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processamento di dati lidar per l`analisi dell`evoluzione

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1. 0 075 nm 0 1 nm gt 35 10e gt 50 10e 70 L utilizzo di filtri interferenziali legato alla necessit di selezionare il solo contributo del segnale ottico in esame escludendo il pi possibile la radiazione di fondo Inoltre poich la lunghezza d onda trasmessa da un filtro interferenziale corrisponde al valore di picco di una banda stretta centrata su tale valore la larghezza di banda del filtro deve essere scelta in modo da risultare maggiore di quella laser e sufficientemente piccola da dare un buon rapporto segnale rumore Per tale ragione occorre fissare per ogni filtro sia la larghezza di banda passante nell intorno della lunghezza d onda di interesse band width e la sua trasmissivit che il rapporto di reiezione cio l attenuazione relativa alle lunghezze d onda esterne alla banda passante 3 1 5 Sistema di rivelazione La radiazione in uscita dai filtri interferenziali viene successivamente inviata ad un rivelatore ossia un fotomoltiplicatore dotato al proprio interno di un discriminatore ed un amplificatore di segnale Il sistema dispone di due rivelatori uno che opera in fotoconteggio modello Hamamatsu H6101 e l altro di tipo analogico modello electron tube P25 A Durante la campagna di misure sono state effettuate solo misure a 532 nm ed il segnale stato rivelato in fotoconteggio 71 In figura 3 5 riportato il canale di rivelazione nel suo comple
2. il processo attraverso il quale una particella avente indice di rifrazione diverso da quello del mezzo circostante posta lungo il cammino ottico di un onda elettromagnetica sottrae energia all onda incidente e la irradia nuovamente nell angolo solido totale centrato sulla particella Il principio fisico alla base di tale processo pu essere spiegato mediante la teoria delle onde elettromagnetiche il campo elettrico dell onda incidente causa l oscillazione degli elettroni della particella alla stessa frequenza dell onda originando cos delle cariche oscillanti dipoli che producono onde sferiche di frequenza uguale alla frequenza dell onda incidente scattering elastico Un gran numero di particelle atmosferiche diverse per dimensione distribuzione e propriet ottiche pu essere responsabile del fenomeno dello scattering e la forma stessa della distribuzione della radiazione diffusa dipende dalle dimensioni del centro diffusore nonch dalla lunghezza d onda della radiazione incidente Per tale ragione in modo da semplificare la trattazione utile introdurre un parametro di misura 35 dello scattering x legato alle dimensioni relative della particella diffondente e alla lunghezza d onda della luce incidente 27 x a a ka 2 3 dove a rappresenta la dimensione lineare della particella e 4 la lunghezza d onda incidente Il parametro x influisce notevolmente sulla forma della distribuzione spaziale del
3. Q intervallo spaziale dz 60 d d 1 beta integrato d beta int 2 beta int 1 dz end time 1 1 7 figure plot time beta integrato 4 2 16 Res_minuto_mappe ire siae function per l elaborazione dei dati ogni minuto da utilizzare per le mapp Questa function effettua la lettura dei files binari nonch la s conversione attraverso la sub function leggi bin dei files stessi ed il calcolo del range corrected signal in un minuto di acquisizione Vengono dati in input il percorso dal quale prendere i files e il percorso nel quale immettere poi i files processati path read input inserire il percorso dal quale prendere i files path write input inserire il percorso nel quale memorizzare i risultati graph input si desidera visualizzare il grafico digita 1 in caso affermativo 0 in caso contrario 111 oe Creo una matrice le cui righe forniscano la lista dei files che si vogliono analizzare ista files ls path read Definisco le dimensione della matrice r c size lista files o bh ee ee a EE a a aaa a a processamento dei files s asconacoscnete inizializzazioni matrice dei dati da processare contatore indicante l indice del file che viene processato cont 1 La lista dei files comincia a partire dalla terza riga della z matrice lista files prima creata H Il Ww Sa disp processamento in corso file num2str cont si definisce i
4. eseguibile dal cd rom una volta che si modificata la current directory predefinita ma anche possibile e preferibile per velocizzare le operazioni salvarlo su disco fisso Anche in questo caso necessario modificare la directory e ci pu essere eseguito sia dalla finestra a tendina in alto a destra che dall apposita schermata a sinistra Questo procedimento deve essere ripetuto ogni qual volta si apre il matlab7 0 per l esecuzione del programma per cui risulta preferibile aggiungere la cartella in cui si salvato il programma tra quelle predefinite del matlab Quanto detto si traduce nelle seguenti operazioni dal men file si sceglie set path e poi add folder dopodich si seleziona la cartella desiderata e si preme save nonch close In questo modo tutte le volte che si apre il matlab direttamente possibile eseguire uno dei programmi desiderati semplicemente scrivendone il nome nella finestra di comando 4 1 2 Guida all uso Il programma compilato costituito da cinque procedure principali function e tredici sub function strettamente legate alle precedenti tramite le quali possibile come detto ottenere grafici relativi all andamento di alcune delle grandezze fondamentali nell analisi della concentrazione del particolato in atmosfera 82 Le function vengono richiamate semplicemente digitando il rispettivo nome nella Command window del matlab mentre le sub function non vengono richiamate dir
5. figure al lt 94 plot quota data 2 l end 1 xlabel quota m ylabel fotoni acquisiti Hz title Dati acquisiti in modalit ANALOGICA end Visio sisi ici Generazione dell Gutput c _essoescosuza ole Si vuole a questo punto fare in modo che nel workspace del matlab compaiano soltanto le variabili di interesse pertanto verranno di seguito eliminate tutte quelle variabili che non risultino strettamente necessarie o 0 o ole clear altitude analog ans bin concat data data set active a data set active p device identificator a device identificator p fid filename filesize fine misura headerl header2 header3 header4 headers high voltage of the PM a high voltage of the PM p i inizio misura j laser type a laser type p latitude longitude nome file number of bits of the ADC a number of bits of the ADC p number of data points a number of data points p number of data set sito path polarization status a polarization status p repetition rate of laser 1 repetition rate of laser 2 photon counting stato chiusura val p number of laser shots of type 1 number of laser shots of type 2 zenith angle wavelength a wavelength p o ae ae oP ole o o o oe ole o 4 2 3 Segnale min Q 6 function per l elaborazione del segnale laser 2 Q A E SSSSSes in un minuto di acquisizione function profilo binnato segn
6. 3 3 Descrizione di una misura LIDAR Una misura lidar pu essere suddivisa in una fase preliminare consistente nell allineamento del sistema e nella fase successiva che quella della misura vera e propria L allineamento del sistema consiste nel ricercare le condizioni che massimizzano la zona di sovrapposizione tra il fascio laser e il f o v del telescopio in modo da estendere il range delle quote sondabili e ridurre il pi possibile la minima quota osservabile Nella fase di misura la radiazione laser inviata in atmosfera e quindi raccolta dal sistema dove il segnale ottico viene opportunamente elaborato e trasformato in segnale elettrico 74 L acquisizione dei dati sperimentali da parte della stazione di monitoraggio cominciata alle ore 16 39 del giorno 9 maggio 2005 in concomitanza dell avvicinamento dell aeromobile Sky Arrow alla pista aeroportuale per la fase di decollo Il prototipo di lidar mobile ha effettuato un acquisizione ininterrotta in fotoconteggio fino alle 15 30 circa del giorno successivo 10 maggio ad eccezione di brevi sospensioni di qualche minuto necessarie per monitorare l energia della radiazione laser emessa o per verificare la condizioni di allineamento Una ulteriore interruzione si verificata dalle 19 44 alle 20 44 a causa di problemi legati alla stabilit del segnale di trigger che hanno reso il segnale relativo a quel periodo inutilizzabile Dopo l acquisizione dei dati o
7. Introducendo la potenza dell impulso laser P 7 7 la risoluzione spaziale del segnale Az c7 2 dove il fattore 2 tiene conto che l impulso deve compiere due volte la distanza Az prima di essere rivelato la potenza totale ricevuta all istante t 2z c nell ipotesi di singolo scattering P A A 2 P 24 A B 4 4 2 T 4 2 T 4 2 2 17 In questa equazione le propriet fisico chimiche del mezzo attraversato agiscono attraverso i parametri ottici a e f Occorre infine evidenziare che l espressione 2 17 una sottostima del segnale reale di retrodiffusione in quanto non tiene conto dei fotoni che rientrano nel telescopio dopo una diffusione multipla 2 5 Descrizione dei parametri ottici Viene di seguito riportata un analisi dettagliata dei parametri ottici caratterizzanti il segnale LIDAR il coefficiente di retrodiffusione p e il coefficiente di estinzione a distinguendo nel caso di diffusione elastica ed anelastica 49 2 5 1 Parametri ottici in condizione di diffusione elastica L equazione LIDAR 2 17 nel caso di scattering elastico si semplifica notevolmente per il fatto che in tale processo la lunghezza d onda del segnale ricevuto uguale alla lunghezza d onda del segnale laser inviato A AL Sotto tale ipotesi pertanto l equazione diventa 8 ct A 3 EN di a A 1 52 2 18 Z Questa equazione presenta due incognite il coefficiente di backscattering ed il coeffic
8. Si consideri un sistema Lidar in configurazione monostatica e si supponga che tale sistema abbia come sorgente attiva un laser pulsato e 43 che le condizioni di lavoro siano quelle di scattering singolo ossia nel caso in cui 1 fotoni dell atmosfera sono raccolti dopo aver subito un unica diffusione ipotesi lecita nel caso di cielo limpido Si suppone inoltre che lo spessore atmosferico investigato sia sufficientemente piccolo in modo da poter considerare costanti nel tempo in tale range i parametri dipendenti dalla quota GAZA I LL piano i K 7 d Az PIE a r etmosferico Figura 2 3 Schema del processo di ricezione della radiazione retrodiffusa Con riferimento alla figura 2 3 la potenza ottica ricevuta dal rivelatore nell intervallo spettrale A A dA da una cella atmosferica compresa nell intervallo z z dz data dalla seguente equazione 5 P A A 2 J 4 4 2 r A4 Az p 4 2 1 dA z r 2 10 dove 44 e la lunghezza d onda rivelata e A la lunghezza d onda della sorgente laser e AA la larghezza di banda osservata e J A 4 z r la radianza spettrale ossia la potenza emessa in una data direzione e per unit di angolo solido dall unit di superficie proiettata sul piano normale alla direzione di emissione che dipende dalla lunghezza d onda rivelata 4 dalla lunghezza d onda 4 della sorgente laser dalla posizione r e dalla quota z e dA z
9. importanza di tali coefficienti dovuta al fatto che in essi sono contenute informazioni sulle propriet delle particelle aerosoliche dimensione massa densit e indice di rifrazione e pertanto necessario determinare questi parametri e quindi cercare di risolvere l equazione Lidar Allo scopo di invertire quest equazione sono stati elaborati degli 55 opportuni algoritmi che consentono di ricavare per l appunto 1 coefficienti we 2 6 1 Metodo analitico di Ansmann Il metodo sviluppato da Albert Ansmann permette la determinazione a partire da misure del segnale Raman dall azoto del coefficiente di estinzione atmosferico Si consideri l equazione Lidar nel caso di segnale Raman 2 31 riscritta in forma compatta 9 PO NOTA 2T 2 34 dove K rappresenta l insieme di tutti i fattori costanti indipendenti dalla quota Inoltre il fattore di sovrapposizione che dipende in generale da z stato posto pari ad 1 tale condizione soddisfatta in modo rigoroso solo per misure Lidar effettuate in alta atmosfera Dalla 2 34 si ricava P z z KT 4 3 T A 2 35 VE 4 2 T Ax Esplicitando le trasmissivit atmosferiche e passando ai logaritmi si ottiene 2 Z z hl Paz Ink 2 4 2 r Q zer Ar 9 r fir Ma 4 3 r A mol Ar 2 rr N 2 0 0 2 36 da cui derivando entrambi i membri rispetto alla variabile di quota z si ricava 56 d P z z sa
10. influenza notevole sul tempo meteorologico poich costituiscono i nuclei attorno ai quali il vapor d acqua si condensa dando luogo alla formazione di nebbia nubi pioggia e neve e influiscono inoltre sulle propriet di trasferimento radiativo in particolare sulla visibilit dell atmosfera 1 2 Caratteristiche strutturali dell atmosfera terrestre L atmosfera terrestre caratterizzata da una stratificazione che determina in base all altitudine varie zone diverse per densit pressione e temperatura Quello che si nota che la densit dell atmosfera diminuisce rapidamente con l aumentare della quota seguendo una legge di tipo esponenziale La pressione come la densit segue un andamento di tipo esponenziale decrescente con la quota dovuto a fattori elementari come la forza di gravit La temperatura invece ha un andamento variabile con la quota che dipende da diversi fattori quali le bande di assorbimento dei vari costituenti e la loro densit Infatti alcuni componenti minoritari dell atmosfera sono presenti in quota in modo non uniforme e poich ognuno di essi ha una differente capacit di assorbire a diverse lunghezze d onda il calore acquisito con l assorbimento sar dipendente dalla quota La dipendenza dunque dei parametri quali la densit la pressione e la temperatura dalla quota dovuta alle forti correlazioni tra le propriet fisico chimiche dei fenomeni atmosferici e l altitudine
11. 2 Prototipo in funzione con emissione nel verde A 532 nm La dimensione del fascio in uscita pari a circa 4 mm con divergenza pari a 1 mrad L armonica fondamentale pu essere campionata e misurata tramite un fotodiodo posto in cavit In tabella 3 1 sono riassunte le principali caratteristiche del laser Tabella 3 1 Caratteristiche della sorgente laser Wave Energy Beam Pointing Beam Repetition Pulse Length Per pulse polarisation stability divergency rate lenght 532 nm 500 uJ TEMoo lt 100 urad 1 mrad 1 kHz 50 ns 355 nm 300 uJ TEMoo lt 100 urad 1 mrad 1 kHz 50 ns 67 3 1 2 Sistema di trasmissione ottica Per inviare la radiazione laser in atmosfera stato realizzato un beam steerer sistema di due specchi piani montati a 45 orientabili riportato in figura 3 3 Figura 3 3 Il beam steerer In tal modo avvicinando l asse ottico del laser con l asse ottico del telescopio possibile ridurre l intervallo delle quote osservabile 68 3 1 3 Sistema di ricezione ottica Una volta inviato in atmosfera il fascio laser viene retrodiffuso e raccolto dal sistema di ricezione ottica Questo sistema costituito da un telescopio in configurazione Cassegrain figura 3 4 con l asse ottico posizionato parallelamente alla direzione di invio del fascio laser in atmosfera Il prototipo pertanto lavora in configurazione bistatica con una distanza tra l asse del raggi
12. 61 63 2 pe ces sSsssscssottessse gt sAseseess ssa 6 Q Quinta header ni rm header5 1 fgetl fid data set active 2 str2num header5 1 2 tipo di acquisizione ad 2 str2num header5 1 4 tipo di laser laser type 2 str2num header5 1 6 numero di punti number of data points 2 str2num header5 1 8 12 voltaggio high voltage of the PM 2 str2num header5 1 16 19 binning bin width 2 str2num header5 1 21 24 lunghezza d onda wavelength 2 str2num header5 1 28 30 polarizzazione polarization status 2 header5 1 32 number of bits of the ADC 2 str2num header5 1 45 46 90 number of shots 2 str2num header5 1 48 53 data range of the ADC 2 str2num header5 1 55 61 device identificator 2 header5 1 63 65 Q Chiusura del file in modalit testo stato chiusura fclose fid Q Apertura del file fid fopen file dati r Per calcolare la dimensione del file bisogna portarsi alla fine del file stesso fseek fid 0 eof Calcolo dimensione del fil filesize ftell fid oo Poich ci troviamo alla fine del file una volta ottenuta la dimensione opportuno chiudere il file stesso perch ulteriori operazioni come ad esempio la lettura della parte di codice ae oe binario potrebbero generare messaggi di errore fclose fid sese Se Se Se Se Se Se ee ea eae ae i SS S See Conversione de
13. a questa quota Inoltre se 1 coefficienti di estinzione aerosolica dovuti al segnale elastico e Raman non sono molto diversi in prima approssimazione possibile porre uguale ad 1 il rapporto fiai oag ar e 0 2 54 fiai a ar gi Per determinare zer in base alla 2 53 necessario quindi conoscere la densit dell aria e le propriet di estinzione atmosferica aerosoliche e molecolari e le propriet di retrodiffusione molecolare Il grosso vantaggio di questo metodo quello di non richiedere la conoscenza a priori del Lidar ratio ma solo del coefficiente di retrodiffusione totale ad una quota di riferimento Lo svantaggio invece dovuto alla bassa qualit del segnale Raman poich la sezione d urto di retrodiffusione Raman minore di quella elastica di tre ordini di grandezza 62 Ci comporta che il rapporto segnale rumore della radiazione Raman sia minore di quello del segnale elastico e per questo motivo il metodo di Wandinger che richiede la conoscenza simultanea del segnale Raman e di quello elastico non adatto per le misure diurne per le quali preferibile usare il metodo di Klett 63 CAPITOLO 3 DESCRIZIONE DEL PROTOTIPO ED ANALISI DI UNA MISURA LIDAR Nel seguente capitolo viene descritto l apparato sperimentale e i vari componenti che lo costituiscono analizzando per ciascuno di essi le caratteristiche ed il principio generale di funzionamento Dopo la desc
14. ad un riscaldamento di giorno ed al raffreddamento radiativo nell IR di notte con conseguenti continui cambiamenti della struttura interna I cambiamenti del PBL indotti dai forzanti superficiali avvengono attraverso tipici movimenti che caratterizzano questo strato e che sono responsabili del trasporto da una regione all altra di grandezze come l umidit il calore la quantit di moto e gli inquinanti Tali movimenti hanno un influenza notevole sul tempo meteorologico e sul piano ambientale e possono essere generalmente classificati in movimenti verticali rispetto alla superficie terrestre e in movimenti orizzontali I movimenti orizzontali 1 venti sono sicuramente pi complessi e pi comuni di quelli verticali e agiscono su scale molto diverse quelli a larga scala che costituiscono la circolazione generale della troposfera e una serie di circolazioni su scale pi piccole meno regolari e pi localizzate cicloni ed uragani Questi processi sono dovuti ad un ineguale riscaldamento solare della superficie terrestre dovuto all inclinazione dell asse terrestre la differenza di temperatura sulla superficie terrestre infatti produce piccole differenze orizzontali di pressione atmosferica tra punti che si trovano alla stessa quota dal livello del mare e ci favorisce lo spostamento orizzontale di masse d aria da zone ad alta pressione verso zone a bassa pressione cio l insorgere dei venti I movimenti verticali invec
