de lucru cu nefelometrul integrat TSI 3653

Scopul măsurătorilor constă în verificarea periodică, (odată pe lună), a corectitudinii

datelor măsurate cu nefelometrul integrat TSI 3653, descris mai înainte.

Materialele necesare pentru măsurători sunt următoarele :

* Camera de praf

* Capacele roşii de acoperire a intrării şi ieşirii aerului în şi din nefelometru

* Aer comprimat foarte uscat şi uscat

* Filtru HEPA suplimentar

* Şurubelniţa şi alte scule ajutătoare

Etapele modului de lucru sunt următoarele :

* Se opreşte colectarea datelor nefelometrului din soft-ul Nephwin

* Se deconectează nefelometrul de la sursa de alimentare

* Se scot cu grijă toate cablurile de legătură dintre nefelometru şi sursa de alimentare,

precum şi cele dintre nefelometru şi PC

* Nefelometrul trebuie dus într-o cameră curată, unde trebuie să existe posibilitatea

de utilizare a aerului comprimat pentru curăţarea părţii interioare a aparatului

* Se scot toate şuruburile care susţin cele două carcase ale nefelometrului

* După îndepărtarea celor două carcase ale nefelometrului, se poate vedea în

interior un tub cilindric, în care se află camera de măsurare ("measurement volume"),

constituit din două părţi cilindrice susţinute prin şuruburi

* Se scot cu grijă toate cablurile dintre cele două părţi şi şuruburile de legătură


56

* Într-una dintre cele două părţi ale camerei de măsurare, se află un carton negru.

Acesta trebuie scos cu grijă şi verificat dacă este curat

* Atât pentru curăţarea cartonului, cât şi pentru curăţarea interiorului celor doi cilindri,

se foloseste aerul comprimat, foarte curat şi uscat

* După curăţare, cartonul este asezat cu grijă înapoi în cilindru, astfel încât chopper-ul

de referinţă să nu fie blocat sau atins

* După curăţarea interiorului, se reasamblează cei doi cilindri şi se reconectează

cablurile dintre ei

* Se conectează nefelometrul la sursa de alimentare şi la PC sau Laptop

* Se pornesc sursa de alimentare şi PC-ul

* Se porneşte soft-ul NephWin (Run Terminal mode)

* Se verifică parametrii setaţi anterior pentru nefelometru (a se vedea în manual

specificaţia acestora). Verificarea se realizează prin scrierea parametrului "Terminal Mode şi

ENTER". Va fi afişată valoarea anterioară. Pentru modificarea unuia dintre parametri, se

scrie parametrul respectiv şi valoarea nouă, de exemplu, sta60.

* Se salvează şi apoi se închide 'terminal Mode".

* La intrarea echipamentului şi filtrului HEPA (suplimentar sau total) se conectează un

furtun foarte lung.

* Se setează valoarea 100 pentru rata de curgere a aerului în aparat prin Config

Nephelometer Blower : 100 .

* Se notează in caietul de mentenanţă data şi ora începerii achiziţiei.

* În soft NephWin Run se porneşte achiziţia datelor .

* Log Data – se salvează fişierul care trebuie să aibă data în care se realizează

verificarea : ddMMyy.dat .

* Se lasă şa se achiziţioneze aproximativ 10 minute, până când se observă că valorile

achiziţionate sunt practic constante (apropiate de zero).

* Se apasă Pause logging, pentru a opri măsurarea de zero şi se notează ora

opririi de zero.

* Se setează valoarea 0 pentru rata de curgere a aerului în aparat prin Config

Nephelometer Blower : 0 şi se acoperă ieşirea nefelometrului cu capacul roşu.

* Un furtun foarte lung, sau un tub de cupru lung, se montează între butelia de CO2 şi

filtrul albastru al nefelometrului.

* Intrarea nefelometrului se deconectează de la filtrul HEPA suplimentar.


57

* Se setează rata de curgere a CO2 din butelia de 4 l /min şi se notează ora începerii

achiziţiei de CO2 .

* Se porneşte achiziţia de CO2 prin Data collection Resume, se lasă să

achiziţioneze 10 min.

* Urmează Data collection Pause, Stop Load data şi : Open Log File

ddMMyy.dat Copyprint Disk lile, Tab, .tsv salvare fişier cu extensie .tsv .

