Sesja S2A'

Lidar w badaniach atmosfery


Stanisław Chudzyński, Adam Czyżewski, Wojciech Skubiszak, Tadeusz Stacewicz, Kamil Stelmaszczyk, Artur Szymański, Krzysztof Ernst
Instytut Fizyki Doświadczalnej, Uniwersytet Warszawski

Lidar (LIght Detection And Ranging) [1] jest urządzeniem wykorzystującym zjawisko rozproszenia światła dla uzyskania różnorodnej informacji o stanie atmosfery. Umożliwia także śledzenie dynamiki zachodzących w niej zmian. Pozwala selektywnie wykrywać i wyznaczać rozkłady koncentracji zanieczyszczeń gazowych oraz lokalizować pyły i aerozole, wraz z określeniem rozmiarów tworzących je cząstek. Jest również szeroko wykorzystywany do pomiaru parametrów meteorologicznych i ich rozkładów przestrzennych.

Podstawową zaletą techniki lidarowej, a jednocześnie cechą wyróżniającą ją spośród innych metod, jest możliwość dokonywania pomiarów na odległość. Dla typowych układów zasięg lidarów ograniczony jest do kilku kilometrów, podczas gdy w układach o specjalnym przeznaczeniu i zainstalowanych w specyficznych warunkach (przestrzeń kosmiczna) może dochodzić nawet do kilkuset kilometrów.

Układ lidarowy wysyła silne i krótkie (ok. 20 ns) impulsy laserowe, a następnie rejestruje sygnał powrotny, będący wynikiem rozproszenia światła na aerozolach i cząstkach pyłów znajdujących się w atmosferze. Rozdzielony w czasie sygnał echa dostarcza informacji o obecności i koncentracji cząstek w obszarze oświetlonym wiązką. W badaniach zanieczyszczeń atmosfery, mających na celu selektywne wykrywanie obecności i określanie koncentracji substancji gazowych, najbardziej rozpowszechniony jest lidar absorpcji różnicowej - DIAL (DIfferential Absorption Lidar). W układzie tym stosuje się dwie wiązki laserowe, różniące się nieznacznie długością fali. Pierwsza z nich (lon) dostrojona jest do silnej linii absorpcyjnej określonej substancji gazowej stanowiącej zanieczyszczenie, podczas gdy druga (loff) stanowi wiązkę odniesienia. Sygnały echa na obu długościach fali mierzone są równocześnie w funkcji odległości. Jeśli poszukiwany gaz znajduje się w obszarze penetrowanym przez wiązkę, pojawia się różnica natężeń obu sygnałów, ponieważ wiązka światła o długości fali lon} jest znacznie silniej absorbowana. Różnica ta zależy od stężenia gazu i pozwala na określenie rozkładu jego koncentracji w funkcji odległości.

Na zasadzie techniki absorpcji różnicowej działa mobilny lidar Zakładu Optyki IFD UW [2], przedstawiony na rys. 1.

Rys. 1

Parametry warszawskiego lidaru są następujące: zakres strojenia w ultrafiolecie 250-420 nm, energia impulsów 1-6 mJ, czułość układu - średnio 10 ppb, zasięg maksymalny 3 km, przestrzenna zdolność rozdzielcza około 10 m. Układ pozwala wykrywać SO2, NO2, O3, benzen, toluen i aerozole oraz określać rozkłady ich koncentracji.

Rys.2

Jednym z ciekawych zagadnień związanych z dynamiką atmosfery jest powstawanie tzw. warstw inwersyjnych, charakteryzujących się odwróconym - w stosunku do normalnego - gradientem temperatury. Mają one istotny wpływ na transport aerozoli i zanieczyszczeń gazowych w atmosferze. Warstwę taką, zaobserwowaną w godzinach nocnych przy Wodospadzie Kamieńczyka w Karkonoszach podczas jednej z kampanii pomiarowych [3] ilustruje rys. 2. Lewa część rysunku przedstawia rozkład koncentracji aerozolu wzdłuż wybranej płaszczyzny pionowej. Po prawej stronie przedstawiony jest pionowy profil rozkładu koncentracji. Wyraźnie widać gęstą chmurę aerozolową na wysokości ok. 1600 m, wskazującą na powstanie warstwy ze swoim dolnym ograniczeniem na tej właśnie wysokości.

Literatura
[1]R.M. Measures, Laser Remote Sensing - Fundamentals and Applications (J. Wiley and Sons, New York 1984).
[2]S. Chudzyński, K. Ernst, T. Stacewicz, A. Szymański, ,,Mobile lidar laboratory", Proc. SPIE 3188, 180 (1997).
[3]S. Chudzyński, K. Ernst, T. Stacewicz, A. Szymański, ,,Lidar measurements of air pollution in >>Black Triangle<<", Proc. SPIE, 3188, 186 (1997).