15. bin path read file corrente graph Si ricorda che data 1 e data 2 sono i valori ottenuti applicando le formule di conversione dei valori binari e ad 1 e ad 2 sono variabili che tengono conto del tipo di acquisizione 1 se in digitale e 0 se in analogico cle Una volta ricavati i dati a seconda del tipo di acquisizione creo due matrici una che memorizzi tutti i dati in digitale e l altra che memorizzi invece quelli in analogico ae 0 if ad 1 d d 1 data digitale d data 1 else a atl data analogico a data 1 end if ad 2 d d 1 data digitale d data 2 else a atl data_analogico a data_2 end clear data_1 data 2 Gressan Ciclo di processamento dei files successivi al primp Per poter considerare solo i files relativi ad uno stesso minuto di acquisizione necessario effettuare un confronto tra due files il primo e quello che di volta in volta segue in modo da fermare il processamento quando il file seguente non rientra nello stesso minuto di acquisizione del primo for j itl r incremento del contatore cont conttl disp processamento in corso file num2str cont file da processare file succ lista_files j orario di acquisizione orario new file succ 10 11 controllo sulla procedura if orario new orario data _1 data 2 ad 1 ad 2 leggi bin path read file succ graph si continua a creare la matrice definita fu
16. bisogna sottrarre il fondo che corrisponde al valore relativo alla quota zero La componente relativa alla quota 457 5m la 61 quota zero 476 25 ro quota zero 7 5 oe oe oe oe Per sottrarre il fondo devo effettuare la media dei fotoconteggi che si ottengono prima del picco di tempo zero in cui sicuramente quanto si osserva non deriva da retrodiffusione in atmosfera ma dai fotoni della radiazione di fondo I valori sono quelli precedenti ro Viene a tal punto richiamata la function media fondo media profilo ogni minuto ro oo o oO oe oe A questo punto si calcola il nuovo file relativo al minuto ottenuto sottraendo il fondo attraverso la function sottrai fondo Si ottiene cos un vettore con un numero di componenti pari a quello di partenza scalato di 60 sono le componenti che precedono quella corrispondente alla quota zero profilo minuto new sottrai fondo profilo ogni minuto fondo ro 1x963 96 a aa aa Bi nhning S lt sct s estesess e Una volta ottenuto il segnale ogni minuto necessario effettuare il binning ogni 8 punti in modo da ottenere dati ogni 60 metri Applicando la function binning 8 punti si ottiene profilo binnato binning 8 punti profilo minuto new 1x120 ae Salvataggio del segnal file name path write name mat salvataggio dati save file name profilo binnato o 4 2 4 Media minuto Q
17. cos se si vogliono in uscita ad esempio data 1 e ad_1 che sono rispettivamente un vettore ed un numero non possibile scrivere function data_1 ad_1 leggi_bin percorso file_name grafico perch in questo modo il programma assegner a ad_1 il vettore dei dati data 2 necessario quindi scrivere function data_1 data_2 ad_1 leggi _bin percorso file_name grafico 120 4 3 2 Segnale min Attraverso tale function vengono processati quindici o quattordici files alla volta relativi all acquisizione ogni 4 secondi in 1 minuto All interno di segnale min sono presenti un certo numero di sub function tramite le quali possibile ottenere l output previsto La struttura dati di tale routine una matrice costituita da 1024 righe corrispondenti ad ogni quota e da 15 14 colonne relative ai files analizzati Attraverso la function media_minuto si ottiene un unico file corrispondente ad ogni minuto di acquisizione L output di tale function pertanto un vettore di 1024 componenti Questa routine infatti effettua una media di tutti i valori presenti su ciascuna riga della matrice fornendo quindi come risultato un vettore di 1024 componenti L ultima componente dovuta all elettronica di acquisizione determina uno sbalzo dei valori pertanto non essendo rappresentativa di effettivi valori fisici pu essere eliminata Il vettore ottenuto avr dunque 1023 componenti Successivamente attraverso la function
18. dal programma di acquisizione PLAPMI in grandezze fisiche rappresentanti il rate di conteggio dei fotoni In particolare si avranno MHz nel caso di acquisizione in digitale e V nel caso di acquisizione in analogico I files binari hanno il seguente formato la I LINEA contiene informazioni relative al nome del file e alla data di creazione Solitamente comincia con uno SPAZIO seguito sempre da una lettera con le relative informazioni sulla data e l ora di acquisizione della misura la II LINEA riguarda il sistema quindi il sito con parametri relativi alla posizione del sistema stesso la III LINEA fornisce informazioni sui 2 laser utillizzati ovvero il numero di impulsi inviati e la velocit con cui questi vengono ripetuti la IV e V LINEA contengono informazioni riguardanti il tipo di acquisizione se in analogico o digitale il tipo di laser il numero di data points la larghezza di binnaggio la lunghezza d onda del fascio laser e ulteriori informazioni sul set di dati In particolar modo queste si presentano quasi sempre nella seguente forma 1 01 01024 1 0000 07 5 355 0 0 0 00 000 12 004010 0 500 BTO 1 11 01024 1 0000 07 5 355 0 0 0 00 000 00 004010 25 0000 BCO dove il primo carattere sempre uno SPAZIO il secondo 1 0 indica il DATA SET ACTIVE il terzo 1 0 indica l acquisizione dei fotoni digitale o analogico viene indicato poi il tipo di laser 1 il numero di punti 01024 il voltaggio 0000 la larghezza di
19. del segnale laser e quella del segnale retrodiffuso differiscono si verifica un processo di diffusione anelastica Si parla in questo caso di scattering di Raman e l equazione LIDAR assume la seguente espressione 9 do 7 A P 4 2 P amp Vena a N DETTATI 22 2 31 dove e A la lunghezza d onda della radiazione laser e Ap la lunghezza d onda della radiazione retrodiffusa con r Ay 53 e Nx z la densit numerica della molecola che partecipa al processo di diffusione Nel caso dell azoto ad esempio essa ammonta al 78 della densit atmosferica molecolare totale do 7 I O la sezione d urto differenziale di Raman per la radiazione anelastica diffusa a 180 I coefficienti di estinzione a r e a A presenti nei fattori T AR z e T A z dipendono dalle caratteristiche fisiche dell atmosfera ed ognuno di essi dato dalla somma di due contributi aerosolico e molecolare or Ar Afr Qaer Ar Amot Ar Laer Ar Amol 2 32 Il fatto che le molecole investite dal fascio laser di partenza rispondano emettendo in tutte le direzioni una radiazione ad una lunghezza d onda diversa da quella incidente giustifica la presenza nell equazione 2 32 dei coefficienti di estinzione alle due diverse lunghezze d onda Questo vuol dire che l attenuazione del segnale ricevuto dovuta sia all attenuazione del fascio laser nel salire verso un certo bersaglio si
20. devo moltipliacarlo per il quadrato della quota oe RCS_segnale lidar segnale lidar new quote binnate 2 anche 1 RCS deve essere in scala logaritmica figure plot quote binnate RCS segnale lidar xlabel quote m ylabel Range corrected signal S a9 5555955955555 5 SE ROG 35 4335 3939535 5 3355555555 5555555 gt A questo punto occorre calcolare l errore visto come la deviazione standard dei files mediati ogni 30 minuti errore std RCS segnale lidar Co S gt gt Calcolo del segnale molecolare sila peligna zia iii dovute alle sole molecole s s2 s sez e Per poter calcolare il segnale molecolare dovuto alle sole molecole e non agli aerosol necessario determinare dapprima i valori del number density alle varie quote Questi valori ci vengono forniti richiamando il programma ussal976 che calcola inoltre i valori di pressione e temperatura alle varie quote number density import density2 C Documents and Settings CORISTA Desktop luisa tavole densit dat sono 128 valori si sculde quello relativo alla quota 0 m quote 60 m import quote C Documents and Settings CORISTA Desktop luisa tavole da ussal976 TABLE2 1 DAT sono 128 valori si esculde quello relativo alla quote 0 m jo oP Noto il number density possibile calcolare il beta molecolare attraverso la seguente formula o al oe beta_molecola
21. e dei secondi di acquisizione si acquisisce un file ogni 4 secondi per cui in un minuto possono rientrarne 15 o 14 a seconda dei casi mentre grazie a segnale minuto possibile processare tutti i files contenuti all interno di una data cartella I parametri di input sono in questo caso chiesti direttamente all utente all inizio dell esecuzione della function in seguito viene creata una lista contente tutti i files da analizzare dopodich comincia l inizializzazione del processamento dei files Viene cio elaborato il primo file della lista attraverso la function leggi bin e definita l ora di acquisizione 122 precisamente i minuti che costituiscono il controllo sulla scelta dei successivi files da considerare L orario di acquisizione dei dati fornito dallo stesso nome del file analizzato orario curr_file 10 11 dove curr file indica il nome del file corrente che di volta in volta viene processato mentre l istruzione tra parentesi consente di prendere quella parte del nome che va dal decimo all undicesimo carattere ovvero la parte relativa ai minuti Finch i minuti di acquisizione sono gli stessi verr richiamata la function leggi bin ma non appena si scatta nel minuto successivo 1 dati fino ad allora ottenuti saranno processati attraverso segnale min Appena finita l elaborazione la matrice dei dati verr azzerata e sar disponibile per un nuovo ciclo Il tutto si ripete fino all ultimo blo
22. e ci 11 rende possibile tracciare una stratificazione dell atmosfera come quella riportata in figura 1 1 dove ciascuno strato rappresenta una sfera che circonda il globo terrestre 2 Figura 1 1 Sezione schematica dell atmosfera terrestre in relazione alla quota 12 1 2 1 Densit e pressione atmosferica L atmosfera terrestre un sistema gassoso in equilibro dinamico che circonda in modo stabile l intera superficie del nostro pianeta ed ha un comportamento molto simile a quello di un gas ideale cio a piccole variazioni di pressione corrispondono grandi variazioni di volume e quindi di densit La pressione quindi risulta il fattore pi importante per la determinazione dell andamento con la quota della densit atmosferica Figura 1 2 che risulta essere direttamente proporzionale alle pressione 3 ALTITUDE KM g W T 100 Sees Log ARI bt i diete hi de pre e pas 10718 10715 10714 10789 107 1071 10719 1079 1078 107 1078 1075 107 1073 10 wo 10 10 10 TOTAL DENSITY IKG m3 Figura 1 2 Densita atmosferica in funzione della quota Per mostrare la dipendenza della densita dalla pressione atmosferica si consideri l equazione di stato per N molecole di gas ideale che possono essere diverse per massa e specie chimica 4 PV NkT 1 1 13 dove P V T sono rispettivamente pressione volume e temperatura termodinamica assoluta del gas k R Nx la cost
23. e trasferita ad un rivelatore che produce un segnale elettrico la cui intensit proporzionale alla potenza ricevuta 65 Poich la luce viaggia ad una velocita nota la posizione del volume di aria attraversato dal raggio laser pu essere determinata misurando l intervallo di tempo tra l emissione laser e la ricezione dell impulso retrodiffuso Di conseguenza poich l intensit del segnale ricevuto dipende dalle propriet di retrodiffusione delle particelle intercettate dal fascio inviato dal segnale prodotto dal rivelatore opportunamente elaborato possibile ricavare informazioni sulla presenza e sulla concentrazione di tali particelle sospese in atmosfera Nei paragrafi seguenti viene pertanto fornita una descrizione dettagliata dei diversi componenti che costituiscono il sistema Lidar 3 1 1 Sorgente laser La sorgente di radiazione utilizzata un laser impulsato a stato solido Nd Yag il cui mezzo attivo costituito da un cristallo Y3A15O12 Essa genera radiazione con lunghezza d onda pari a A 1064 nm armonica fondamentale A 532 nm seconda armonica e A 355 nm terza armonica con un energia di impulso pari a 500 uJ e 300 uJ rispettivamente ed una velocit di ripetizione di 1 KHz Gli impulsi hanno una durata di 50 ns il che porta ad una risoluzione spaziale di 7 5 metri In figura 3 2 riportato il prototipo con il laser in funzione alla lunghezza d onda A 532 nm 66 Figura 3
24. ed associare il risultato ottenuto al corrispondente punto medio tra i dati I profili cos ottenuti relativi ciascuno ad un solo minuto devono essere successivamente mediati su un intervallo temporale di mezz ora di acquisizione A questo punto possibile ottenere un primo andamento del segnale laser in funzione delle quote Tale segnale deve essere poi normalizzato rispetto ad un profilo molecolare medio relativo alle condizioni di pressione e temperatura della mezz ora su cui si mediato figura 3 6 Una volta ottenuto il profilo lidar mediato su trenta minuti possibile ricavare il Range Corrected Signal moltiplicando il segnale stesso per il quadrato della quota Bisogna poi calcolare l errore sull RCS e dato che il segnale ottenuto la media di un certo numero di segnali come errore su di esso stata quindi considerata la deviazione standard della media Tale operazione nonostante sia l unica statisticamente corretta non tiene conto di altri fattori che entrano in gioco nel fare una media temporale 76 dei segnali l atmosfera ad esempio pu variare molto durante il tempo di integrazione e ci determina una variazione del segnale di fondo 10 segnale lidar molecolare medio 3 10 10 4 10 4 10 3 1 0 L L I I i I 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 quote m figura 3 6 Andamento del segnale lidar normalizzato rispetto ad un mol
25. funzionamento di un sistema LIDAR 8 consiste nell inviare in atmosfera un intenso impulso laser monocromatico che viene ampiamente diffuso in tutte le direzioni dalle molecole e dalle particelle aerosoliche presenti in aria Questo processo di scattering causato principalmente dalle molecole di azoto ossigeno e acqua scattering di Rayleigh e Raman e dalle particelle aerosoliche sospese in atmosfera scattering di Mie La frazione di radiazione retrodiffusa dall atmosfera in direzione della stazione Lidar definita segnale Lidar Tale segnale viene raccolto tramite un telescopio e trasferito al sistema di rivelazione dove viene separato in diversi canali con riduzione della larghezza di banda tramite un sistema di selezione spettrale e attraverso dei fotomoltiploicatori viene poi trasformato in segnale elettrico 41 L intensita di tale segnale in ogni istante proporzionale alla potenza ottica ricevuta e dipende dalle propriet di retrodiffusione e assorbimento della parte di atmosfera investita dal fascio laser La retrodiffusione atmosferica a sua volta dipende dalla lunghezza d onda della radiazione che investe l atmosfera stessa e dalle caratteristiche ovvero concentrazione dimensione forma e propriet di rifrazione delle particelle e delle molecole intercettate dal fascio incidente Il segnale elettrico prodotto dal fotomoltiplicatore opportunamente elaborato pu fornire informazioni sulla presenza e
26. il comando imagesc infine possibile ottenere l andamento dei range corrected signals in funzione delle quote e del tempo 127 CAPITOLO 5 SOFTWARE M A P S ANALISI DEI DATI In quest ultimo capitolo viene presentata una descrizione di tutti i risultati ottenuti attraverso il processamento dei dati LIDAR mediante il software M A P S realizzato nell ambito di questo lavoro di tesi Sono mostrati in particolar modo gli andamenti di grandezze quale il coefficiente di retrodiffusione aerosolico di importanza rilevante per la determinazione del carico aerosolico e mappe indicanti la distribuzione e l evoluzione del particolato atmosferico nell arco di un prefissato intervallo temporale 5 1 Mappa RCS Attraverso il processamento dei dati lidar e utilizzando alcune delle procedure descritte nel precedente capitolo possibile ottenere delle mappe indicanti in un fissato intervallo temporale la presenza e l evoluzione del particolato atmosferico in funzione della quota In questo caso particolare stata presa in considerazione una parte dell atmosfera fino a 7000 metri che include il PBL gi descritto in modo da riuscire ad ottenere indicazioni sulla presenza di aerosol urbani 128 quote mM DA 1 A F F ial DI a J J PU oth el x Ar we say TR Aig pito 1000 6 j ipl pri eqns 5 W RI nt k n sh gi sp 1000 16 39 18 00 20 00 22 00 24 00 2 00 4 00 6 00 8 00 10 00 12 00
27. lettura dei files binari nonch la conversione attraverso la sub function leggi bin dei files stessi ed il calcolo del segnale laser tramite la function segnale min in un minuto di acquisizione Vengono dati in input il percorso dal quale prendere i files e il percorso nel quale immettere poi i files processati path read input inserire il percorso dal quale prendere i files path write input inserire il percorso nel quale memorizzare i risultati graph input si desidera visualizzare il grafico digita 1 in caso affermativo 0 in caso contrario ae oe Creo una matrice le cui righe forniscano la lista dei files che si vogliono analizzare ista files ls path read Definisco le dimensione della matrice r c size lista files ae bh SaaS SSS SSS SSS SaaS ee processamento dei Files ococo sooraue inizializzazioni matrice dei dati da processare 0 0 Ne contatore indicante l indice del file che viene processato cont 1 La lista dei files comincia a partire dalla terza riga della matrice lista files prima creata i 3 85 disp processamento in corso file num2str cont Q si definisce il primo file della lista che viene processato file corrente lista files i si determina l orario di acquisizione di tale file orario file corrente 10 11 Per questo primo file viene richiamata la function leggi bin data _1 data 2 ad 1 ad 2 leggi
28. media viene calcolato il fondo da sottrarre si determina cio la componente relativa alla quota a partire dalle quale bisogna sottrarre e si effettua poi una media di tutte le componenti precedenti In seguito attraverso sottrai fondo viene calcolato il nuovo vettore che avr dunque un numero di componenti pari a quello di partenza scalato di 61 che il numero di componenti che precedono quelle relative alla quota zero Il risultato quindi un vettore di 963 componenti A questo punto occorre eseguire il binning attraverso la procedura binning_8_punti questa function effettua una 121 media ogni 8 componenti del vettore in maniera da ottenere un nuovo vettore di sole 120 componenti Questo risultato dovra essere salvato in una directory scelta dall utente e data in input alla procedura rcs_30min I files salvati hanno estensione mat e possono essere direttamente visualizzati nel workspace del matlab semplicemente cliccando sul file scelto nella cartella in cui sono stati conservati 4 3 3 Segnal minuto Questa routine non fa altro che processare i dati in base a quanto descritto nelle pagine precedenti Essa infatti utilizza le funzioni leggi bin e segnale min ma la particolarit di tale procedura consiste nel fatto che essa permette di processare un numero indefinito di files non noto a priori Le routines leggi bin e segnale min infatti elaborano un numero prefissato di files che varia tra 15 e 14 a seconda dei minuti
29. pone all utente delle domande in modo da potersi adattare dinamicamente alle esigenze senza comportare la modifica di alcuna riga di programma Naturalmente ciascuna procedura pu essere modificata e ci si realizza entrando nell editor del programma e apportando i cambiamenti necessari Occorre ricordare tuttavia che ogni modifica effettuata anche solo il cambiamento del nome di una variabile riguarda l intero programma e anche le altre procedure che lo utilizzano per cui bene prestare attenzione ed eseguire la stessa correzione ovunque Bisogna infine ricordare la sintassi del matlab e tener presente che anche il mancato inserimento di una parentesi o di una punteggiatura pu generare errori spesso difficili da individuare anche se banali 4 2 Listato del programma Il software nel suo totale costituito da 18 routines che vengono di seguito presentate cos come sono state compilate in linguaggio matlab Le function principali come detto sono cinque segnale minuto rcs_ 30min beta integrato rcs_minuto mappe e rcs_mappe 84 le sub function invece sono eggi bin segnale min media minuto media sottrai fondo binning 8 punti import_molecolare media 30min import density import quote trova _posiz integrale e rs_min_ mappe 4 2 1 Segnale minuto g sesszane function per l elaborazione dei dati ogni minuto da utilizzare nell algoritmo di Klett Questa function effettua la