* În NepheWin se resetează în Terminal Mode rata de curgere a aerului în

nefelometru la 14 l /min : medierea la 600 s : sta600, perioada de blank la 60: stb60,

stp3600, măsurarea de zero: stz300.

* Save

* Fişierul poate fi deschis în Excel pentru verificarea datelor măsurate şi se

calculează erorile de măsurare.


58

Lucrarea 4

CEILOMETRUL ̈ ̈ ̈ CL - 31

Ceilometrul CL – 31 este un mini-lidar care poate măsura baze de nori în mod

continuu. Aparatul se poate folosi în mod operativ pe aeroporturi, dar şi pentru cercetare

ştiinţifică în fizica norilor. Sistemul Lidar, care stă la baza echipamentelor de teledetecţie,

cum este şi ceilometrul, are o istorie pe cât de interesantă, pe atât de importantă pentru

ştiinţa şi tehnica secolelor XX şi XXI.

4.1 Scurt istoric

Sistemul LIDAR (în engleză : Light Detection and Ranging) este analog sistemului

radar, dar spre deosebire de acesta, în loc de radiaţie în domeniul microundelor, foloseşte

radiaţie luminoasă. Introducerea principiului LIDAR datează dinainte de apariţia laserului. În

anul 1930 au fost făcute primele măsurători ale profilelor densităţii aerului în atmosferă, din

determinări ale intensităţii de împrăştiere a unui fascicol de lumină (Synge, 1930). În anul

1938, pulsurile de lumină au fost folosite pentru prima dată la măsurarea înălţimii bazei

norului (Young şi alţii, 1983). Dezvoltarea rapidă a tehnologiei LIDAR moderne începe odată

cu inventarea laserului în anul 1960 (Theopold şi alţii, 1990). Fiocco şi Smullin au publicat

primele rezultate ale observaţiilor atmosferice obţinute cu laserul cu rubin în anul 1963

(Ansmann, 1985). Prima carte despre tehnica LIDAR a fost editată de E. D. Hinkley în anul

1976 (Theopold şi alţii, !993). Succesul dezvoltării tehnicii LIDAR este strâns legat de

progresul înregistrat în tehnologia optică şi electronică, în particular în tehnologia laser.

Laserul are un potenţial enorm pentru cercetarea atmosferei şi monitorizarea calităţii aerului

prin analizarea unei părţi a radiaţiei solare emise, care este reflectată înapoi către instrument

de către particulele din atmosferă. Începând din anul 1990, în special în USA şi Canada,

observaţiile de la suprafaţă obţinute prin măsurători automate la mare depărtare, se

realizează cu aparate LIDAR, având un design optic nou, numite ceilometre, care au

avantajul că permite monitorizarea continuă a atmosferei.


59

4.2 Teoria de bază LIDAR

La fel cu toate sistemele LIDAR, ceilometrul Cl-31 conţine o sursă laser şi un

receptor. Pulsul laser are o durată de ordinul nanosecundelor. Acest puls este transmis în

atmosferă şi la întâlnirea unei particule de aerosol este împrăştiat şi direcţionat înspre

receptorul LIDAR-ului.

În cazul ceilometrului, lungimea de undă a fascicolului transmis este de acelaşi ordin

de mărime cu împrăştierea pe PM (Particulate Matter), astfel încât majoritatea împrăştierilor

sunt de tip Mie (Schwieson, 1986).

Principiul de operare al ceilometrului Cl-31 se bazează pe măsurarea timpului

necesar pulsului de lumină să traverseze atmosfera, de la transmiţătorul ceilometrului până

la baza norului unde are loc retroîmprăştierea, după care pulsul de lumină se întoarce la

receptorul ceilometrului. Lumina reflectată după retroîmprăştierea cauzată de particulele de

aerosol, ceaţă, precipitaţii şi nori, este înregistrată sub formă de puls laser, de către

receptorul ceilometrului, rezultând profilul retroîmprăştierii.

Figura 4.1 Schema principiului de funcţionare a ceilometrului CL-31 (Munkel şi alţii, 2007)

Ceilometrul Cl-31 este capabil să detecteze până la 3 baze de nori simultan, iar dacă

baza norului este obturată de precipitaţii, sau de ceaţă densă, ceilometrul rapotează

vizibilitatea vericală.


