Transcript Onoma 8ematos kai genikes info (p.x. upeu8unos ka8hghths etc)

Μέτρηση της κατακόρυφης κατανομής
CO2 με χρήση τεχνικής LIDAR
Χάρης Πιτσιλός
Επιβλέπων Καθηγητής: Α. Παπαγιάννης
Περιεχόμενα
• Εισαγωγή
• Ιστορική Αναδρομή
• Αποτελέσματα Μετρήσεων
• Τεχνική LIDAR
• Πλεονεκτήματα τεχνικής LIDAR σε σχέση με συμβατικές τεχνικές
μέτρησης ατμοσφαιρικών ρύπων
• Αλληλεπίδραση Ακτινοβολίας Laser και ατμόσφαιρας
• Μέθοδοι Ανίχνευσης CO2
•Tεχνική Διαφορικής Απορρόφησης (DIAL)
• Μελλοντικές Προοπτικές
• Βιβλιογραφία
Εισαγωγή
Στόχος
Μέτρηση της συγκέντρωσης CO2 και στη συνέχεια εκτίμηση των επιπτώσεων
τους στον άνθρωπο και στο περιβάλλον (υγεία και φαινόμενο κλιματικής
αλλαγής-διαμόρφωση ενεργειακού ισοζυγίου αντίστοιχα)
Βασικές Έννοιες
Διοξείδιο του Άνθρακα(CO2)
Δορυφορικές Τεχνικές(LIDAR)
Εισαγωγή
LIDAR (Light Detection And Ranging)
ένα οπτικό τεχνολογίας τηλεπισκόπησης που μπορεί να μετρήσει την απόσταση,
ή άλλες ιδιότητες ενός στόχου με το φωτισμό του στόχου με το φως,
χρησιμοποιώντας παλμούς λέιζερ για να παράγουν μεγάλες ποσότητες
δεδομένων σχετικά με την φυσική διάταξη του εδάφους και του τοπίου.
Τα δεδομένα μπορούν να αναλυθούν και να χρησιμοποιηθούν σε διάφορες
εφαρμογές
όπως:
- χαρτογράφηση των περιοχών για την κατασκευή και τις δομές στον κλάδο των
κατασκευών
- δημιουργία ψηφιακών χαρτών
γεωγραφικών πληροφοριών
εδάφους
για
χρήση
σε
συστήματα
- δημιουργία ψηφιακών χαρτών βλάστησης για χρήση σε βιομηχανίες της
δασοκομίας και της διαχείρισης της γης.
Aκόμα σε τομείς όπως: αρχαιολογία, σεισμολογία, ατμοσφαιρική φυσική καθώς
και στην εναέρια χαρτογράφηση λωρίδα λέιζερ (ALSM), λέιζερ και υψομετρίας
LIDAR χαρτογράφηση του περιγράμματος.
Εισαγωγή
Διοξείδιο του άνθρακα(CO2)
-
ανόργανη χημική ένωση του στοιχείου άνθρακας.
-
άχρωμο, άοσμο και άγευστο αέριο, βαρύτερο από τον ατμοσφαιρικό αέρα.
-
χημική του αδράνεια και σταθερότητα ως ένωση, αντιδρά δηλαδή και
διασπάται δύσκολα στα συστατικά του.
-
Αποτελεί προϊόν όλων των καύσεων ορυκτών καυσίμων (κάρβουνου,
πετρελαίου, βενζίνης, φυσικού αερίου), αλλά και του ξύλου, πλαστικών κ.ά.
οργανικών ενώσεων, καθώς και της αναπνοής όλων των ζωντανών όντων.
-
το διοξείδιο του άνθρακα που απελευθερώνεται στην ατμόσφαιρα της Γης
αποτελεί (σύμφωνα με μια μεγάλη μερίδα επιστημόνων) τον κυριότερο
παράγοντα που προκαλεί το τεχνητό (ανθρωπογενές) φαινόμενο του
θερμοκηπίου.
Εισαγωγή
Ιστορική Αναδρομή
60s (Η.Π.Α.)