30. pu osservare lo strato residuale cos detto perch conserva le variabili di stato che caratterizzavano il mixed layer al tramonto esso caratterizzato dalla turbolenza prodotta durante il giorno dalla convezione e non essendo a contatto diretto con il suolo non direttamente influenzato dai forzanti superficiali 32 CAPITOLO 2 LA TECNICA LIDAR DI INDAGINE ATMOSFERICA La tecnologia laser e le tecniche di indagine basate su principi ottici hanno fornito importanti e validi risultati riguardanti lo studio delle caratteristiche fisico chimiche dell atmosfera terrestre In particolar modo 1 processi di assorbimento e scattering che si verificano in atmosfera e che sono alla base delle tecniche ottiche hanno rivestito un ruolo predominante rivoluzionando i classici metodi di indagine atmosferica Nel seguente capitolo pertanto verranno presentati i principali fenomeni di interazione radiazione materia descrivendo in maniera del tutto generale i principi fisici fondamentali Un analisi pi dettagliata invece sar dedicata alle tecniche di monitoraggio atmosferico facendo riferimento in particolar modo alla tecnica Lidar di cui verranno presentati 1 principi generali di funzionamento l equazione e i metodi di risoluzione analitica per il calcolo della soluzione 33 2 1 Assorbimento e Scattering Si consideri un fascio di radiazione monocromatica di lunghezza d onda ed intensit I A che si p
31. strato limite planetario di cui vengono presentate le caratteristiche principali ed analizzata la struttura 1 1 Atmosfera terrestre e sua composizione L atmosfera terrestre rappresenta lo strato gassoso che circonda il nostro pianeta Essa pu essere considerata come un gigantesco e complesso sistema termodinamico la cui struttura composizione e dinamica influenzano in maniera rilevante la morfologia della superficie del pianeta L atmosfera terrestre costituita da una miscela di gas che in base alla loro diversa concentrazione tabella 1 1 possono essere classificati come permanenti o variabili 1 I gas permanenti si estendono fino a circa 100 km di quota e sono cos definiti in quanto formano una miscela omogenea e stabile ovvero le proporzioni relative di ogni singolo componente sono le stesse ovunque Appartengono a tale categoria i principali costituenti dell atmosfera l azoto e l ossigeno molecolare largon il neon e Pelio in tracce I gas variabili invece sono presenti in concentrazioni che variano in tempi anche molto brevi e tale variabilit dovuta principalmente alla loro partecipazione ad una serie di processi fisico chimici quali interazione e reazioni fotochimiche con altri gas e particelle presenti in atmosfera I maggiori costituenti di questa categoria di gas sono l acqua H O l ozono O l anidride carbonica CO il metano CH e i composti dello zolfo e dell azoto Questi gas sono res
32. sulla concentrazione del particolato in atmosfera Dal punto di vista geometrico esistono due configurazioni del Lidar in base al posizionamento della sorgente laser e del telescopio figura 2 2 Figura 2 2 Configurazioni del sistema LIDAR monostatica sinistra e bistatica destra 42 quella monostatica in cui gli assi ottici del laser e del telescopio coincidono e quella bistatica un cui il laser e il telescopio sono paralleli ma posti ad una certa distanza Il volume di scattering cio il volume di atmosfera investigata determinato dall intersezione dell apertura del fascio laser con il campo di vista del telescopio Il tipo di configurazione scelto dipende dalle quote di atmosfera che si vogliono studiare per quelle pi basse preferibile l utilizzo di una configurazione monostatica in quanto la sovrapposizione del fascio laser con il f o v del telescopio condizione essenziale per avere segnale Lidar avviene a quote pi basse mentre la configurazione bistatica utilizzata quando si vuole studiare la stratosfera poich con tale configurazione la quota minima di sovrapposizione completa raggiunta a quote pi alte 2 4 Equazione LIDAR Per poter comprendere la relazione fra il segnale ricevuto da un sistema Lidar ed i parametri atmosferici legati alla diffusione e all assorbimento del fascio laser occorre esaminare tutti i fattori che modificano il fascio laser inviato in atmosfera
33. un cambiamento di segno del gradiente della temperatura Procedendo dalla superficie terrestre fino a circa 10 15 km di quota si trova la troposfera caratterizzata da una diminuzione verso l alto della temperatura con un tasso pi o meno regolare dell ordine di circa 6 5 C km fino ad un valore prossimo a 56 C Quest andamento facilmente spiegabile quando si pensi che l atmosfera in vicinanza della parte inferiore viene riscaldata dalla superficie del pianeta e in misura minore direttamente dal sole In pratica la superficie assorbe la radiazione solare e quella infrarossa proveniente dall atmosfera e si scalda e l atmosfera stessa a contatto con la superficie si scalda a sua volta e le masse cos riscaldate si sollevano espandendosi adiabaticamente e quindi si raffreddano 16 CIRM too Termosfera 41 00 oul Mesopansa 0 x sa Sirniopausa Quota km Pressione mbar Regione ozono 40 30 Stratosfera 20 10 JOM tr LBU FY 200 Tio 220 230 a IS 2 270 20 290 J00 deg K d a _ S O S 140 120 100 840 b0 40 20 0 303240 60 dO weg Vemperatura Figura 1 3 Profilo verticale medio della temperatura La tropopausa la zona di transizione isoterma dell atmosfera che costituisce lo strato limite superiore della troposfera L altezza della tropopausa nel periodo estivo pu variare da 15 a 18 km sulla zona dei tropici e da 8 a 10 km sulle zone polari nel periodo invern
34. 10 47 11 16 11 47 time UT Figura 5 4 Beta integrato fino a quota 4000 metri al variare del tempo 133 In particolare misurando il valore dell intregrale di Baer nell intervallo di quote fino a 4000 metri a partire dalle 8 47 e fino alle 11 47 si osserva un primo aumento del carico aerosolico totale fino a met mattina e successivamente una netta diminuzione dovuta alla presenza della brezza marina che agisce riducendo il carico aerosolico totale presente in atmosfera 134 CONCLUSIONI Nell ambito di questo lavoro di tesi stato sviluppato il software M A P S per l elaborazione di dati LIDAR Questo software di facile utilizzo permette di elaborare i dati forniti durante una campagna di misure Lidar e visualizzare in tempo reale la presenza e l evolversi del particolato in aree urbane fornendo informazioni sulla distribuzione in quota e nel tempo degli aerosol in atmosfera stato necessario pertanto effettuare uno studio dell atmosfera e dei suoi costituenti uno studio della tecnica LIDAR e degli algoritmi utilizzati per la risoluzione dell equazione che ne descrive il funzionamento analizzare il funzionamento dell apparato sperimentale LIDAR mobile realizzato dal consorzio CO RI S T A ed infine analizzare la procedura di acquisizione di una misura LIDAR Il software M A P S acronimo di Monitoring of Atmosphere Particulate Software scritto in linguaggio Matlab ed costituito da un manual
35. 11 1 June 1985 12 A Ansmann U Wandinger Combined Raman elastic backscatter lidar for vertical profiling of moisture aerosol extinction backscatter and lidar ratio Applied Phisics B 55 1992 13 G Pica A Boselli F Castaldo R Fusco S Mattei M R Santovito W Xuang New Prototype of very compact LIDAR for atmospheric particulate monitoring in Atti del 23 Simposio dell associazione europea dei laboratori di remote sensing Ghent 2004 14 Endlich et al An automatic method for determining the mixing depth from Lidar observation Atmospheric Environment 13 1051 1056 1979 138 15 Ackermann The extinction to backscatter ratio of tropospheric aerosol Journal of Atmospheric and oceanic technology vol 15 1043 1050 1998 139
36. 14 00 15 00 15 30 time UT Figura 5 1 Evoluzione dell RCS nel tempo 129 In figura 5 1 riportiamo la mappe dei segnali acquisiti 1 giorni 9 10 maggio 2005 presso l aeroporto di Pontecagnano I dati sono stati acquisiti ad una lunghezza d onda di 532 nm e con una risoluzione temporale di 1 minuto a partire dalle 16 39 fino alle 15 30 del giorno successivo e sono stati elaborati secondo la procedura descritta nel paragrafo 3 3 Sull asse delle ascisse sono riportati i tempi sulle ordinate le quote di atmosfera L indicatore a lato della mappa riproduce i colori usati per rappresentare la variazione di concentrazione relativa del particolato in atmosfera con un oscillazione dal colore blu atmosfera pulita al rosso atmosfera inquinata Da notare che il rosso intenso indica un livello di saturazione della misura dovuto fino a 4000 metri alla presenza del particolato da 4000 metri in poi alla presenza di nuvole Questa mappa mostra in particolar modo un quadro atmosferico suddivisibile in tre intervalli di quote caratterizzati da una certa omogeneit interna Nell intervallo di quote fino a circa 1000 1500 metri possibile osservare la presenza di una struttura aerosolica localizzata proprio all interno del PBL Nell intervallo di quote immediatamente successivo e cio fra i 2000 4000 metri si osserva di l evoluzione di una struttura aerosolica in un arco temporale che comincia alle 16 39 del 9 maggio e termina in
37. 5 Le principali sorgenti di aerosol sono sia di origine naturale polveri di varia natura emissioni marine vulcaniche per le quali si riscontra una maggiore frazione di particelle grossolane sia di origine antropica prodotti derivanti da motori a combustione impianti industriali impianti per riscaldamento civili che invece sono caratterizzati da una maggiore frazione di particelle fini Le dimensioni quindi di tali particelle variano da 0 01 uma circa 10 um 19 AITKEN NUCLEI FLY ASH CONDENSATION HAILSTONE ws gt NUCLEI iii ci e ATMOSPHERIC DUST SNOW ee OIL SMOKES Di acount ei iCE SEA SALT CAYSTALS a NUCLEI WATER CLOUDS DRIZZLE no _ amp FOGS RAIN SMOG amp HAZE MIST amp DROPS WET FOG UTER TAREA ESA i eo i I 0 1 1 0 01 u u 0 u 10 u 100 p Imm tan Figura 1 4 Classificazione degli aerosol in funzione delle dimensioni Gli aerosol hanno un ruolo importante in molti processi atmosferici e dal punto di vista chimico fisico contribuiscono alla regolazione di alcune importanti reazioni che avvengono in atmosfera e dal punto di vista ottico essi influenzano le propriet di trasparenza dell aria agendo come diffusori e schermando parte della radiazione solare e infine possono agire come fissatori di alcune sostanze inquinanti e per le loro piccole dimensioni possono essere ingeriti dagli organismi viventi Il grande interesse nei confronti degli aerosol gius
38. A z du x z o 4 2 4 Ags 2 no 152 pos Ax 32 297 Ricordando la relazione empirica 2 33 si ricava la seguente espressione per Quer Ar d E N 2 dz P 2 z A mot 4 d z ni A mol A 2 z 7 k 1 GI Il valore di k pu essere posto pari ad 1 nel caso di aerosol e gocce Oy 4 aer 2 38 sferiche di acqua con dimensioni comparabili alla lunghezza d onda del fascio laser mentre va posto pari a 0 per le particelle di dimensioni maggiori come nel caso dei cristalli di ghiaccio Il vantaggio di questo metodo risiede nel fatto di avere un espressione per Qaer Ar indipendente dal coefficiente di retrodiffusione pertanto non sono richieste ipotesi a priori resta tuttavia la dipendenza dalla geometria dell apparato e quindi il coefficiente di estinzione aerosolico legato alla conoscenza del fattore che tiene conto della sovrapposizione fra il campo di vista del telescopio e il fascio laser Tale metodo infine utilizzabile per misure del segnale Raman rivelabile in genere solo in ore notturne 57 2 6 2 Metodo analitico di Klett Un metodo per determinare il coefficiente di retrodiffusione a partire dall equazione Lidar valida in condizioni di scattering elastico stato sviluppato da James Klett 10 Tale metodo suppone la conoscenza di un parametro nuovo il Lidar ratio ossia il rapporto tra i coefficienti di estinzione e retrodiffusione aerosolici
39. L fe 2 39 Bi necessario introdurre una nuova variabile S z definita come il logaritmo del segnale Lidar moltiplicato per il quadrato della quota il range corrected signal S z In P z z 2 40 dove stata omessa per brevit la dipendenza da i Per poter esprimere l equazione Lidar in una forma indipendente dal sistema di rivelazione utilizzato occorre conoscere S z ad una quota di riferimento Zo risulta quindi Sas 2 ad 241 0 dove fy P zo e So S Zo Derivando entrambi 1 membri della 2 41 rispetto a z si ricava l equazione differenziale z T 2a z 2 42 Questa equazione contiene due incognite e pu essere ridotta ad un equazione lineare caratterizzata da una sola incognita attraverso la 58 conoscenza del Lidar ratio Essendo inoltre il coefficiente di backscattering totale somma di due contributi 8 Paer Bnoi amp PU essere scritto come A Agg Amoi LB yy Br Brot 2 43 dove in base alla teoria di Rayleigh B 1 0 119 e descrive il rapporto costante tra a e B in condizioni di diffusione Rayleigh Sostituendo il valore di a nella 2 42 si ottiene dS _1dp dz dz ALB Ba By 2 44 poich Byer B Pnol 1 ricava dS 1d di 2LB 2 L B 2 45 dz B dz p R JB Definendo una nuova variabile S tale che S S S S Baad 2 LB de 2 46 dove stato posto Sm S Zm e differenziando rispetto a z si h
40. MENTALE IL LIDAR MOBILE 3 1 1 Sorgente laser 3 1 2 Sistema di trasmissione ottica 3 1 3 Sistema di ricezione ottica 3 1 4 Sistema di selezione ottica 3 1 5 Sistema di rivelazione 3 1 6 Sistema di acquisizione 3 2 STRUMENTAZIONE COMPLEMENTARE 3 3 DESCRIZIONE DI UNA MISURA LIDAR 41 43 49 50 53 55 56 58 61 64 64 66 68 69 70 71 72 73 74 CAPITOLO 4 DESCRIZIONE DEL SOFTWARE SVILUPPATO 4 1 MANUALE D USO 4 1 1 Generalit 4 1 2 Guida all uso 4 2 LISTATO DEL PROGRAMMA 4 2 1 Segnale minuto 4 2 2 Leggi bin 4 2 3 Segnale min 4 24 Media minuto 4 2 5 Media 4 2 6 Sottrai fondo 4 2 7 Binning 8 punti 4 2 8 RCS 30min 4 2 9 Import molecolare 4 2 10 Media 30min 4 2 11 Import density 4 2 12 Import quote 4 2 13 Trova posiz 4 2 14 Integrale 4 2 15 Beta integrato 4 2 16 Res_minuto mappe 4 2 17 Res_min mappe 4 2 18 RCS mappe 4 3 DOCUMENTAZIONE DEL PROGRAMMA 4 3 1 Leggi bin 80 81 81 82 84 85 88 95 97 97 98 98 99 106 107 107 108 108 109 110 111 114 116 118 118 4 3 2 Segnale min 4 3 3 Segnal minuto 4 3 4 Res 30min 4 3 5 Beta integrato 4 3 6 RCS minuto mappe 4 3 7 RCS mappe CAPITOLO 5 SOFTWARE M A P S ANALISI DEI DATI 5 1 MAPPA RCS 5 2 EVOLUZIONE DELLO SPESSORE DEL PBL 5 3 COEFFICIENTE DI BACKSCATTERING AEROSOLICO CONCLUSIONI BIBLIOGRAFIA 121 122 123 126 126 127 128 128 131 132 135 137 INTRODUZIONE Si impongono misure urgenti contro l inq
41. Soret function per il calcolo della media dei dati su 1 minuto function M media_minuto A r c size A for i l r somma 0 for j l c s A i j somma somma s end M i somma c end 4 2 5 Media Q a aa iii funzione per il calcolo del fondo function media media x ro quota zero 457 5 riga corrispondente al fondo ro quota_zero 7 5 1 ae ae 97 oe ciclo di calcolo della media relativa alle righe precedenti quella corrispondente alla quota zero somma 0 for i liro 1 s x i somma sommat s end media somma ro 1 4 2 6 Sottrai_fondo function per la sottrazione del fondo function x new sottrai fondo x a ro ae x vettore dal quale sottrarre il fondo a fondo ro riga corrispondente alla quota 457 5 ae oe r c size x inizializzazione Q il fondo viene sottratto a partire dalla componente corrispondente alla quota 457 5 for 1 rost d d 1 x new d x i a end 4 2 7 Binning 8 punti ladies sein function per il binning ogni 8 punti function media binning 8 punti x x vettore al quale applicare il binning r c size x i 1 d 1 r 98 while i lt c 3 somma 0 si effettua la somma ogni 8 punti for b 0 7 s x itb somma sommat s end si calcola a questo punto la media media d somma 8 i i 8 d d 1 end 4 2 8 RCS 30min Q 6S RSS See function per l elaborazione dei file
42. Trova_posiz Q pmm function per la ricerca della quota di riferimento function posizione trova_posiz a x x vettore nel quale effettuare la ricerca a elemento da trovare dimensioni del vettore r c size x i 1 while i lt c vall x i 108 val2 x itl if a gt vall amp a lt val2 posizione i end i i 1 end 4 2 14 Integrale function per il calcolo dell integrale ch sascsanasa compare nella formula del logaritmo dell RCS La formula S z log RCS 2 integ 1 3K 8pi alfa mol dz ci che si vuole calcolare in questa function integrale alfa_mol dz Si vuole approssimare quest integrale ad una sommatoria considerando per ogni intervallo di ampiezza costante il valor medio della funzione che nel nostro caso per l appunto alfa mol function int integrale x dx posiz r c size x inizializzazione p l for i l posiz 1 val medio p x i x i 1 2 p p t1 end for i posiz c val_medio p 0 p p l end int val medio dx 109 4 2 15 Beta_integrato Questa function consente il calcolo dell integrale del beta s aerosolico nell intervallo di quote fino a circa 4000m ed in un prefissato intervallo temporale function beta integrato path read o Definisco il percorso dal quale leggere i files path_lettura path_read oe Creo una matrice le cui righe forniscano la lista dei fi
43. UNIVERSITA DEGLI STUDI DI NAPOLI FEDERICO II FACOLTA DI INGEGNERIA CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA AEROSPAZIALE DIPARTIMENTO DI SCIENZA E INGEGNERIA DELLO SPAZIO LUIGI G NAPOLITANO PROCESSAMENTO DI DATI LIDAR PER L ANALISI DELL EVOLUZIONE DEL PARTICOLATO ATMOSFERICO URBANO RELATORI CANDIDATA Ch mo Prof Ing Maria Luisa Grappone Antonio Moccia matr 347 316 Dott ssa Giulia Pica Anno Accademico 2004 2005 INDICE INDICE INTRODUZIONE CAPITOLO 1 L ATMOSFERA TERRESTRE 1 1 ATMOSFERA TERRESTRE E SUA COMPOSIZIONE 1 2 CARATTERISTICHE STRUTTURALI DELL ATMOSFERA TERRESTRE 1 2 1 Densit e pressione atmosferica 1 2 2 Temperatura atmosferica 1 3 AEROSOL 1 3 1 Classificazione degli aerosol 1 3 2 Meccanismi di rimozione degli aerosol 1 4 LO STRATO LIMITE PLANETARIO 1 4 1 Caratterizzazione del PBL 1 4 2 Struttura del PBL CAPITOLO 2 LA TECNICA LIDAR DI INDAGINE ATMOSFERICA 2 1 ASSORBIMENTO E SCATTERING 2 2 TECNICHE DI MONITORAGGIO ATMOSFERICO 33 34 39 2 3 LA TECNICA LIDAR 24 EQUAZIONE LIDAR 239 DESCRIZIONE DEI PARAMETRI OTTICI 2 5 1 Parametri ottici in condizione di diffusione elastica 2 5 2 Parametri ottici in condizione di diffusione anelastica 2 6 INVERSIONE DELL EQUAZIONE LIDAR 2 6 1 Metodo analitico di Ansmann 2 6 2 Metodo analitico di Klett 2 6 3 Metodo analitico di Wandinger CAPITOLO 3 DESCRIZIONE DEL PROTOTIPO ED ANALISI DI UNA MISURA 3 1 APPARATO SPERI
44. a ds B 2 2L 2 47 dz RE E eagle Poa Dalla 2 47 e dalla 2 44 si ricava l equazione differenziale ordinaria di Bernoulli sa SAD 5 ig 2 48 dz pdz la cui soluzione 11 el Sn B z 2 49 po 2 Les dr dove Bn Bn 59 Noto quindi il coefficiente di backscattering ad una quota di riferimento Zm SI pu ricavare il coefficiente di backscattering totale B z e noto il profilo della densit molecolare si ricava Bmoi Z e quindi Baer Uno svantaggio di tale metodo consiste nel dover assumere una quota di riferimento in cui si conosce a priori il coefficiente di retrodiffusione aerosolico Ma il limite maggiore dovuto al fatto che per poter determinare Baer occorre conoscere il Lidar ratio che risulta essere una funzione complicata della quota z dipendendo dal rapporto di a e B aerosolici 1 quali dipendono oltre che dalla lunghezza d onda anche da diversi parametru fisico chimici delle particelle indice di rifrazione degli aerosol distribuzione dimensionale umidit relativa ecc Infatti in base alle relazioni 2 28 e 2 22 che descrivono rispettivamente il coefficiente di estinzione e di retrodiffusione aerosolici determinati in base alla teoria di Mie risulta che entrambi i coefficienti sono integrali pesati sulla distribuzione dimensionale degli aerosol aer d 7 a 0 x n N a da Bu 7 a 0 x n N ada 60 2 6 3 Metodo analitico di Wandinger Il metodo sviluppat