60

Figura 4.2 Înregistrarea semnalului de retroîmprăştiere pe particule diferite

Semnalul de retroîmprăştiere este în general de forma ecuaţiei LIDAR:

∫

(1)

unde este puterea instantanee receptată de la distanţa z ,

este pulsul efectiv de energie,

- viteza luminii,

- aria aperturii receptorului,

- coeficientul de retroîmprăştiere la distanţa (

∫

este dublul transmitanţei atmosferice.

Ţinând seama de dependenţa de distanţă a termenilor din ecuaţia LIDAR, ceilometrul

este capabil să raporteze profilul retroîmprăştierii atenuate, corectat cu distanţa:

∫

în unităţi SI : (Rogers şi alţii, 1997, Munkel şi alţii, 2007).

(2)

unde k este o constantă de proporţionalitate, iar este coeficientul de extincţie (u.m).

Deoarece vizibilitatea este definită ca fiind 5% din contrast (Meteorological Optical

Range MOR(V) definit de World Meteorological Organization) atunci, relaţia dintre

coeficientul de extincţie şi vizibilitatea orizontală este:


61

(3)

Constanta de proporţionalitate k are valori cuprinse între 0,02 pentru umiditate

ridicată şi 0,05 pentru umiditate scăzută. Astfel, pentru o valoare a constantei de

proporţionalitate de 0,03 şi vizibilitatea orizontală / verticală cuprinsă între 15 şi 150 m,

valoarea lui va fi cuprinsă între 0,0006 şi 0,006 .

4.3 Principiul fizic de funcţionare a ceilometrului ̈ ̈ ̈la

CL- 31

Ceilometrul tradiţional se bazează pe detecţia bazei norului, utilizând sistemul cu o

lentilă, sau pe cel cu două lentile. Sistemul cu două lentile asigură un fascicul laser slab şi o

acoperire slabă a recepţiei împrăştierii aerosolului în domeniul până la 100 m, care este un

domeniu crucial pentru aplicaţiile de măsurare a calităţii aerului.

Figura 4.3 Imaginea Ceilometrului ̈ ̈ ̈ CL-31 şi sistemul de recepţie (Munkel, 2007)

Sistemul cu o lentilă, care utilizează aceeaşi lentilă pentru transmitere şi recepţie,

asigură o acoperire completă a întregului domeniu de măsurare, dar necesită un mecanism

de prevenire a saturaţiei receptorului, datorate reflexiei lentilelor, care scad acurateţea

datelor în domeniul inferior de măsurare. Rezoluţia scăzută a domeniului de măsurare,

impulsurile slabe ale frecvenţei de repetiţie şi un interval minim de colectare a datelor prea

lung, au condus la scăderea performanţelor ceilometrelor standard. Ambele sisteme sunt

depăşite de noul sistem optic de la ̈ ̈ ̈ – Ceilometrul CL-31 din Fig. 4.3.


62

Acest instrument nu numai că încorporează avantajele ambelor sisteme, dar elimină

şi dezavantajele lor. Electronica modernă şi rapidă a aparatului, îl transformă într-un LIDAR

complex şi util ca ceilometru satndard, dar şi pentru aplicaţii de măsurare a calităţii aerului.

Spre deosebire de lidarele clasice, ceilometrul are avantajul că funcţionează şi înregistrează

date în mod continuu şi chiar de la nivelul la care este instalat.

În partea dreaptă a Fig. 4.3 este prezentat sistemul îmbunătăţit cu o singură lentilă de

la CL- 31. Se utilizează centrul lentilelor pentru concentrarea fasciculului laser de ieşire şi

partea exterioară pentru captarea luminii împrăştiate de la receptor. Această separaţie dintre

zonele de transmitere şi recepţie este datorată unei oglinzi înclinate, cu un orificiu în centru.

Aceasta face ca receptorul să fie practic "orb" la lumina reflectată de lentile, dar în acelaşi

timp acoperă un domeniu de detecţie de minimum 5 m.

Figura 4.4 Schema ceilometrului CL- 31

Un procesor cu o frecvenţă de 60 MHz, care utilizează un impurs standard de

repetiţie cu o rată de 10 kHz, asigură calcularea datelor colectate. Programul asigură mai

multe moduri de colectare a datelor.

Rezoluţia minimă a profilului de împrăştiere este în domeniul de 5 m la un interval

temporal de 2 s, iar măsurătorile se pot face până la 7700 m. Pentru aplicaţii speciale cu un

domeniu de măsurare micşorat, pot fi atinse frecvenţe de până la 100 Hz.