45. a all attenuazione del fascio diffuso alla lunghezza d onda Ag quando torna al ricevitore La dipendenza dalla lunghezza d onda dei coefficienti molecolari espressa dalla corrispondenti sezioni d urto e quindi pu ritenersi nota mentre la dipendenza delle parti aerosoliche dalla lunghezza d onda molto pi complicata poich dipende anche dalla forma e dall indice di rifrazione delle particelle Una stima del coefficiente di estinzione alla lunghezza d onda dello scattering di Raman pu essere ottenuta dal segnale LIDAR in condizioni anelastiche ricorrendo ad una relazione empirica che lega il 54 rapporto dei coefficienti Oael Caer Ar al rapporto inverso delle rispettive lunghezze d onda Law An _ 4 bos a 4 A dove k un coefficiente variabile con le dimensioni delle particelle e R delle molecole incontrate dal fascio durante la sua propagazione Con la relazione 2 33 permette di ridurre le incognite dell equazione LIDAR del canale di Raman da due ad una sola e da questa equazione sar possibile ricavare il coefficiente Oaer 2 6 Inversione dell equazione LIDAR Si consideri l equazione di singolo scattering ct A P A 4 52 P 4 B A 4 2 T A4 z T A4 2 2 17 Tale equazione non pu essere risolta in maniera rigorosa in quanto presenta due incognite il coefficiente di estinzione aerosolico Qaer il coefficiente di backscattering aerosolico zer L
46. aerosolico Q grre nctoseenatisa Salwataggio del beta aerosolico _ u c ze name lista_files i 1 11 file name path write name mat salvataggio dati save file name beta aer o 0 Dopo aver effettuato la procedura per i 30 files analizzati bisogna considerare i successivi 30 e ripetere il procedimento fino all ultimo blocco di 30 files Per passare ai successivi 30 necessario incrementare il o oO do 105 contatore 1 1 30 end 4 2 9 Import_molecolare s function per importare i valori del molecolare alle vari function molecolare import molecolare percorso file name ae per poter aprire il file necessario 1 Definire il percorso dal quale prendere il file path percorso Q 2 Definire il nome del file filename file_name Q 3 Concatenare percorso e nome file dati path filename 4 Aprire il file fid fopen file dati r 5 Importare i dati dati textscan fid f headerlines 1 i diversi valori del molecolare alle varie quote sono d dati 1 mol d molecolare mol l end 1 6 Chiudere il file fclose fid 106 quot 4 2 10 Media 30min Q NAA ARANY function per la media ogni 30 minuti function x media_30min A r c size A for j l c somma 0 for i l r s A i j somma somma s end x j somma r end 4 2 11 Import density function per impo
47. ale invece pu variare da 20 km circa sulla zona dei tropici fino ad annullarsi ai poli Al di sopra della tropopausa superato il minimo la temperatura aumenta in modo costante con la quota fino a circa 50 km nella regione che viene chiamata stratosfera 17 Queste due regioni sono quelle decisamente pi importanti dal punto di vista pratico in quanto nella troposfera si svolgono la maggior parte delle attivit umane includendo anche 1 voli con jet che viaggiano attorno ai 10 12 km e la stessa regione sede dei fenomeni meteorologici che ci riguardano pi da vicino La stratosfera invece ricopre un ruolo molto importante dal punto di vista radiativo Particolarmente determinante l attivit svolta dallo strato di ozono posto ad una quota di 22 km dal livello del mare da esso dipende con molta probabilit l incremento della temperatura nelle fasce pi alte in quanto l assorbimento di radiazione solare ultravioletta e radiazione infrarossa emessa dalla superficie terrestre da parte dell ozono fornisce l energia che scalda la stratosfera La concentrazione di tale componente atmosferico cresce con la quota e raggiunge un massimo a circa 50 km pertanto alla stessa quota la temperatura presenta un massimo A di sopra della stratopausa fino a 80 km di quota si estende la mesosfera la temperatura decresce velocemente dal valore di 0 C caratteristico della stratopausa al valore di 90 C Ci dovuto principa
48. ale min data digitale path write name ole i parametri dati in input sono stati determinati nella function segnale lidar min A Correzione Qi pile uip acosnnressssz eS In genere vengono processati 14 o 15 files alla volta relativi all acquisizione ogni 4 secondi in un minuto per cui la matrice dei data digitale sar costituita da 1024 righe corrispondenti ad ogni quota e da 14 o 15 colonne relative ai files analizzati La correzione di PILE UP viene cos effettuata 95 do oe dati pile up dati 1l dati 1 8 10 9 dimensioni della matrice dei dati digitali x y size data digitale I ones x y moltiplico i dati digitali per un fattore di correzione data corr data digitale 1 8 10 9 data pile up data digitale I data corr signi ii Segnale mediato s im minuto 3 s 3 Di questi dati necessario farne la media per ottenere un unico file ogni minuto Viene richiamata a tal proposito la function media minuto profilo ogni minuto media minuto data pile up 1024 componenti l ultima componente dovuta all elettronica di acquisizione determina uno sbalzo di valori pertanto non essendo rappresentativa di effettivi valori fisici pu essere eliminata profilo ogni minuto profilo ogni minuto l end 1 1023 componenti do ss 35as Calcolo del fondo s s s s Una volta ottenuto il file relativo ad un minuto
49. ante di Boltzmann essendo R la costante universale dei gas perfetti pari a 8 314 Jmol K e N 6 022 10 il numero di Avogadro Dalla relazione 1 1 si ricavano varie definizioni di densit e densit numerica p a e densit molare pm a aa densit di m PM e densit di massa p 2M che mostrano come l andamento della densit stesso sia legato a quello della pressione e della temperatura attraverso le costanti R e M essendo quest ultima la massa molare media dell atmosfera pari a circa 28 966 gmol L andamento della pressione con la quota legato a sua volta alla forza di gravit che comprime stabilmente le molecole di gas in uno strato contiguo alla superficie terrestre Per ricavare una stima di tale andamento si consideri l equazione dell equilibrio idrostatico in base alla quale la pressione ad ogni quota determinata dalla forza peso esercitata dalla massa della colonna d aria sovrastante nell ipotesi semplificatrice di atmosfera isoterma ed omogenea Tale relazione nota anche come Legge di Stevino si scrive dP pg dz 1 2 dove e dP l incremento di pressione dovuto all incremento dz di quota e g l accelerazione di gravit e p la densit di massa dell aria 14 e il segno meno indica che la pressione decresce con l altezza z Applicando l equazione di stato dei gas perfetti alla legge di Stevino ed integrando per un dato intervallo di quota in cui massa
50. arte del programma 4 3 1 Leggi bin Questa function converte i dati acquisiti attraverso il programma PLAPMI in grandezze fisiche rappresentanti il rate di conteggio dei fotoni In input devono essere forniti il percorso dal quale prendere i files che di volta in volta saranno processati il nome del file entrambi compresi tra due apici e un parametro indicante la possibilit o meno di visualizzare l andamento del segnale acquisito Ad esempio leggi _bin C Documenti tesi raw data k0551018 4310509 0 118 E necessario poi analizzare i files in modo da conoscerne forma e contenuto e cid viene fatto aprendo ciascun file in modalita lettura Ogni file si presenta nel seguente formato e La I header contiene informazioni relative al nome del file e alla data di creazione Solitamente comincia con uno spazio sempre seguito da una lettera in questo caso la lettera k con le relative informazioni sulla data e l ora di acquisizione e la II header riguarda il sistema quindi ci indica il sito e i paramentri relativi alla posizione del sistema stesso e la III header fornisce informazioni sui laser utilizzati ovvero il numero di impulsi e la velocit con cui questi vengono ripetuti e la IV e V header contengono informazioni riguardanti il tipo di acquisizione se in analogico o digitale il tipo di laser la bin width la lunghezza d onda del fascio laser e ulteriori informazioni sul set di dati A queste headers se
51. artenza scalato di 60 sono le componenti che precedono quella corrispondente alla quota zero profilo minuto new sottrai fondo profilo ogni minuto fondo ro 1x963 115 Q SS SSS SSS SS SS BIDLI a Una volta ottenuto il segnale ogni minuto necessario effettuare il binning ogni 8 punti in modo da ottenere dati ogni 60 metri oe Applicando la function binning 8 punti si ottiene profilo binnato binning 8 punti profilo minuto new 6 1x120 Sa Tse e n tase aS eee se e sena Calcolo del Range Corrected Ss1gnal ss a a Una volta ottenuto il file mediato su 1 minuto su cui stato eseguito il binning devo moltipliacarlo per il quadrato della quota RCS profilo binnato quote_binnate 2 oe I I file name path write name mat salvataggio dati save file name RCS o 4 2 18 RCS_mappe Q g 3 s a function per l elaborazione delle mappe Q a a dei profili ogni 30 min function rcs_ mappe path read Q Definisco il percorso dal quale leggere i files path_lettura path_read do Creo una matrice le cui righe forniscano la lista dei files che si vogliono analizzare ista files ls path lettura Definisco le dimensione della matrice r c size lista files ole bh oS SaaS SSS SSS SS SSS SSeS processamento dei files _eoccuosrsoce j l La lista dei files cominc
52. binnaggio 07 5 88 oe la lunghezza d onda 355 opp 532 seguita da un punto lo stato di polarizzazione 0 nessuno p parallelo s perpendicolare 0 0 000 il numero di bits dell ACD 12 se analogico 00 se digitale il numero di colpi questo l unico valore che cambia per ogni file il data range dell ACD 0 500 se analogico 25 0000 se digitale il dispositivo di identificazione BT0 se analogico BC0 se digitale AP a oP AP AP do oe oe a al Apertura files binari function data_1 data_2 ad_1 ad_2 wavelength_1 wavelength 2 bin width 1 bin width 2 leggi bin percorso file name grafico ole Per poter utilizzare i files binari necessario 1 Definire il percorso dal quale prendere il file path percorso Q 2 Definire il nome del file filename file_name 3 Concatenare percorso e nome file dati path filename Wile cing mini cid FAA Analisi dei files binari Q Apertura del file in modalit testo fid fopen file dati rt ole Una volta aperto il file necessario interpretarne le righe di codice per riuscire a ricavare i parametri utili ai fini del calcolo delle grandezze fisiche che si vogliono determinare ae oe Q 3 Ee ER Prima header gt header1 1 fgetl fid Q nome del file Seconda header header2 1 fgetl fid luogo nel qua
53. cco di 15 o 14 files stato richiesto un controllo sui minuti perch non possibile conoscere quanti files saranno contenuti in un minuto tutto sarebbe stato pi semplice e veloce se in ciascun minuto fosse stato effettuato uno numero fisso di acquisizioni 4 3 4 Res 30min I profili lidar cosi ottenuti salvati in un opportuna cartella vengono forniti in input a tale function per l elaborazione dei dati ogni trenta minuti Attraverso tale function quindi si elaborano 1 dati ottenuti da segnale minuto considerando cicli di 30 files alla volta senza la 123 necessita di alcun controllo Si ottiene cosi una matrice 30x120 in cui le 30 righe sono relative ai minuti processati mentre le 120 colonne non sono altro che le componenti di ciascun vettore generato da segnale_min Di questa matrice si calcola poi una media dei valori di ciascuna colonna tramite la function media_30min in modo da ottenere un unico file relativo ai 30 minuti di acquisizione Si determina successivamente il profilo del molecolare medio attraverso la function import_molecolare in modo da poter normalizzare il segnale lidar a tale profilo E possibile quindi ottenere l andamento di tali segneli in funzione della quota Per fare ci necessario che il vettore delle quote abbia rigorosamente le stesse dimensioni del vettore che si vuole plottare in caso contrario il matlab genera errore Il vettore rappresentante il segnale lidar viene poi
54. co o elseif ad 1 1 amp ad 2 0 93 Q formula per il digitale data 1 dec 1 1024 bin width 1 7 5 20 number of shots 1 formula per l analogico data 2 dec 1025 end data range of the ADC 2 4096 number of shots 2 3 entrambi i laser acquisiscono i dati in modalit analogica elseif ad 1 0 amp ad 2 0 formula per l analogico data 1 dec 1 1024 data range of the ADC 1 4096 number of shots 1 Q formula per l analogico data 2 dec 1025 end data range of the ADC 2 4096 number_of_shots_2 4 entrambi i laser acquisiscono i dati in modalit digitale elseif ad 1 1 amp ad_2 1 formula per il digitale data 1 dec 1 1024 bin width 1 7 5 20 number of shots 1 formula per il digitale data 2 dec 1025 end bin width 2 7 5 20 number of shots 2 end quota max number of data points 1 50 10 9 3 10 8 2 quota 0 7 5 quota max 15 if grafico te ad figure plot quota data 1 l end 1 xlabel quota m ylabel fotoni acquisiti Hz title Dati acquisiti in modalit DIGITAL else figure plot quota data 1 l end 1 xlabel quota m ylabel fotoni acquisiti Hz title Dati acquisiti in modalit ANALOGICA end Gi lt if ad 2 figure plot quota data 2 l end 1 xlabel quota m ylabel fotoni acquisiti Hz title Dati acquisiti in modalit DIGITAL else
55. da questa ricavati attraverso il metodo di Klett uno dei metodi di inversione dell equazione lidar Nel quarto capitolo viene descritto il software da me realizzato per l analisi e l elaborazione di dati acquisiti in campagne di misure lidar al fine di ottenere gli andamenti del profilo lidar del segnale molecolare e del coefficiente di retrodiffusione aerosolico nonch mappe qualitative indicanti la presenza e l evoluzione del particolato in atmosfera Nel quinto capitolo infine vengono presentati tutti i risultati ottenuti con il software realizzato nell ambito di questa tesi e vengono mostrati quindi gli andamenti di tutte le grandezze che risultano di fondamentale importanza nello studio dell analisi del particolato atmosferico CAPITOLO 1 L ATMOSFERA TERRESTRE Nel seguente capitolo viene presentata una descrizione dell atmosfera terrestre e dei suoi principali costituenti effettuando un analisi dettagliata delle variabili fisiche e chimiche che influenzano in maniera rilevante le caratteristiche termiche e strutturali dell atmosfera stessa Tra le particelle presenti in atmosfera una trattazione a parte viene dedicata agli aerosol a causa della loro importanza nella vita umana nei processi che si verificano in atmosfera e per l influenza che questi esercitano sulle propriet fisiche di quest ultima Un attenzione particolare infine riservata al limite inferiore della troposfera ovvero allo
56. di interazione fra la radiazione e il bersaglio Poich l interazione che si vuole osservare la diffusione elastica o anelastica la radianza data da dove J A A z r B 4 4 z r I z r 2 12 I z r V irradianza del laser ossia la potenza radiante che incide sull unit di superficie nella posizione r a distanza z P A4 z r il coefficiente di retrodiffusione noto come coefficiente di backscattering definito come la frazione di energia incidente che viene retrodiffusa per unit di angolo solido 1 1 e per spessore atmosferico unitario L sr 46 Il coefficiente B pu essere espresso in termini di propriet dei diffusori nel seguente modo B A4 4 2 7 N Gn 22 LA 2 13 dove e N z r la densit dell i esima particella diffondente fed o la sezione d urto differenziale di scattering nell unit di tempo e per unit di angolo solido attorno alla direzione Q e L A lo spettro di emissione della i esima specie L A d la frazione di radiazione diffusa che cade nell intervallo spettrale A AtdA Il coefficiente di backscattering quindi cambia in relazione al tipo di scattering considerato Sostituendo nella formula 2 10 le espressioni trovate per la probabilita e la radianza si ottiene P A A 52 Az do E AdAl B 4 4 2 1 I c M T z r x c M dA z r Z m A 2 14 dove AA la finestra spettrale del ricevitore centrata attorno a A lunghe
57. di pi piccole dimensioni come i nuclei di Aitken sono infatti i responsabili della successiva condensazione del vapor d acqua e della formazione delle particelle costituenti le nubi Le nubi che sono sostanzialmente dei densi assiemi di aersol costituiscono il principale fattore di controllo degli scambi energetici che si manifestano tra atmosfera superficie terrestre e spazio esterno Figura 1 5 Rappresentazione schematica del Bilancio Radiativo terrestre La radiazione solare diffusa dalle nubi viene in parte rinviata verso l esterno modificando in tal modo la riflettivit del sistema superficie 22 atmosfera e per questo tendono a raffreddarlo D altra parte le nubi sono esse stesse sorgenti di radiazione termica e si comportano come corpi neri emettendo radiazione infrarossa sia verso l esterno che verso la superficie contribuendo in modo sostanziale al cosiddetto effetto serra Pertanto le nubi in funzione della loro posizione possono contribuire in modo positivo o negativo ai flussi che raggiungono la superficie ed al bilancio energetico del pianeta Tra le particelle igroscopiche particelle che oscillano tra lo stato cristallino e quello liquido rientrano gli aerosol organici di origine vegetale le ceneri organiche ed inorganiche le particelle derivanti da reazioni fotochimiche tra 1 gas di combustione e quelli atmosferici le particelle di sali marini 1 3 2 Meccanismi di rimozione degli aerosol Le
58. e d uso una stampa dei listati sorgente commentati e dalla relativa documentazione Il programma elabora i dati LIDAR al fine di ottenere gli andamenti del profilo lidar del segnale molecolare del coefficiente di retrodiffusione aerosolico e del coefficiente di estinzione aerosolico nonch mappe qualitative indicanti la presenza e l evoluzione del particolato in atmosfera 135 In tabella 1 sono riportati i risultati numerici ottenuti durante la campagna di misure eseguita presso l aeroporto di Pontecagnano nei giorni 9 10 maggio 2005 PARAMETRO VALORE NOTE 2 2123e 005 m sr misura presa alle aria inquinata 1140 m beta aerosolico Pa ore 17 00 4 3444e 009 m sr aria pulita 7000 m 5 53075e 004 m sr calcolato a partire aria inquinata 1140 m dal beta aerosolico alfa aerosolico Fo 1 08e 007 m sr relativo alle stesse aria pulita 7000 m condizioni misura presa alle integrale beta i 10 00 3 645 e 003 sr aerosolico integrazione fino a 4000 metri Tabella 1 Risultati numerici Il calcolo del coefficiente di backscattering aerosolico fornisce informazioni sulla modalit di distribuzione degli aerosol e il suo integrale in quota consente di ottenere indicazioni sul carico aerosolico totale Il coefficiente di estinzione aerosolico permette di avere informazioni sulla trasparenza dell aria un coefficiente basso indica un area trasparente mentre un coefficient
59. e sono responsabili della formazione 28 di nubi e delle precipitazioni e producono uno dei piu importanti processi di trasporto nel PBL la turbolenza 1 4 2 Struttura del PBL Il PBL influenzato direttamente dalla superficie terrestre il suo spessore infatti dipende fortemente dalla morfologia della superficie e dalle condizioni meteorologiche Per quanto riguarda la natura della superficie si osserva che sul mare la profondita del PBL varia lentamente nello spazio e nel tempo a causa delle lente variazioni dei forzanti superficiali dovute a loro volta alla lenta variazione della temperatura della superficie marina durante il ciclo diurno Questo andamento della temperatura dipende dal continuo mescolamento delle masse d aria sovrastanti la superficie del mare e dalla grande capacita termica del mare che puo assorbire grandi quantita di calore dal sole senza variare di molto la sua temperatura Sulla terraferma invece in regioni di alta pressione il PBL ha una struttura ben definita correlata all orografia della regione sottostante e fortemente variabile anche se in modo regolare durante la giornata In ogni caso sia sul mare che sulla terraferma il PBL risulta pi sottile in zone ad alta pressione rispetto a quelle a bassa pressione Come si pu osservare in figura 1 6 l alta pressione provoca uno schiacciamento dell aria del PBL che si sposta verso zone a bassa pressione dove 29 attraverso moti con
60. e alto significa area inquinata L utilizzo inoltre degli aerosol come traccianti permette di dare una stima dello spessore dello strato limite planetario e di seguirne la sua evoluzione nel tempo 136 BIBLIOGRAFIA 1 Guido Visconti Fondamenti di fisica e chimica dell atmosfera Cuen editore 2 T G Kyle Atmospheric Transmission Emission and Scattering Pegamon Press 3 Spacecraft attitude determination and control 4 R Monti G Zuppardi Elementi di Aerodinamica Ipersonica Liguore Editore 5 R M Measures Laser Remote Sensing Fundamentals and Application Krieger Pub Co 1992 6 H Pattersson Cosmic spherules and meteoric dust Scientific American vol 202 1960 7 R Stull An introduction to boundary layer meteorology Kluwer Academic Publishers 1991 8 R T H Collins and P B Russel Laser Monitoring of the atmosphere Ed Springer Verlag Berlin Heidelberg New York 1976 137 9 A Ansmann U Wandinger M Riebesell C Weitkamp W Michaelis Independent measurement of extinction and backscatter profiles in cirrus by using combined Raman elastic backscatter lidar Applied Optics Vol 31 n 33 1992 10 J Klett Stable analytical inversion solution for processing lidar returns Applied Optics N 2 Vol 20 1981 11 J Klett Lidar inversion with variable backscatter extinction ratios Applied Optics 24 N
61. e il molecolare coincidono quota rif input inserire quota di riferimento 102 posiz trova_posiz quota_rif quote binnate oe trovo il valore dell RCS del segnale laser del molecolar corrispondente alla posizione relativa alla quota di riferimento segn RCS_segnale_lidar posiz mol RCS_molecolare posiz 0 calcolo il loro rapporto k segn mol effettuo la correzione del segnale moltiplicando il molecolare stesso per il parametro appena determinato RCS molecolare corr RCS_molecolare k 1x120 grosse nnna Confronto RCS molecolare RCS segnale Laser figure plot quote binnate RCS_segnale lidar g quote binate RCS_molecolare corr b xlabel quote m legend RCS del segnale di ritorno del laser RCS del segnale molecolare 1 in scala logaritmica Q panene Calcolo del punto d imtersezione dei 2 segnali inters intersect RCS segnale lidar RCS molecolare corr L equazione Lidar di singolo scattering presenta due incognite il coefficiente di estinzione aerosolico e il coefficiente di backscattering aerosolico Allo scopo di ricavare questi coefficienti sono stati messi a punto opportuni algoritmi di calcolo per l inversione dell equazione Il metodo di KLETT nello specifico consente di determinare tali parametri in condizioni di scattering elastico supposto noto il LIDAR RATIO ovvero il rapporto tra alfa e beta aerosolici E
62. ecolare medio L RCS cos ottenuto deve essere quindi confrontato con PRCS del segnale molecolare dovuto alle sole molecole senza considerare gli aerosol presenti in atmosfera Per fare ci occorre dapprima determinare i valori della densit e della sezione d urto differenziale di retrodiffusione nel caso di scattering di Rayleigh La densit ricavata a partire dai valori di temperature e pressione calcolati negli intervalli di tempo in cui vengono effettuate le acquisizioni ed diverso per ogni quota mentre per la sezione d urto si richiama la formula 2 21 precedentemente analizzata In tal modo possibile calcolare il coefficiente di backscattering molecolare da cui 71 ricavare il coefficiente di estinzione molecolare e lo spessore ottico del mezzo Il segnale molecolare viene quindi determinato applicando la seguente formula 2f aner numberdensity e segnale molecolare z2 3 1 r da cui moltiplicando per il quadrato della quota si ricava il Range Corrected Signal 10 l 1 J RCS del segnale di ritorno del laser 4 RCS del segnale molecolare 100 101 10 E 10 I I li I I li I 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 quote m figura 3 7 Andamento del Range Corrected Signal normalizzato sul molecolare 78 Dal profilo normalizzato si calcola successivamente il profilo del coefficiente di retrodiffusione aerosolica utilizzando l algorit
63. essa l ultimo blocco di files name lista_files j 1 11 RCS rcs_min mappe data digitale path write name clear RCS end end ae 4 2 17 Res_min mappe oS function per il calcolo del Range cirrected signal sso cia in un minuto di acquisizione oS SS Se da inserire nelle mappe function RCS rcs_ min mappe data digitale path write name BASSES SSS SS SSS eS s Correzione di pies Sa Seas Ses SS SSeS SSeS In genere vengono processati 14 o 15 files alla volta relativi all acquisizione ogni 4 secondi in un minuto per cui la matrice dei data digitale sar costituita da 1024 righe corrispondenti ad ogni quota e da 14 o 15 colonne relative ai files analizzati La correzione di PILE UP viene cos effettuata dati pile up dati 1l dati 1 8 10 9 dimensioni della matrice dei dati digitali x y size data digitale oe I ones x y moltiplico i dati digitali per un fattore di correzione data corr data digitale 1 8 10 9 data pile up data digitale I data corr 114 ao Tonem eese SSS Segnale mediato s un minuto reatoscoane Di questi dati necessario farne la media per ottenere un unico file ogni minuto Viene richiamata a tal proposito la function media minuto profilo ogni minuto media minuto data pile up 1024 componenti oe ae Cv oo l ultima componente dovuta all elettronica di ac
64. ettamente ma solo all interno delle procedure principali E tuttavia possibile far eseguire indipendentemente una di queste prestando ben attenzione a quali sono 1 parametri da fornire in ingresso a ciascuna di esse Quando invece si richiama una delle function principali immediatamente nella finestra di comando vengono poste delle domande relative alla directory dalla quale attingere i files da analizzare e in questo caso bisogna ricordare di inserire il percorso indicato tra due apici Cos ad esempio se si vuole eseguire il programma segnale minuto basta scrivere nella command window segnale minuto e premere invio nella stessa finestra comparir inserire la directory dalla quale prendere i files e quindi scrivere C Documenti tesi raw data In caso contrario ovvero dimenticando di inserire gli apici il programma dar errore 222 C Documenti tesi raw data Error Expected a variable function or constant found Error in gt c documenti tesi programmi matlab segnale lidar min m On line 11 gt path read input inserire il percorso dal quale prendere i files 83 Alcuni programmi forniscono direttamente l output che verr poi utilizzato come input da altre procedure mentre altri prima di generare 1 risultati spesso grafici richiedono l inserimento di parametri valori che possono di volta in volta cambiare a seconda dello studio che si intende svolgere Proprio per tale ragione il programma
65. ficiente di backscattering aerosolico A titolo di esempio del tipo di informazioni che si ricavano dal calcolo del coefficiente di backscattering aerosolico e dall analisi della sua evoluzione nel tempo riportiamo nella figura 5 3 il profilo in quota del Baerrelativo alle ore 17 00 x 10 2 5 beta aerosolico m 1 sr 1 0 5 I I I L I I I 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 quote m Figura 5 3 Profilo del coefficiente di backscattering aerosolico alle ore 17 00 132 Esso fornisce indicazioni in quota della distribuzione di aerosol ad un dato intervallo temporale Si denota la presenza di una struttura aerosolica all interno del PBL con una doppia stratificazione la prima termina a circa 600 metri mentre la seconda si distribuisce attorno a quota 1000 metri Queste due strutture corrispondono a quello che stato definito come Convective Boundary Layer Il valore del Lidar Ratio nell intervallo di quote del PBL considerato che si tratta di aerosol a preminente provenienza marina e data la vicinanza della costa lo si assume in accordo con i dati di Ackermann 15 pari a 25 In figura 5 4 riportato l integrale del coefficiente di backscattering aerosolico che fornisce un valore indicativo del carico aerosolico totale in quota e nel tempo 3 x 10 4 3 5 gS 5o 3 wn O D Oo O 2 5 J a 5 a a er 7 amp 1 5 4 1 I I I l l 8 47 9 16 9 47 10 16
66. file da processare file succ lista_files j orario di acquisizione orario new file succ 10 11 controllo sulla procedura if orario new orario data _1 data 2 ad 1 ad 2 leggi bin path read file succ graph si continua a creare la matrice definita fuori dal ciclo if ad 1 d d 1 data_digitale d data_1 else a atl data analogico a data 1 end if ad 2 d d 1 data digitale d data 2 else a atl data_analogico a data_2 end clear data_1 data 2 else ae se il file analizzato non rientra nello stesso minuto di acquisizione del precedente allora si richiama la function rcs min mappe per poter determinare il profilo lidar dei segnali acquisiti nel precedente minuto oe oe ae necessario definire dapprima un nome che sia relativo a tutti i files precedenti name lista files j 1 1 11 RCS rcs_min mappe data digitale path write name clear RCS questo punto per ricominciare il processo necessario zzerare la matrice dei dati cont 1 definire nuovamente l orario orario orario new disp processamento in corso file num2str cont data _1 data 2 ad 1 ad 2 leggi bin path read file succ graph if ad 1 d d 1 data digitale d data 1 else a atl data analogico a data 1 113 end if ad 2 d d 1 data digitale d data 2 else a atl data_analogico a data_2 end clear data 1 data 2 end if j r si proc
67. gue poi la parte da decodificare la conversione viene eseguita in due cicli separati uno per l analogico e l altro per il digitale considerando 1024 campioni alla volta corrispondenti ai 1024 canali di acquisizione di cui dotata la scheda multicanale Dopodich si applicano le formule di conversione che si differenziano a seconda del tipo di acquisizione in rawdata datarangeofADC 4096 shotnumber analog V 4 1 binwidth 20MHz photon count MHz rawdata 7 5 m shotnumber 4 2 119 Come stato gi detto durante questa campagna di misure il segnale stato acquisito solo in fotoconteggio per cui leggi bin fornir in output due vettori di cui uno quello relativo all acquisizione in analogico costituito da tutti zeri Altri output vengono generati dalla function ad esempio due parametri indicanti il tipo di acquisizione 1 per il digitale e 0 per l analogico tuttavia possibile decidere quanti parametri ottenere semplicemente indicandoli o meno tra le variabili in uscita Cos ad esempio function data_1 data_2 ad_1 ad_2 wavelength_1 wavelength_2 bin_width_1 bin_width_2 leggi _bin percorso file_name grafico dar in uscita tutti i parametri indicati tra le parentesi quadre se si vuole ottenere solo i primi due si scriver function data_1 data_2 leggi_bin percorso file_name grafico Bisogna tener presente per che il matlab rispetta l ordine con cui una variabile scritta
68. i Free Atmoaphorc Entisinmont Fonc ltm Sunzinc Noon Sunact Figura 1 7 Struttura schematica del PBL che si sviluppa sopra la superficie terrestre in una regione di alta pressione e in condizioni di cielo sereno durante un ciclo diurno e lo strato superficiale surface layer instabile e fortemente dipendente da quanto avviene sulla superficie terrestre caratterizzato da un elevata concentrazione di inquinanti 31 e lo strato rimescolato mixed layer che si sviluppa nella parte centrale caratterizzato da un intenso mescolamento dell aria e entrainment zone la zone di transizione tra il mixed layer e la free atmosphere che ostacola la propagazione della correnti di aria calda ascendenti verso la libera atmosfera L inizio della crescita del CBL si osserva circa mezz ora dopo il sorgere del sole continua a crescere durante il corso della giornata e raggiunge la massima profondit nel tardo pomeriggio quando la temperatura superficiale del suolo ha raggiunto il suo valore pi alto Mezz ora circa dopo il tramonto il CBL comincia a decadere ed origina lo strato limite stabile Questo si forma in conseguenza del raffreddamento della superficie e si sviluppa per un altezza molto inferiore al CBL La struttura termica dello strato limite stabile impedisce alla turbolenza prodotta al livello del suolo di interessare gli strati superiori I moti convettivi sono praticamente nulli Il terzo strato che si
69. ia a partire dalla terza riga della oe matrice lista_files prima creata 116 for i 3 r disp processamento in corso file num2str i 2 di num2str r 2 curr file lista files i file name path lettura curr file fid fopen file name r dati j importdata file name j j 1 fclose fid end Quote la massima quota 7680 quota zero 457 5 quota max 7680 quote 7 5 7 5 quota max ssono 1024 punti di quota ricavo le quote corrett quote corrette quote quota zero quota max corretta quote corrette end il vettore delle quote associate ai dati binnati sar ote binnate 60 60 quota max corretta sono 120 punti di quota ae Q vettore tempo t 1 1 1130 imagesc t quote binnate dati xlabel time UT ylabel quote m 117 4 3 Documentazione del programma Nella stesura del programma sono stati individuati i seguenti sottoproblemi 1 analisi dei files binari generati dal programma di acquisizione PLAPMI in modo da conoscerne la forma e il contenuto 2 conversione dei files 3 analisi di metodi di acquisizione di una misura lidar 4 studio del metodo di Klett per l inversione dell equazione lidar Verranno in seguito descritte in dettaglio tutte le procedure utilizzate per la risoluzione dei sottoproblemi sopra elencati poste in ordine di utilizzo da p
70. ida dell ordine di grandezza di un ora o meno alle sollecitazioni derivanti dalla superficie ci non significa che il PBL raggiunga uno stato di equilibrio in tale lasso di tempo ma solo che comincia ad alterare il suo stato iniziale I cambiamenti che si osservano nel PBL sono riconducibili alla concomitanza di una serie di fattori legati all interazione tra la superficie terrestre e lo strato di atmosfera sovrastante Tali fattori indicati con il termine di forzanti superficiali hanno un carattere sia naturale che antropico ed includono la resistenza aerodinamica causata dalla forza di attrito viscoso l evaporazione e la traspirazione il riscaldamento e il raffreddamento la morfologia del terreno che induce modifiche del flusso d aria l emissione di grandi masse di inquinanti dovute a sorgenti naturali o umane Sono proprio questi forzanti che inducono continui cambiamenti nel PBL e influiscono sul suo spessore provocandone una grande variabilit nello spazio e nel tempo Il PBL si estende infatti dalla superficie terrestre fino ad un altitudine variabile tra 0 5 e 2 5 km 27 Uno dei fattori principali che influisce sullo spessore del PBL la variazione diurna della temperatura in prossimit della superficie terrestre Questo ciclo diurno della temperatura non dovuto all assorbimento diretto della radiazione solare da parte del PBL sono le radiazioni trasmesse dalla terra che influiscono sul PBL portando
71. iente di estinzione che rappresentano i parametri ottici del bersaglio atmosferico Si prenda in esame il solo coefficiente di backscattering Quest ultimo comprende due contributi la parte aerosolica e la parte molecolare Il primo contributo dovuto alla retrodiffusione di tipo Rayleigh da parte delle molecole il secondo dovuto invece alla retrodiffusione di tipo Mie da parte delle particelle aerosoliche possibile quindi scrivere B Bmot Baer La parte molecolare dovuto alla diffusione da parte di particelle molto pi piccole rispetto alla lunghezza d onda della radiazione che le colpisce ed pertanto descritto in base alla teoria di Rayleigh dalla seguente espressione do 9 7 N Bio mol dQ 2 19 dove do z m n l dQ N nA 2 20 50 rappresenta la sezione d urto differenziale di Rayleigh per l angolo di diffusione 0 x mentre Nmoi il numero di molecole per unit di volume Quest ultima quantit ricavabile da modelli atmosferici rappresenta la concentrazione totale di molecole presenti in atmosfera Una stima della sezione d urto differenziale di retrodiffusione per una miscela di gas esistente al di sotto di 100 km risulta pari a 4 dol _ 5 45 9 10 cms 2 21 dQ A um da cui si evince la caratteristica dipendenza da 2 Quando invece le particelle hanno dimensioni confrontabili con la lunghezza d onda della radiazione che le investe le loro pr
72. iffusione ossia quella che corrisponde al fenomeno della diffusione a 180 rispetto alla direzione del fascio di luce incidente sulla particella In questo caso si ottiene sug da 0 2 S e 27 da cui si ottiene per il coefficiente di backscattering m n siy Pn TNA 2 8 Il coefficiente f rappresenta la parte di energia incidente che viene retrodiffusa dal bersaglio atmosferico per unit di angolo solido e per spessore atmosferico unitario Nel caso di scattering di Mie considerato il coefficiente totale di scattering di volume e tenendo adesso conto delle diverse sezioni d urto delle particelle risulta 38 Bild N o r dr 2 9 dove N r dr rappresenta il numero di particelle con indice di rifrazione n aventi raggio compreso tra r e r dr e i limiti di integrazione definiscono l intervallo di variabilit dei raggi per la distribuzione dei diffusori 2 2 Tecniche di monitoraggio atmosferico L indagine dell atmosfera attraverso segnali ottici basati sui processi di scattering elastico ha preceduto l invenzione del laser ma solo dopo tale invenzione avvenuta agli inizi degli anni 60 si raggiunto un notevole miglioramento grazie alla possibilit di disporre di fasci luminosi monocromatici molto collimati di notevole potenza e di lunghezza d onda dell ordine delle dimensioni delle particelle atmosferiche La possibilit infatti di disporre di radiazione laser impulsata ha re
73. l file Q Apertura del file in modalit binaria fid fopen file_dati r Si fanno scorrere le prime headers gia analizzate fino alla parte riguardante il codice binario for i 1 6 fgetl fid end Q Ciclo di conversione del file da binario a decimale la conversione verr eseguita per i primi 1024 campioni for i l number of data points 1 si considerano 4 byte per volta che dopo essere convertiti in valori binari devono essere concatenati do 0 si leggono uno per volta i valori all interno del fil binario a partire dalla posizione corrente val fread fid 1 si effettua la conversione da decimale a binario binl dec2bin val 8 o val fread fid 1 si effettua la conversione da decimale a binario bin2 dec2bin val 8 91 val fread fid 1 si effettua la conversione da decimale a binario bin3 dec2bin val 8 val fread fid 1 si effettua la conversione da decimale a binario bin4 dec2bin val 8 oe a questo punto i quattro valori binari vengono accodati l uno all altro in modo tale da considerare prima il meno significativo concat bin4 bin3 bin2 binl o una volta ottenuto concat questo deve essere nuovamente convertito in decimale dec i bin2dec concat end per analizzare i successivi 1024 campioni bisogna saltare 2 posizioni relative ai caratteri 13 10 fread fid 1 fread fid 1 Q la conve