Datele tehnice ale dispozitivului experimental sunt următoarele:

# Înălţimea maximă de detectare de detectare a bazei norilor este 0 – 7500 m.

# Intervalul de măsurare este (2 – 120) s.


63

# Înălţimea minimă de rezoluţie este de 5 m.

# Dioda Laser (InGaAs) este de 910 nm, iar pulsul de frecvenţă are 10 kHz.

# Dimensiunile geometrice sunt de 1190x335x325 (cm).

# Poziţiile de lucru sunt verticală sau înclinată cu 12 grade.

Acest tip de ceilometru (CL – 31) este instalat la laboratorul de fizica atmosferei al

Facultăţii de Fizică de la Măgurele, Bucureşti, din anul 2008, (latitudinea fiind 44,35, iar

longitudinea de 26,03). Ceilometrul menţionat măsoară în continuu din 2008 şi în prezent.

Procesarea datelor este făcută cu ajutorul softurilor Cl – View şio lab – View.

Figura 4.5. Schema modului de funcţionare a ceilometrului (după Munkel şi alţii, 2007)

4.4 Algoritm de detecţie şi procesare a datelor

Datele utilizate în acest studiu au fost înregistrate în memoria echipamentului de

măsură, cu ajutorul unei aplicaţii software numită Cl-View. Aceasta este o aplicaţie PC

implementată pentru achiziţia şi înregistrarea continuă a datelor pe termen lung. După

instalarea aparatului şi a softului Cl-View, este necesară setarea parametrilor de intrare.

Toate mesajele ceilometrului conţin valori numerice caracteristice înălţimii bazei

norului, stării ceilometrului şi profilelor de retroîmprăştiere.


64

Figura.4.6 Fereastra de setare a parametrilor de intrare necesari funcţionării.

Figura 7 Fereastra de setare a duratei de stocare a datelor în fişiere de un tip dat. În Fig. 4.8 este prezentat un mesaj instantaneu, obţinut cu softtul CL- View.


65

Figura 4.8. Fereastra cu mesajul ceilometrului, obţinut cu softul Cl - View

Un astfel de mesaj conţine informaţii despre înălţimea bazei norului, numărul de baze

de nori detectate, vizibilitatea verticală, unghiul de înclinare al aparatului şi date tehnice

legate de funcţionarea aparatului, asa cum se arată în Fig. 4 9.

Figura 4.9.Fereastra cu imaginea norilor, obţinută cu softul Cl – View


66

Fişierele de tip "dat" (A9030506.dat) pot fi convertite în fişiere cu extensia "txt", acest

lucru fiind permis de softul aparatului (Cl - View).

În Fig. 4.10 este prezentat un exemplu de convertire a unui mesaj din "dat" în "txt".

Figura 4.10 Fereastra cu mesajul convertit în format "txt"

Mesajul reprezentat în Fig. 4.10 conţine date despre numărul de baze de nori

detectate, înălţimea bazei norului şi profilele de retroîmprăştiere corespunzătoare.

Graficele obţinute cu softul Cl - View sunt corespunzătoare mesajelor instantanee

date de aparat. Softul Lab – View prelucrează fişierele arhivate la intervale de timp de 6 – 24

de ore. Programul Ceilometer Data Visualisation, dezvoltat în mediul de programare Labview

prelucrează fişiere cu extensia "txt", obţinute prin convertirea mesajelor ceilometrului în

Excel. Programul afişează seriile temporale ale intensităţii norului şi profilul retroîmprăştierii,

pentru fiecare fişier selectat. Programul folosit are avntajul că poate prelucra un volum mare

de date comparativ cu alte programe încercate. De exemplu, programul Excel este limitat la

un număr maxim de 256 coloane de date şi astfel se pierd informaţii importante.

În Fig. 4.11 este prezentată o vizualizare a norilor cu precipitaţii, obţinută cu soflul

nominalizat mai înainte.


67

Figura 4.11 Imagine cu nori şi precipitaţii, obţinută cu softul Lab – View

Norii situaţi peste 7 km nu pot fi detectaţi de ceilometru şi de aceea pentru o analiză

completă a acoperirii noroase este necesar să se folosească şi datele satelitare (Li şi alţii,

2009, Ungureanu şi alţii, 2012).

Date post:	13-Sep-2019
Category:	Documents
Upload:	others
View:	12 times
Download:	0 times

METODE DE INVESTIGARE A ATMOSFEREI -...

Documents