74. l primo file della lista che viene processato file corrente lista files i si determina l orario di acquisizione di tale file orario file corrente 10 11 Per questo primo file viene richiamata la function leggi bin data _1 data 2 ad 1 ad 2 leggi bin path read file corrente graph jo Si ricorda che data 1 e data 2 sono i valori ottenuti applicando le formule di conversione dei valori binari e ad 1 e ad 2 sono variabili che tengono conto del tipo di acquisizione 1 se in digitale e 0 se in analogico cle Una volta ricavati i dati a seconda del tipo di acquisizione creo due matrici una che memorizzi tutti i dati in digitale e l altra che memorizzi invece quelli in analogico LE ad 1 d d 1 data digitale d data 1 else a at l data analogico a data 1 end if ad 2 d d 1 data digitale d data 2 else a at l data_analogico a data_2 end clear data 1 data 2 pesata Ciclo di processamento dei files successivi al primo Per poter considerare solo i files relativi ad un dato minuto di acquisizione necessario effettuare un confronto tra due files il primo e quello che di volta in volta segue in modo da fermare il processamento quando il file seguente non rientra nello stesso 112 minuto di acquisizione del primo for j itl r incremento del contatore cont conttl disp processamento in corso file num2str cont
75. l segnale lidar stata compilata la procedura trova_posiz che consente di determinare fissata una quota di riferimento il punto in cui i due segnali coincidono In corrispondenza di tale quota si calcolano poi i valori dei due segnali se ne considera il rapporto e si moltiplica il molecolare per tale valore Si procede infine con la determinazione del coefficiente di retrodiffusione aerosolico attraverso il metodo di Klett Da questo punto di vista nella routine non ci sono comandi particolari si cercato soltanto di tradurre in linguaggio di programmazione le formule viste durante lo studio teorico L output di tale procedura proprio il coefficiente di retrodiffusione aerosolico nonch gli andamenti dei parametri utili all analisi del particolato atmosferico 125 4 3 5 Beta integrato Questa function consente il calcolo dell integrale del coefficiente di retrodiffusione aerosolico fino alla quota di 4000 metri ed in prefissato intervallo temporale In input viene fornito il percorso nel quale sono stati memorizzati i files contenenti i beta aerosolici precedentemente determinati I dati sono quindi rappresentati da una matrice 120 x m dove m variabile a seconda dell intervallo temporale nel quale si decide di effettuare l integrazione L integrale viene calcolato fissando le quote di inizio e fine integrazione che possono essere variabili per ogni beta considerato ottenendo infine l andamento del carico ae
76. la radiazione elettromagnetica diffusa infatti se le dimensioni delle particelle sono molto pi piccole della lunghezza d onda della radiazione incidente x lt lt 1 la radiazione distribuita quasi uniformemente attorno alla particella e il processo di interazione dominante descritto dallo scattering di Rayleigh In figura 2 1 riportata una rappresentazione schematica della distribuzione angolare della radiazione diffusa Scattering di Rayleigh Scattering di Mie Scattering di Mie per particelle pi grandi NEC _ wif i WIS i direzione del fascia incidente Figura 2 1 Distribuzione angolare della radiazione diffusa al variare del parametro x Lo scattering di Rayleigh si osserva nei processi di interazione di luce visibile A 500nm con molecole gassose in atmosfera a 0 1 nm e anche con radiazione nelle microonde A 5 cm interagente con gocce 36 di pioggia a lt 2 5 mm corrispondenti a valori di x pari a 10 e 0 3 rispettivamente Man mano che le dimensioni aumentano compare un picco in avanti nella direzione di propagazione del fascio e la distribuzione della radiazione diffusa perde la sua simmetria fino a risultare quasi indipendente dalla lunghezza d onda quando le dimensioni delle particelle sono molto maggiori di In questo caso la descrizione dei processi di scattering opportunamente fornita dalla teoria di Mie e i valori di x vanno da 0 3 fino a circa 50 come osse
77. le si effettua la misura sito header2 1 2 7 data data header2 1 9 18 ora inizio misura header2 1 20 27 fine misura header2 1 40 47 posizione altitude str2num header2 1 49 52 longitude str2num header2 1 54 59 latitude str2num header2 1 61 66 zenith angle str2num header2 1 68 69 89 Terza header header3 1 fgetl fid numero di impulsi number of laser shots of type 1 str2num header3 1 2 8 velocit repetition rate of laser 1l str2num header3 1 10 13 numero di impulsi number of laser shots of type 2 str2num header3 1 15 21 velocit repetition rate of laser 2 str2num header3 1 23 26 number of data set str2num header3 1 28 29 Q 6 si Quarta header si header4 1 fgetl fid data set active 1 str2num header4 1 2 tipo di acquisizione ad 1l1 str2num header4 1 4 tipo di laser laser type 1 str2num header4 1 6 numero di punti number of data points l str2num header4 1 8 12 voltaggio high voltage of the PM 1 str2num header4 1 16 19 binning bin width 1 str2num header4 1 21 24 lunghezza d onda wavelength 1 str2num header4 1 28 30 polarizzazione polarization status l header4 1 32 number of bits of the ADC 1 str2num header4 1 45 46 number of shots 1 str2num header4 1 48 53 data range of the ADC 1 str2num header4 1 55 59 device identificator 1l header4 1
78. les che si vogliono analizzare ista_files ls path lettura Definisco le dimensione della matrice r cl size lista files inizializzazione vettore beta integrato d 0 La lista dei files comincia a partire dalla terza riga della s matrice lista files prima creata for 1 3 F curr file lista files i si crea il nome file name path lettura curr file per importare i dati necessario aprire i files fid fopen file name r dati importdata file name fclose fid Quot la massima quota 7680 quota_zero 457 5 quota_max 7680 quote 7 5 7 5 quota_max sono 1024 punti di quota ricavo le quote corrett uote corrette quote quota zero uota max corretta quote corrette end il vettore delle quote associate ai dati binnati sar quote binnate 60 60 quota max corretta ssono 120 punti di quota 110 oe Per poter effettuare l integrazione di beta occorre calcolare l integrale di beta in corrispondenza della quota iniziale e finale do ae ae quota di inizio integrazione quota_iniz input inserire quota inizio integrazione S indice quota iniziale indice in trova posiz quota iniz quote binnate beta int 1 sum dati l indice in squota di fine integrazione quota finale input inserire quota fine integrazione sindice quota finale indice fin trova posiz quota finale quote binnate beta int 2 sum dati l indice fin
79. lmente alla diminuzione di concentrazione di ozono con la quota Lo strato successivo detto termosfera ed caratterizzato da un aumento della temperatura con la quota Il limite superiore di tale regione detto fermopausa si trova a circa 500 km e a tale altezza si registrano temperature superiori ai 700 C Data la mancanza di uno strato superiore la termosfera fortemente irradiata dal sole a lunghezze d onda molto corte con conseguente ionizzazione e dissociazione delle molecole per cui questa regione risulta costituita essenzialmente da elettroni liberi e molecole ionizzate Per questo motivo all interno della 18 termosfera si sviluppa una ulteriore zona detta ionosfera caratterizzata da aumenti di temperatura fino a 1000 C Al di sopra della ionosfera si estende l esosfera popolata da elettroni e frammenti di molecole che collidono raramente e spesso sfuggono all atmosfera stessa L esosfera si confonde gradualmente con lo spazio interplanetario e costituisce il limite superiore dell atmosfera 1 3 Aerosol Un aerosol un sistema esteso di particelle liquide o solide sospese in un gas Queste particelle rimanendo sospese nell atmosfera per periodi di tempo considerevoli vengono trasportate da correnti verticali e orizzontali spesso anche per grandi distanze Nell atmosfera terrestre gli aerosol possono differire notevolmente per origine composizione e dimensione come mostrato in figura 1 4
80. mentazione del programma in cui viene effettuata una descrizione di tutte le procedure utilizzate 80 4 1 Manuale d uso Vengono di seguito descritte le caratteristiche principali del software e presentata una facile guida all utilizzo dei programmi matlab compilati in modo da garantirne un efficiente funzionamento sia per coloro che hanno dimestichezza con l ambiente matlab e il suo linguaggio di programmazione sia per chi non conoscendo il matlab pu essere in grado tuttavia mettendo in pratica le proprie conoscenze teoriche dell argomento di utilizzare l insieme dei programmi di seguito presentati 4 1 1 Generalit Il software M A P S fornito all utente su cd rom Il programma elabora i dati acquisiti in campagne di misure lidar al fine di ottenere gli andamenti del profilo lidar del segnale molecolare del coefficiente di retrodiffusione aerosolico e del coefficiente di estinzione aerosolico nonch mappe qualitative indicanti la presenza e l evoluzione del particolato in atmosfera Il programma non ha limiti hardware pertanto utilizzabile su tutti 1 computer presenti attualmente il commercio Per ci che concerne il software il programma stato compilato utilizzando il linguaggio di programmazione Matlab7 0 su sistema operativo WindowsXp 81 Occorre pertanto prima di procedere all esecuzione del programma installare tale versione del Matlab Dopo aver aperto il Matlab7 0 il programma
81. mo di Klett Bisogna precisare tuttavia che non sempre l operazione di normalizzazione al profilo molecolare del profilo lidar possibile Tale operazione consiste per l appunto nel far coincidere in media i due profili in quegli intervalli di quote in cui il segnale lidar dovuto alla sola retrodiffusione di gas molecolari dell aria essendo in presenza di aria priva di qualsiasi aerosol o tracciante Pu accadere invece che a causa ad esempio della presenza di nubi a partire dalle quote in cui generalmente vi aria pulita provenga un segnale troppo rumoroso che non consenta di effettuare la normalizzazione necessaria per utilizzare l algoritmo di Klett 79 CAPITOLO 4 DESCRIZIONE DEL SOFTWARE SVILUPPATO Nel seguente capitolo viene descritta la parte sperimentale del mio lavoro di tesi che consistita nell implementare il software M A P S Monitoring of Atmosphere Particulate Software in grado di elaborare 1 dati forniti da una campagna di misure lidar di concentrazione di particolato per l analisi dell evoluzione degli aerosol nello strato limite planetario Il software realizzato traduce in linguaggio di programmazione tutto lo studio teorico fin ora presentato Il capitolo strutturato in tre parti e un manuale d uso in cui vengono presentate le generalit del programma e la relativa guida per l utente e la stampa dei listati sorgente commentati scritti in linguaggio Matlab e la relativa docu
82. molare media e temperatura si mantengono costanti e per un dato intervallo di pressione corrispondente a tali quote si ottiene sia per la densit che per la pressione un andamento decrescente esponenzialmente con la quota PE Psr e 7 1 3 dove e Pg la pressione al livello del mare e B g RT il fattore di scala dell atmosfera assumendo per T il valore medio costante della temperatura della superficie terrestre pari a 15 C 288 K Si osserva che l approssimazione di considerare la temperatura atmosferica costante non si discosta molto dalla realt poich T rappresenta una media delle temperature effettive alle varie quote di atmosfera 15 1 2 2 Temperatura atmosferica Sebbene la pressione costituisca il fattore pi importante da cui dipende la densit anche la temperatura gioca un ruolo decisivo nell andamento della densit in quanto aumenti di temperatura implicano aumenti di volume e conseguenti diminuzioni di densit In figura 1 3 riportato il tipico profilo verticale della temperatura che mostra come l atmosfera terrestre sia schematizzabile in strati ognuno dei quali presenta un andamento lineare della temperatura con la quota e risulta separato dal successivo da zone di atmosfera isoterma la cui estensione difficile da definire soprattutto alle quote pi alte e risulta variabile sia con le stagioni che con la latitudine Il passaggio da uno strato all altro contraddistinto da
83. moltiplicato per il quadrato della quota in modo da ottenere 1 RCS Si effettua successivamente il calcolo del segnale molecolare in questo caso per poter determinare i parametri da immettere nelle formule vengono richiamate le procedure import quote ed import density Tramite queste come suggerisce il loro nome vengono importati nella function res _30min due vettori contenenti i valori delle quote e del number density ad esse associato Tali valori sono ricavati da un apposita tavola il cui nome deve essere dato come input alle due routine insieme alla directory in cui stata salvata Questa tavola fornita dal programma ussal976 deve tuttavia essere modificata per poter essere importata in matlab Infatti il comando matlab usato per importare i dati textscan che consente di importare files alfanumerici che abbiano per una sola riga 124 contenente stringhe di caratteri per tale ragione la tavola stata modificata in modo da avere solo una riga contente caratteri alfabetici Inoltre sono stati considerati solo i valori di interesse ovvero le quote a partire da 60 m fino a 7680m e i corrispondenti valori del number density Ricavati tali valori si determina il segnale molecolare e il grafico relativo al suo andamento tramite il quale infine possibile effettuare un confronto con PRCS del segnale lidar precedentemente determinato A questo punto per effettuare operazione di normalizzazione al profilo molecolare de
84. na determinata direzione dello spessore ottico del mezzo attraversato Tali metodi quindi non forniscono la possibilit di risalire alla distribuzione spaziale delle particelle ma danno informazioni sulle propriet di attenuazione dovuta a scattering ed assorbimento da parte delle particelle presenti in atmosfera della radiazione da parte di zone atmosferiche pi o meno estese La disponibilit tuttavia di impulsi di grande intensit ha reso possibile la realizzazione di misure remote non invasive basate sullo scattering da parte di specifiche molecole con la possibilit di identificazione delle stesse Ed proprio su tali caratteristiche che si basano i sistemi LIDAR acronimo anglosassone di Light Identification Detection and Ranging ovvero rivelazione identificazione e misura della distanza per mezzo della luce Tali sistemi consentono dunque di ottenere misure pi frequenti e pi dettagliate di vaste zone orizzontali e 40 verticali dell atmosfera con la possibilit di ricavare maggiori informazioni sulla composizione chimica e sulle propriet fisiche della stessa La tecnica Lidar inoltre si rivelata la pi adatta allo studio degli aerosol e dello strato limite planetario e grazie alla sua elevata risoluzione spazio temporale risulta un potente mezzo per monitorare l evoluzione dei parametri meteorologici e delle propriet atmosferiche 2 3 La tecnica LIDAR Il principio generale su cui si basa il
85. necessario introdurre una variabile S z definita come il log RCS e fissare un valore di tale variabile ad una quota di riferimento dove per quota di riferimento si intende il punto a pi alta quota dove non si riscontra pi la presenza di aerosol ovvero dove molecolare e segnale risultano coincidenti Analogamente necessario calcolarsi il beta molecolare a tale quota Una volta noti tutti i parametri possibile calcolare il coefficiente di retrodiffusione totale applicando la seguente formula 103 ae ae beta z exp S z Sm 1 betam 2 integ K exp S z Sm dz oe ae dove K il LIDAR RATIO e ole oe S z log RCS 2 integ 1 3K 8pi alfa mol dz oe lidar ratio variabile a seconda della quota quota input inserire quota per il lidar ratio indice corrispondente alla quota indicata val l trova posiz quota quote binnate valore del lidar ratio K1 1 val_1 input inserire lidar ratio quota input inserire quota per il lidar ratio val _2 trova_posiz quota quote binnate val val 2 val 1 K2 1 val input inserire lidar ratio quota input inserire quota per il lidar ratio val_3 trova_posiz quota quote binnate val n val 3 val 2 K3 l val n input inserire lidar ratio squota input inserire penultima quota per il lidar ratio l ultima quota che si considera sempre pari a 7140 m quota 7140 val 4 trova posiz quo
86. no sulla sua intensit attraverso i coefficienti di retrodiffusione e di attenuazione Questi ultimi come stato detto sono legati a parametri quali la densit la temperatura e la pressione atmosferiche che possono essere determinate grazie all utilizzo di modelli atmosferici che richiedono la conoscenza della temperatura e della pressione alla quota corrispondente alla posizione della stazione lidar Accanto ad informazioni sulla temperatura e la pressione che forniscono profili del segnale molecolare in atmosfera pu essere utile disporre di informazioni relative alla velocit e alla direzione del vento per comprendere meglio anche la dinamica delle strutture aerosoliche 73 Queste informazioni di tipo meteorologico sono in genere acquisite utilizzando sensori posti in prossimita della stazione lidar Nella campagna di misure cui fa riferimento questa tesi oltre tali sensori si potuto disporre di un aeroplano E R A environmental research airplane modello Sky Arrow in dotazione dell Isafom Istituto per i Sistemi Agricoli e Forestali del Mediterraneo dotato di strumentazioni compatte e a bassa potenza e di sistemi di acquisizione dati digitali ad alta velocit in grado di misurare i cambiamenti di massa quantit di moto ed energia che caratterizzano gli strati pi bassi dell atmosfera Tali strumentazione in grado di ricavare profili dei parametri atmosferici necessari per la validazione dei dati lidar
87. o da Wandinger 12 permette di ricavare il coefficiente di backscattering utilizzando una combinazione dei segnali elastico e Raman acquisiti simultaneamente Si considerino a tal proposito le equazioni Lidar 2 18 e 2 31 rispettivamente per il segnale elastico e Raman e le si esplicitino rispetto ai coefficienti di estinzione e retrodiffusione somma dei contributi molecolari ed aerosolici 2f ae eat ld dl ta Pet 2 50 k do LL ase nyse deflate yet Ndr e Lee N Zz ea e dQ 2 51 dove e 4 la lunghezza d onda del laser e Ax la lunghezza d onda del segnale Raman da parte delle molecole di azoto e i fattori k contengono tutte le informazioni riguardanti le efficienze di raccolta della radiazione le efficienze di trasmissione delle ottiche e le efficienze dei rivelatori Si consideri il seguente rapporto dei segnali a due diverse quote P 2 P Zo E Z P z 2 52 61 dove zo una quota di riferimento fissata Sostituendo nella 2 52 le espressioni 2 50 e 2 51 si ricava fiai ry eerie ar Nx 2 P 2 P Z e e l R a A 0 BE 2 B85 e Bi zee OR ode gra fiag eer lar Nx z0 P Zo Pi De 2 53 nell ipotesi che i fattori di sovrapposizione relativi al canale elastico e a quello Raman siano uguali La quota di riferimento z viene scelta in modo che risulti 1 20 gt gt Bi z cos da poter trascurare il termine aerosolico
88. o laser e del telescopio di 27 1 cm Lo specchio primario del telescopio sferico e ha un diametro di 20 cm con un apertura centrale di 3 cm in cui insiste un buffle di 17 cm che serve a non rilevare la radiazione non riflessa dallo specchio Lo specchio secondario ellittico con un diametro di 6 cm La distanza fra i due specchi di 34 cm e la distanza focale effettiva di 140 cm Figura 3 4 Il telescopio Cassegrain 69 Vengono utilizzati inoltre diaframmi di vario diametro 2 3 4 mm allo scopo di poter osservare differenti distanze atmosferiche che partono da 140 m 170 m 210 m rispettivamente fino a 5 km avendo nello stesso tempo un campo di vista del telescopio sempre maggiore della divergenza del fascio laser 3 1 4 Sistema di selezione ottica In corrispondenza del fuoco del telescopio posto il fuoco di una lente piano convessa con distanza focale di 12 cm che rende la radiazione retrodiffusa parallela e la invia ad un separatore di fascio che trasmette la radiazione retrodiffusa nel verde con una trasmissivit superiore al 90 e riflette la radiazione retrodiffusa nel UV con un riflessivit superiore al 99 5 Sono posti successivamente due filtri interferenziali a banda stretta le cui caratteristiche sono riportate in tabella 3 2 Tabella 3 2 Specifiche dei filtri interferenziali T Reiezione Fuori banda CWL FWHM 355 nm 0 5 nm 0 075 nm 0 1 nm 532 nm 0 5 nm
89. opriet di diffusione diventano pi complesse La teoria di Mie in questo caso consente di ricavare per il coefficiente di retrodiffusione delle particelle aerosoliche la seguente espressione Bie A o 4 A z N a da 222 0 dove e oz la sezione d urto di retroddifusione di Mie di una particella di raggio a e indice di rifrazione n e N rappresenta il numero di particelle con raggio compreso tra a ae e a da legato al numero totale di particelle dall espressione ee N N a a da 2 23 aer La dipendenza di og da a A ed n secondo la teoria di Mie pu essere espressa da o a A n ma Q x n 2 24 51 dove Og l efficienza di retrodiffusione ossia il rapporto tra la sezione d urto di retrodiffusione e la sezione d urto geometrica e dipende dalle dimensioni del centro diffusore e dalla lunghezza d onda della radiazione che lo investe solo attraverso il loro rapporto x 274 A Il coefficiente di estinzione a dipende anch esso da un duplice contributo quello molecolare e quello particellare e pu essere scritto come somma di quattro termini A Ga Ogee Onka Onos Tura T Oops 2 25 dove gli indici s ed a si riferiscono rispettivamente allo scattering e all assorbimento Il coefficiente di attenuazione amp 0 s dovuto allo scattering da parte delle molecole gassose ha una componente sia elastica che anelastica ma il contributo elastico sempre dominan
90. ori dal ciclo LE ad 1 d d 1 data_digitale d data_1 86 else a atl data analogico a data 1 end if ad 2 d d 1 data digitale d data 2 else a atl data_analogico a data_2 end clear data 1 data 2 else o se il file analizzato non rientra nello stesso minuto di acquisizione del precedente allora si richiama la function segnale min per poter determinare il profilo lidar dei segnali acquisiti nel precedente minuto ae ole oe oe necessario definire dapprima un nome che sia relativo a tutti i files precedenti name lista files j 1 1 11 ae profilo binnato segnale min data_digitale path write name clear profilo binnato questo punto per ricominciare il processo necessario zzerare la matrice dei dati cont 1 definire nuovamente l orario orario orario new disp processamento in corso file num2str cont data _1 data 2 ad 1 ad 2 leggi bin path read file succ graph if ad 1 d d 1 data digitale d data 1 else a atl data analogico a data 1 end if ad 2 d d 1 data digitale a data 2 else a atl data_analogico a data_2 end clear data_1 data 2 end if j r si processa l ultimo blocco di files name lista files j 1 11 profilo binnato segnale min data digitale path write name 87 clear profilo binnato 4 2 2 Leggi bin a AP AP cP oe Questo programma serve a convertire i files binari generati
91. particelle aerosoliche che popolano l atmosfera vengono continuamente rimosse mediante tre tipi di meccanismi oggetto di studio della dinamica degli aerosol e la coagulazione che avviene quando due particelle collidono e formano un minor numero di particelle pi grandi e la sedimentazione che il processo secondo il quale ogni particella tende a cadere sotto l azione della gravit Questo fenomeno riguarda le particelle pi grandi visto che quelle pi piccole tendono a restare sospese sotto l azione dei venti e 23 delle correnti convettive Nel cadere le particelle raggiungono una velocit costante detta velocit limite corrispondente al raggiungimento dell equilibrio fra la forza peso l attrito viscoso dell atmosfera e la spinta di Archimede il dilavamento washout la rimozione di particelle dovuta a pioggia e a neve Inizialmente alcuni nuclei permettono la condensazione del vapor d acqua molti di essi poi si fondono con gocce di pioggia in caduta e cos trasportano a terra gli aerosol che contengono Un efficace metodo di rimozione per dilavamento ad esempio la caduta di fiocchi di neve Essi essendo pi grandi offrono maggiore superficie al contatto ed hanno di conseguenza maggiori probabilit di lavare via le particelle Inoltre avendo una velocit limite pi bassa hanno maggior tempo di permanenza in atmosfera e questo aumenta le possibilit di contatto 24 1 4 Lo St
92. ponsabili di alcune delle caratteristiche pi importanti dell atmosfera terrestre intervengono a determinare il bilancio termoradiativo della Terra e determinano un ambiente in cui la vita possibile Tabella 1 1 Composizione dell aria secca per unit di volume Brimblecombe 1996 Gas Rapporto di mescolamento Azoto N 78 084 Ossigeno O2 20 946 Argon Ar 0 934 Anidride Carbonica CO 360 ppmv variabile Neon Ne 18 18 ppmv Elio He 5 24 ppmv Metano CH 1 6 ppmv Kripton Kr 1 14 ppmv Idrogeno Hp 0 5 ppmv Biossido di Azoto N30 0 3 ppmv Xenon Xe 0 087 ppmv a ppmv parti per milione di volume 1 ppmv equivale a 1 cm di gas puro in 1 m di aria b La concentrazione di CO variabile durante l anno a causa dell attivit fotosintetica Ad esempio l ozono il gas che assorbe radiazione ultravioletta di origine solare con lunghezza d onda inferiore a 300nm e pertanto contribuisce a schermare 1 tessuti biologici da radiazioni potenzialmente dannose Il vapor d acqua l anidride carbonica e in misura minore il metano sono 1 gas che fanno si che attraverso l effetto serra la temperatura della bassa atmosfera renda questa regione abitabile Altri costituenti importanti dell atmosfera sono gli aerosol particelle sia solide che liquide di diversa forma dimensione e composizione che si trovano in sospensione in atmosfera in quantit variabili 10 Tali particelle hanno un
93. pportunamente elaborati il sistema genera profili lidar ogni 4 secondi che devono essere corretti per una specifica funzione detta funzione di correzione di pile up Successivamente ottenuti i profili corretti necessario farne una media su un intervallo temporale di un minuto Dall analisi del segnale lidar si osserva un primo picco alla quota di 400 500 m tale picco non corrisponde a radiazione retrodiffusa ed detto picco di tempo zero La quota corrispondente al picco di tempo zero 457 5 m ed detta quota zero e tenendo conto di tale valore le quote sono state tarate sottraendo a quelle fornite dal sistema la quota zero AI segnale relativo ad un solo minuto di acquisizione necessario poi sottrarre il fondo ambientale il calcolo del fondo da sottrarre stato effettuato eseguendo la media dei fotoconteggi che si ottengono prima 75 del picco di tempo zero in cui sicuramente ci che si osserva non deriva da retrodiffusione in atmosfera ma dai fotoni della radiazione di fondo Successivamente si eseguita un operazione di binning a 8 punti portando la risoluzione spaziale iniziale di 7 5 m a 60 m L operazione di binning su un numero variabile di punti ha come effetto la linearizzazione del segnale nell intervallo di punti in cui si esegue si riducono quindi le fluttuazioni ma nel contempo si diminuisce la risoluzione del segnale Nello specifico applicare il binning ad n dati significa farne la media
94. quisizione determina uno sbalzo di valori pertanto non essendo rappresentativa di effettivi valori fisici pu essere eliminata profilo ogni minuto profilo ogni minuto l end 1 1023 componenti do oO do la massima quota 7680 quota zero 457 5 quota max 7680 quote 7 5 7 5 quota max sono 1024 punti di quota ricavo le quote corrette quote corrette quote quota zero quota max corretta quote corrette end il vettore delle quote associate ai dati binnati sar quote binnate 60 60 quota max corretta sono 120 punti di quota Rascia siae a Calcolo del Eonde s 5 24zuou9ae Una volta ottenuto il file relativo ad un minuto bisogna sottrarre il fondo che corrisponde al valore relativo alla quota zero La componente relativa alla quota 457 5 la 61 ro quota zero 7 5 oe Per sottrarre il fondo devo effettuare la media dei fotoconteggi che si ottengono prima del picco di tempo zero in cui sicuramente quanto si osserva non deriva da retrodiffusione in atmosfera ma dai fotoni della radiazione di fondo I valori sono quelli precedenti ro Viene a tal punto richiamata la function media x ro fondo media profilo ogni minuto ro oo o oO oe oe A questo punto si calcola il nuovo file relativo al minuto ottenutosottraendo il fondo attraverso la function sottrai fondo Si ottiene cos un vettore con un numero di componenti pari a quello di p
95. r Velemento di area della regione atmosferica di interesse posto nella posizione r e a distanza z e p A z r la probabilit cha la radiazione a lunghezza d onda 4 proveniente da dA z r colpisca il rivelatore La probabilit p 4 z r dipende dai fenomeni di attenuazione atmosferica dalle propriet dell ottica di ricezione dalla trasmissione del sistema di selezione spettrale e dalla geometria del sistema di rivelazione Essa si pu esplicitare come p A 2 9 T 4 5 EA 18 1 2 11 Z essendo e Aol area del telescopio Ay rappresenta dunque l angolo solido della luce diffusa in tutte le direzioni dalla quota z e intercettata dal rivelatore e A l efficienza totale ottica ed elettronica del canale di rivelazione alla lunghezza d onda 4 45 X z r il fattore di sovrapposizione determinato in base alla geometria dell apparato Esso rappresenta la probabilit che la radiazione proveniente da r a distanza z giunga al rivelatore supponendo che dipenda solo dalla sovrapposizione del fascio laser col campo di vista del telescopio T A z la trasmissivit atmosferica alla lunghezza d onda 4 e alla quota z gi definita dall espressione 2 2 dipendente a sua volta dal coefficiente di estinzione a A z definito come la riduzione del flusso di energia per unit di lunghezza nella direzione di propagazione del fascio La radianza spettrale 4 4 z r inoltre dipende dal tipo
96. rato Limite Planetario Lo strato che costituisce il limite inferiore della troposfera e che direttamente interagisce con l atmosfera definito Strato Limite Planetario Planetary Boundary Layer PBL 7 Il resto della troposfera indicato come atmosfera libera Free Atmosphere Il PBL per la sua dislocazione nell atmosfera ha un influenza significativa sull attivit umana e sul piano climatico meteorologico e ambientale infatti la sua composizione di notevole importanza in quanto l essere umano trascorre la maggior parte della propria vita nel PBL le previsioni meteorologiche riguardano essenzialmente il PBL gli agenti inquinanti emessi dalle sorgenti presenti sulla terra vengono intrappolati nel PBL la nebbia si forma nel PBL l aviazione il commercio mercantile e la maggior parte delle attivit umane vengono condotte nel PBL la sorgente di energia pi importante per l intera atmosfera la radiazione solare che per la maggior parte assorbita dalla terra e trasmessa al resto dell atmosfera da processi fisici termodinamici che caratterizzano il PBL il 50 dell energia cinetica dell atmosfera dissipata nel PBL attraverso l attrito e la turbolenza l evoluzione dei temporali e degli uragani legata alla crescita dell umidit nel PBL 25 e le sorgenti di molti aerosol si trovano sulla superficie della terra e quindi il PBL contiene concentrazioni di aerosol mol
97. re Ng dsigma domega 101 do oe dove Ng rappresenta il numero di molecole di gas x unita di volume e dsigma domega la sezione d urto esplicitando 0 a ol do beta molecolare number density 5 45 550 lambda 4 10 28 lambda input inserisci lunghezza d_onda Coefficiente di backscattering oe il number density ha le dimensioni di 1 m 3 mentre la sezion d urto di cm 2 sr per cui passando tutto in metri occore moltiplicare per 10 4 eta_molecolare 5 45 550 lambda 4 10 32 number density O 00 oe oe Q coefficiente di estinzione dell atmosfera alfa_molecolare beta_molecolare 8 pi 3 Q incremento relativo alla quota dz 60 spessore ottico sum alfa_molecolare dz oe E possibile a questo punto calcolare il segnale molecolare applicando la seguente formula oe Ale o segnale molecolare number density e 2 spessore ottico quota 2 Cv segn molecolare number density exp 2 spessore ottico quote 60 m 2 segn molecolare segn molecolare ole Una volta ottenuto il molecolare devo moltipliacarlo per il quadrato della quota in modo da ottenere 1 RCS del molecolare RCS_molecolare segn molecolare l end 8 quote binnate 2 1x120 figure plot quote binnate RCS_ molecolare xlabel quote m ylabel RCS del molecolare o Occorre determinare a questo punto il valore della quota a partire dal quale il segnale laser
98. rizione del sistema Lidar segue un analisi dettagliata della procedura di acquisizione di una misura Lidar e dei dati da essa ricavabili attraverso lo studio dei metodi di inversione dell equazione lidar con particolare riferimento al metodo di Klett 3 1 Apparato sperimentale il LIDAR mobile L apparato sperimentale utilizzato in questo lavoro di tesi un sistema Lidar mobile realizzato dal CO RI S T A Consorzio di Ricerca su Sistemi di Telesensori Avanzati nell ambito di un programma di ricerca europeo EUREKA denominato LAPMI per il monitoraggio del particolato in atmosfera Si tratta di un prototipo di lidar 13 mostrato in figura 3 1 che per le dimensioni sostanzialmente ridotte risulta 64 essere facilmente trasportabile e particolarmente adatto alle misure in situ degli aerosol Figura 3 1 Il prototipo di lidar mobile Per la campagna di misure effettuata nell ambito di questa tesi il prototipo di lidar stato portato presso l area dell aeroporto di Pontecagnano latitudine 40 37 longitudine 14 53 fuori dal centro abitato Il sistema Lidar costituito essenzialmente da una sorgente laser da un emettitore e da un ricevitore un telescopio ed il suo principio di funzionamento il seguente un fascio di radiazione laser monocromatico viene inviato in atmosfera e diffuso da molecole di gas e particelle la radiazione retrodiffusa in direzione del sistema viene raccolta dal telescopio
99. ropaga nella direzione z L intensit della radiazione subir un attenuazione nell attraversare lo strato atmosferico di spessore dz a seguito dell assorbimento e dello scattering da parte delle molecole e degli aerosol presenti in atmosfera L andamento in funzione della quota dell intensit di un onda piana monocromatica che attraversa l atmosfera determinato dalla legge di Lambert Beer 5 I A 2 I exp 2 2 2 1 dove e I intensit della radiazione trasmessa alla quota z 0 ossia 1 A 0 e a A z dz noto come spessore ottico del mezzo e a il 0 coefficiente di estinzione o di attenuazione e rappresenta l attenuazione dell energia per unit di lunghezza nella direzione di propagazione del fascio dovuta all assorbimento e alla diffusione delle particelle e delle molecole presenti in atmosfera Effettuando il rapporto tra l intensit incidente alla quota z I A z e quella trasmessa alla quota z 0 I si ricava la trasmissivit atmosferica 5 34 tozzi fata ae 2 2 Tale parametro fornisce informazioni sulla densita ottica dell atmosfera e sulla capacita di quest ultima di trasmettere in un certo range una determinata lunghezza d onda La valutazione della trasmissivita e dello spessore ottico inoltre consente di ricavare utili informazioni sulla concentrazione in atmosfera dei componenti diffusivi e assorbenti quali gli aerosol Lo scattering 5
100. rosolico totale sulla quota e nel tempo 4 3 6 RCS_ minuto _mappe Tale function consente di elaborare i dati in ogni minuto di acquisizione da utilizzare per la determinazione delle mappe Al suo interno viene richiamata la routine res_min mappe che non fa altro che ripetere la procedura seguita da segnale min l unica differenza una volta determinato il vettore relativo al profilo lidar consiste nel moltiplicare tale vettore per quello delle quote al quadrato in modo da ricavare il Range Corrected Signal del segnale lidar relativo ad un solo minuto di acquisizione 126 Questo vettore viene poi memorizzato in un apposita cartella per poter successivamente essere utilizzato La routine rcs minuto mappe analoga invece alla procedura segnale minuto in essa vengono quindi processati attraverso opportuni cicli i dati relativi ad ogni minuto di acquisizione di una misura 4 3 7 RCS mappe L ultima function presentata consente infine di realizzare delle mappe di monitoraggio del range corrected signal In input a tale routine viene data la directory dalla quale prendere i files che si vogliono monitorare ottenuti tramite res minuto mappe dopodich si crea una lista contenente tutti i files da importare all interno di una matrice che costituir per l appunto la matrice dei dati da graficare Si crea anche un vettore tempo indicante l intervallo temporale entro il quale monitorare il segnale e attraverso
101. rsione verr eseguita ora per gli altri 1024 campioni for j l number of data points 2 si considerano 4 byte per volta che dopo essere stati convertiti in valori binari devono essere concatenati ae do si leggono uno per volta i valori all interno del file binario a partire dalla posizione corrente val fread fid 1 si effettua la conversione da decimale a binario binl dec2bin val 8 do val fread fid 1 si effettua la conversione da decimale a binario bin2 dec2bin val 8 val fread fid 1 si effettua la conversione da decimale a binario bin3 dec2bin val 8 val fread fid 1 Q si effettua la conversione da decimale a binario bin4 dec2bin val 8 o a questo punto i quattro valori binari vengono accodati l uno all altro in modo tale da considerare prima il meno significativo concat bin4 bin3 bin2 binl una volta ottenuto concat questo dev ssere nuovamente convertito in decimale tenendo conto questa volta che bisogna accodare i nuovi valori a quelli ottenuti con il do oe o oO 92 Q precedente ciclo dec j number of data_points_1 bin2dec concat o A questo punto dopo aver effettuato tutte le operazioni di lettura del file necessario chiudere il file stesso fclose fid AEP Conversione dei valori binari in grandezze fisiche o ole Dopo aver ottenuto il vettore dei valori decimali dec necessario effettuare la con
102. rtare i valori della densit alle varie quote function number density import_density percorso file name per poter aprire il file ottenuto dal programma ussal976 necessario 1 Definire il percorso dal quale prendere il file path percorso ae Q 2 Definire il nome del file filename file_name Q 3 Concatenare percorso e nome file dati path filename 4 Aprire il file fid fopen file dati r 5 Importare i dati dati textscan fid sf headerlines 1 i diversi valori della densit alle varie quote sono d dati 1 dens d number density dens l end 6 Chiudere il file fclose fid 107 4 2 12 Import_quote s function per importare i valori della densit alle varie quote function quote 60 m import quote percorso file name per poter aprire il file ottenuto dal programma ussal976 necessario 1 Definire il percorso dal quale prendere il file path percorso Q 2 Definire il nome del file filename file_name 3 Concatenare percorso e nome file dati path filename 4 Aprire il file fid fopen file dati r 5 Importare i dati dati textscan fid Sf Sf sf Sf oe f ae E oe f Sf S headerlines 1 i diversi valori della densit alle varie quote sono gq dati 1 quote q quote 60 m quote 2 end 6 Chiudere il file fclose fid 4 2 13
103. rvato per la luce visibile interagente con piccole particelle di aerosol ad esempio aerosol marini a 4 um Una terza tipologia di scattering infine lo scattering di Raman che consiste nella diffusione da parte di alcune molecole di radiazione di lunghezza d onda leggermente differente da quella incidente Lo scattering facilmente rivelabile se il fascio incidente monocromatico in quanto nella radiazione diffusa si hanno picchi a frequenze diverse da quella della radiazione incidente utile riportare a questo punto alcuni parametri importanti per la descrizione dei diversi tipi di scattering e che verranno in seguito utilizzati in questo lavoro di tesi nel caso di scattering di Rayleigh si definisce sezione d urto di scattering angolare la superficie sul fronte d onda incidente attraversata da una potenza pari a quella diffusa dalla molecola per unit di angolo solido Integrando su tutto l angolo solido si ottiene la sezione d urto di scattering totale 37 n 87 n 1 2 4 3N A on Om Un altro parametro fondamentale il coefficiente angolare di scattering Pn definito come l intensit totale rimossa da un fascio di luce da parte di una unit di volume di particelle sospese per unit di irradianza del volume Bn OnN 2 5 e quindi 82 n 17 m s 2 6 i 3N 2 aie Di particolare importanza dal punto di vista della tecnica LIDAR la sezione d urto di retrod
104. s ogni 30 min function rcs_30min path read path write do Definisco il percorso dal quale leggere i files Come percorso di lettura deve essere fornita la directory contenente i segnali laser relativi allo stesso intervallo temporale path lettura path read ae ol ae oe Creo una matrice le cui righe forniscano la lista dei files che si vogliono analizzare ista_files ls path lettura Definisco le dimensione della matrice r c size lista_files oe bh ao A A A processamento dei files La lista dei files comincia a partire dalla terza riga della matrice lista_files prima creata i 3 while i lt r inizializzazione matrice dei dati d 0 contatore indicante l indice del file che viene processato cont 0 for j i 1i 29 incremento del contatore cont cont 1 disp processamento in corso file num2str cont di T num2str 30 si definisce il file che dev ssere processato curr file lista_files j Q si crea il nome ae 99 file name path_lettura curr file per importare i dati contenenti nel vettore da analizzare 3 necessario aprire il file fid fopen file name r d dt1 dati d importdata file name fclose fid end SSS SSeS SSS Quo eses 2 33 5592S 3 355555 SSS FS SSS oe la massima quota 7680 quota zero 457 5 quota max 7680 quote 7 5 7 5 q
105. so possibile la determinazione della porzione di atmosfera investita dal fascio in quanto il tempo tra la trasmissione dell impulso laser e l arrivo del segnale di ritorno pu essere direttamente collegato attraverso la velocit della luce alla parte di atmosfera in cui si verifica lo scattering Inizialmente i metodi utilizzati per lo studio dei componenti atmosferici erano il rilevamento mediante filtri e le misure radiometriche il primo metodo consiste nel campionamento di una massa d aria fatta passare attraverso dei filtri in genere di materiale ceramico o fibre di 39 vetro dopo il filtraggio un certo numero di particelle si depositano sul filtro vengono separate e ne viene calcolata la concentrazione Il vantaggio di tale metodo che esso consente di risalire oltre che alla concentrazione anche alla composizione chimica e alle dimensioni delle particelle Lo svantaggio principale invece che il filtraggio di una massa d aria un metodo invasivo ovvero esso pu modificare la composizione percentuale della massa d aria inoltre le sostanze depositate possono reagire fra loro sulla superficie del filtro ed infine con tale metodo possibile conoscere la concentrazione media delle particelle solo localmente e non su zone pi estese I metodi radiometrici consistono invece nella trasmissione della radiazione solare o emessa dalla superficie terrestre attraverso l atmosfera e permettono la misura in u
106. sso Figura 3 5 Il canale di acquisizione Bisogna tener presente inoltre che per tale sistema possono presentarsi i problemi del pile up per cui il valore del fotoconteggio fornito dallo strumento risulta essere una sottostima di quello reale e deve essere corretto secondo una funzione detta appunto di correzione di pile up 3 1 6 Sistema di acquisizione Entrambi i segnali analogico e digitale vengono acquisiti da una scheda di acquisizione multicanale caratterizzata da un dwell time tempo di acquisizione di ciascuno dei canali della scheda multicanale di 50 ns fisso Essendo la scheda dotata di 1024 canali di acquisizione possibile avere profili lidar fino a 7680 m Il massimo count rate per canale di 72 100 MHz La scheda di acquisizione attivata dal trigger di attivazione del Q switching e fornisce un profilo medio dell energia retrodiffusa per secondo dall atmosfera ad intervalli di tempo variabili fra 0 5 e 4 sec Occorre ricordare infine che il sistema lidar dotato di un sistema di movimentazione a controllo remoto con motori passo passo che consentono la rotazione solidale di tutto il sistema attorno ad un asse centrale nonch la sua inclinazione a qualsiasi angolo azimutale permettendo in tal modo la realizzazione di scansioni atmosferiche a due e tre dimensioni 3 2 Strumentazione complementare Il segnale lidar dipende fortemente dai parametri fisici dell atmosfera che influisco
107. ta quote binnate val m val 4 val 3 K4 l val m 1 input inserire lidar ratio oe si crea a questo punto il vettore contenente tutti i valori del lidar ratio da inserire nell algoritmo di klett K K1 K2 K3 K4 beta molecolare alla quota di riferimento betam beta molecolare posiz alfa molecolare alfa molecolare 1 end 8 alfa corr 1 3 K 8 pi alfa molecolare 1x120 logaritmo dell RCS S log RCS_segnale lidar 2 integrale alfa corr dz posiz 1x120 logaritmo dell RCS alla quota di riferimento Sm S posiz figure splot quote _binnate S sxlabel quote m 104 sylabel logaritmo RCS esp exp S Sm 0 figure plot quote binnate esp esp_corr esp K coefficiente di backscattering totale beta esp 1 betam 2 integrale esp_ corr dz posiz figure plot quote _binnate beta xlabel quote m ylabel beta Noto il beta totale possibile infine calcolare la nostra incognita ovvero il coefficiente di backscattering aerosolico come differenza del beta appena calcolato e del beta molecolare ta aer beta beta molecolare l end 8 O oP oP oP figure plot quote binnate beta aer xlabel quote m ylabel beta aerosolico oe Per ottenere l alfa aerosolico occorre moltiplicare il beta aerosolico appena calcolato per il lidar ratio alfa _aer beta aer K figure plot quote binnate alfa aer xlabel quote m ylabel alfa
108. te e poich la dimensione delle particelle di gas piccola rispetto alla lunghezza d onda della radiazione laser risulta legato alla sezione d urto di Rayleigh mols Nmot OR 2 26 Il temine Qmnora che descrive l assorbimento da parte di molecole gassose funzione di e predomina sugli altri in corrispondenza delle righe di assorbimento dei componenti atmosferici Inoltre dalla teoria di Rayleigh noto il legame fra nor Amor con Amol Anola Anois d essendo Qnora trascurabile nel visibile risulta Brot Qa 3 2 27 mol 0 119 Per quanto riguarda il contributo aerosolico come nel caso si si assume valida l ipotesi di sfere omogenee per cui risulta 52 aer aer a da 2 28 d 4 0 4 4 n N essendo oy la sezione d urto di estinzione per particelle di raggio a ed indice di rifrazione n da considerarsi somma dei due contributi di scattering e di assorbimento rispettivamente pari a o a A n 7a 0Q x n 2 29 aer s O a a 4 A n a Q x n 2 30 dove Q e Q rappresentano rispettivamente l efficienza di scattering e di assorbimento aerosolico e possono essere determinate con metodi numerici In definitiva il segnale elastico dato dalla 2 18 dipende dai coefficienti di estinzione e di backscattering dovuti alle sole particelle aerosoliche presenti in atmosfera 2 5 2 Parametri ottici in condizione di diffusione anelastica Quando la lunghezza d onda
109. ti un prototipo di Lidar mobile portatile di utilizzo semplice e sicuro in grado di monitorare il particolato atmosferico Durante il mio lavoro di tesi l obiettivo principale stato quello realizzare attraverso lo studio della tecnica lidar di indagine atmosferica un software di facile utilizzo in grado di elaborare in tempo reale i dati forniti durante una campagna di misure LIDAR di concentrazione di particolato per l analisi dell evoluzione degli aerosol in atmosfera La presente tesi strutturata in cinque capitoli Nel primo capitolo viene presentata una descrizione dell atmosfera e dei suol costituenti con particolare attenzione alla sua stratificazione ed ai tipi di aerosol presenti Nel secondo capitolo vengono introdotti i principali meccanismi di interazione tra la radiazione elettromagnetica e le particelle atmosferiche e quindi i diversi processi di diffusione scattering che sono alla base del funzionamento della tecnica lidar Segue poi una descrizione dettagliata della tecnica lidar e degli algoritmi utilizzati per l inversione dell equazione che ne descrive il funzionamento allo scopo di ricavare i coefficienti di retrodiffusione ed estinzione che contengono la maggior parte delle informazioni sulle propriet fisiche degli aerosol Nel terzo capitolo viene presentata una descrizione dettagliata dell apparato sperimentale e della procedura di acquisizione di una misura lidar nonch l analisi dei dati
110. tificato dunque dalle tante implicazioni legate alla loro presenza soprattutto in vista dell aumento della concentrazione di aerosol prodotti dalle attivit antropogeniche 1 3 1 Classificazione degli aerosol Gli aerosol possono essere divisi in due categorie fondamentali le polveri e le particelle igroscopiche 6 Le polveri indicano un tipo di aerosol costituito da minerali di varia natura come i detriti interplanetari le polveri vulcaniche i residui industriali le polveri dei deserti e delle erosioni Questi aerosol possono avere dimensioni variabili quelli pi grandi restano sospesi per minuti e dunque si depositano nelle vicinanze del punto di emissione quelli di dimensione pi piccole trasportati dal vento si mescolano con le sospensioni igroscopiche fintanto che pioggia o neve li riconducono a terra Le particelle igroscopiche sono invece dei tipi di aerosol capaci di creare nuclei di condensazione di vapor acqueo Secondo la classificazione di Junge tali nuclei possono essere suddivisi in tre categorie in base alle loro dimensioni e nuclei di Aitken con raggio minore di 0 1 um e nuclei larghi con raggio compreso tra 0 1 e 1 um e nuclei giganti con raggio maggiore di 1 um 21 Gli aerosol come detto possono influenzare il bilancio radiativo figura 1 5 sia diffondendo ed assorbendo la radiazione solare incidente sull atmosfera sia modificando le proprieta ottiche e la quantita di nubi Quelli
111. to pi alte rispetto alla libera atmosfera e iparametri del PBL altezza stratificazioni interne ecc infine si rivelano utili come parametri di input per l applicazione di modelli atmosferici e per la validazione degli stessi Tutti questi motivi hanno spinto la comunit scientifica a sviluppare uno studio approfondito del PBL allo scopo di individuarne l estensione e la dinamica Data tuttavia la complessit dei moti atmosferici risulta molto difficile applicare modelli matematici di simulazione per lo studio della dinamica del PBL Pertanto sono state sviluppate trattazioni semplificate basate sulla termodinamica e fluidodinamica che consentono di caratterizzare il PBL attraverso l andamento con la quota di grandezze fisiche come la temperatura potenziale e la temperatura potenziale virtuale con la possibilit di distinguere tre categorie in cui l atmosfera o un suo strato pu essere classificato in termini si stabilit atmosfera stabile instabile neutra Verranno di seguito quindi riportate le caratteristiche principali del PBL e descritte le cause e le modalit che influiscono sulla sua evoluzione 26 1 4 1 Caratterizzazione del PBL Il PBL si contraddistingue dal resto della troposfera principalmente per due motivi e direttamente influenzato dalla morfologia della superficie terrestre dai fenomeni che su di essa hanno luogo e da tutte le attivit umane e ha una risposta temporale piuttosto rap
112. torno alle 10 00 del giorno seguente con una concentrazione relativa minore ed infine l intervallo di quote superiore a 4000 metri caratterizzato dalla presenza di cirri 130 5 2 Evoluzione dello spessore del PBL In figura 5 2 riportata l evoluzione dello spessore del PBL a Pontecagnano calcolata con il metodo del minimo assoluto del logaritmo dell RCS 14 con il quale possibile identificare gli strati aerosolici che caratterizzano la struttura del PBL 1800 1600 4 1400 4 1200 4 1000 4 800 quota m s l m 600 400 200 0 r r r r r r r r r r r 1 16 00 18 00 20 00 22 00 0 00 2 00 4 00 6 00 8 00 10 00 12 00 14 00 16 00 tempo U T Figura 5 2 Andamento del PBL Le variazioni nella distribuzione verticale della concentrazione degli aerosol infatti sono interpretate generalmente come stratificazioni aerosoliche dovute ai cambiamenti di grandezze meteorologiche come la temperatura il vento e l umidit relativa Utilizzando gli aerosol come traccianti possibile studiare tali strutture calcolando le derivate del segnale dai profili aerosolici Si sceglie il minimo in quanto si considera la variazione del segnale LIDAR dopo la 131 struttura aerosolica quindi la derivata risulta negativa si sceglie il minimo assoluto perch si considera la variazione piu grande del segnale LIDAR corrispondente alla variazione pi grande della concentrazione di aerosol 5 3 Coef
113. uinamento atmosferico nei centri urbani ed pertanto necessario intensificare le attivit di ricerca in materia d ambiente Questo quanto dichiarato da Philippe Busquin Commissario europeo per la Ricerca Ed proprio seguendo questa linea di principio che negli ultimi anni si sono registrati notevoli sviluppi nello studio dell evoluzione del clima globale ed in particolar modo dell inquinamento atmosferico urbano Il particolato atmosferico sia di origine antropica che naturale rappresenta infatti l inquinante a maggior impatto nelle aree urbane con conseguenze piuttosto preoccupanti non solo sul clima e sull ambiente ma anche sulla salute di uomini ed animali L immissione in atmosfera quindi di diverse sostanze in concentrazioni tali da produrre effetti dannosi ha spinto verso lo studio di metodi di indagine atmosferica in grado di determinare per l appunto la concentrazione di tali inquinanti nonch effettuare un pi efficace monitaroggio della qualit dell aria Un metodo particolarmente adatto allo studio del particolato urbano quello che si basa sulla tecnica LIDAR acronimo di LIght Detection And Ranging che consente di ottenere profili verticali ad alta risoluzione di aerosol e particelle in sospensione a differenti quote Nell ambito delle attivit per il monitoraggio dell aria stato realizzato presso il Consorzio Co Ri S T A Consorzio di Ricerca su Sistemi di Telesensori Avanza
114. uota max ssono 1024 punti di quota ricavo le quote corrett quote corrette quote quota zero quota max corretta quote corrette end il vettore delle quote associate ai dati binnati sar quote binnate 60 60 quota max corretta ssono 120 punti di quota molecolare medio molecolare import molecolare C Documents and Settings CORISTA Desktop luisa tavole molecolare dat figure plot quote binnate molecolare xlabel quote m ylabel molecolare S ucnsrtaninrtr o nai profilo mediato su 30min _ _3 onn Una volta costruita la matrice dei dati 30x120 in cui ogni riga contiene i dati relativi ad ogni minuto di acquisizione bisogna effettuare la media su 30 minuti segnale lidar media 30min dati 1x120 figure plot quote binnate segnale lidar xlabel quote m ylabel segnale lidar 6 Q Adagiamento del segnale sul molecolar fondo input inserire fondo fs input inserire fattore di scala 100 segnale lidar new segnale lidar fondo fs 0 importante ricordare che i grafici devono essere in scala logaritmica per cui una volta ottenuta la figura occorre modificare la scala delle y dal men edit axis property i figure plot quote binnate segnale lidar new g quote binnate molecolare b xlabel quote m ceceno soa RCS del segnale lidav __ ___oooconersorne Una volta ottenuto il file mediato su 30 minuti
115. versione dei valori stessi in grandezze fisiche attraverso delle formule che si differenziano nel caso di acquisizione in analogico e in fotoconteggio Le formule di conversione quindi sono le seguenti AP a oP oP do o ANALOGICO ae oe Analog V raw accumulated data data range of ADC 4096 shot number W oP o DIGITALE o ole Photoncount MHz raw accumulated data binwidth 7 5 m 20 MHz shotnumber Per poter applicare le formule appena scritte necessario quindi analizzare il tipo di acquisizione effettuato dai due strumenti separatamente Dall interpretazione delle headers effettuata all inizio sono state ricavate due variabili ad 1 e ad 2 che forniscono proprio l informazione relativa all acquisizione analogico digitale del primo e del secondo strumento Analizziamo i vari casi 1 il primo laser acquisisce i dati in modalit analogica e il secondo in digitale oP oP al de ole AP 00 AP do ole o if ad 1 0 amp ad 2 1 Per i primi 1024 valori si considera la formula per l Analogico data 1 dec 1 1024 data range of the ADC 1 4096 number of shots 1 oe Per i valori che vanno dal 1025 alla fine si considera la formula per il digitale ole data_2 dec 1025 end bin width 2 7 5 20 number of shots 2 2 il primo laser acquisisce i dati in modalit digitale e il secondo in analogi
116. vettivi si allontana dalla terra e raggiunge l alta troposfera 7 Subsidonce Figura 1 6 Effetto della pressione sulla variazione dello spessore del PBL Le zone ad alta pressione quindi sono caratterizzate da situazioni atmosferiche stabili e prive di nuvole nelle zone a bassa pressione invece a causa dei moti convettivi si manifestano spostamenti di masse d aria in verticale fino a quote elevate generando la formazione di nuvole cumuliformi o stratocumuli L evoluzione dello strato limite planetario sulla terra in condizioni di alta pressione e cielo sereno schematizzato in figura 1 7 7 Si distinguono tre principali strutture lo strato limite convettivo CBL secondo l acronimo anglosassone di Convective Boundary Layer Si sviluppa a partire dal sorgere del sole e dal conseguente riscaldamento del suolo Il meccanismo di trasporto in esso dominante la turbolenza di tipo convettivo dovuta sia al trasferimento di calore dal suolo riscaldato dalla radiazione solare sia al 30 raffreddamento radiativo dalla sommita del PBL Si generano dunque correnti d aria calda ascendenti e correnti d aria fredda discendenti che in continuo rimescolamento conferiscono uniformit verticale a grandezze come calore umidit quantit di moto e grandezze meteorologiche caratteristiche come la velocit e la direzione del vento All interno dello strato convettivo si possono cos individuare tre sottostrat
117. zza d onda della radiazione diffusa In base alla 2 14 la potenza totale raccolta dal ricevitore al tempo t 2a tempo di andata e ritorno dell impulso laser dipende da tutta la radiazione con lunghezza d onda che cade nella finestra spettrale Ad 47 rivelata al tempo e che ha origine dalla quota z A e da tutta la sezione di atmosfera intercettata dal fascio a quota z Per poter semplificare l espressione 2 14 utile fare le seguenti assunzioni e la radiazione osservata nel caso di diffusione abbia una larghezza di banda molto piccola paragonabile a quella laser e l atmosfera sia omogenea nella zona di sovrapposizione tra il fascio laser e il campo di vista del telescopio B e T costanti rispetto a r e l intensit del laser sia omogenea nell area interessata I z r I z su un area A z e il fattore di sovrapposizione y valga 1 dove c sovrapposizione fra campo di vista del telescopio e fascio laser e zero altrove In base a tali ipotesi la potenza ottica ricevuta pu essere espressa nella seguente forma P 4 4 2 MALEB A 2 T A4 2 I z A z 2 15 Se si ipotizza inoltre che l impulso laser sia rettangolare e di durata t allora l irradianza pu essere scritta nel seguente modo E T A4 2 BEH 2 16 dove e E rappresenta l energia dell impulso laser 48 e T A z rappresenta la trasmissivita atmosferica alla lunghezza d onda a quota z

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