- χρήση των ακτίνων λέιζερ για καταγραφή της ατμοσφαιρικής ρύπανσης
(κατώτερη ατμόσφαιρα) καθώς και των διαφόρων παραμέτρων της
ατμόσφαιρας(π.χ. Κίνηση αέριων μαζών)
70s
- Ανάπτυξη ισχυρών παλμικών λέιζερ μεταβλητού μήκους κύματος  Μέτρηση
για πρώτη φορά, σε πραγματικό χρόνο, οι βασικότεροι αέριοι ρύποι της
ατμόσφαιρας, όπως SO2, NΟx, O3, CO, CO2 και CH4.
80s έως σήμερα
- καταγραφή τοξικών ουσιών (υδρογονάνθρακες, οργανικές ενώσεις κλπ.) όπως
επίσης και ανίχνευση του ατμοσφαιρικού όζοντος μέχρις ύψους 45 χιλιομέτρων
(λόγω ανάπτυξης ισχυρών παλμικών λέιζερ Nd:YAG)
- ανάπτυξη εξελιγμένων αερομεταφερόμενων συστημάτων Lidar  ακριβή
μέτρηση της κατακόρυφης κατανομής του O3 ,αιωρούμενων σωματιδίων της
υγρασίας και του πεδίου των ανέμων υπεράνω μεγάλων γεωγραφικών
περιοχών, από το έδαφος έως τα 3000m.
- αναπτύχθηξη συστήματων Lidar που εκτοξεύθηκαν σε διαστημική τροχιά με
σκοπό τη μέτρηση του πεδίου των ανέμων, της θερμοκρασίας, των υδρατμών
και του ύψους των νεφών.
Ιστορική Αναδρομή
Αποτελέσματα Μετρήσεων
Τεχνική LIDAR
Αρχή Λειτουργίας
Εκπομπή παλμικής ακτινοβολίας laser στην ατμόσφαιρα και της
οπισθοσκεδαζόμενης ακτινοβολίας laser.
Η σκεδαζόμενη ακτινοβολία συλλέγεται από οπτικό τηλεσκόπιο και οδηγείται σε
σύστημα λήψης και καταγραφής των σημάτων LIDAR
Η τεχνική αυτή είναι ικανή να καθορίσει την κατακόρυφη κατανομή των
κυριότερων ρύπων και συστατικών της ατμόσφαιρας με μεγάλη χρονική(1030s) και χωρική(3-7m) ακρίβεια
Τεχνική LIDAR
Ατμόσφαιρα: μόρια, άτομα, αερολύματα
Laser
Τηλεσκόπιο
PMTs
Φασματοφωτόμετρο
Μονάδα
ανίχνευσηςκαταγραφής
σημάτων
Τεχνική LIDAR
Εξοπλισμός
Χαρακτηριστικά
Laser
Μονάδες
Ανίχνευσης &
Καταγραφής
PMT
Photon Counting
Τεχνική LIDAR
Εξοπλισμός - Οπτικά Μετάδοσης & Ανίχνευσης
Τηλεσκόπιο
Οπτικά Φίλτρα
Πλεονεκτήματα Τεχνικής LIDAR σε σχέση με
συμβατικές τεχνικές μέτρησης Ατμοσφαιρικών Ρύπων
•Μέτρηση από απόσταση χωρίς αλλοίωση του μετρούμενου
δείγματος.
•Μετρήσεις με μεγάλη χωρική(5-1000 m) και χρονική(1-10 s)
ακρίβεια.
•Μέτρηση σε πολύ μεγάλες αποστάσεις(από μερικά μέτρα εως 100120 χλμ).
•Μέτρηση σε πραγματικό χρόνο και συνεχή καταγραφή της
κατακόρυφης και οριζόντιας κατανομής ρύπων με παράλληλη λήψη
μερτήσεων σε 1-2 και 3 διαστάσεις στο χώρο.
•Ικανότητα μέτρησης πολλαπλών ρυπαντών ταυτόχρονα.
Τεχνική LIDAR
Εξίσωση LIDAR
Ν(λ,z)=Ne(λ)⋅(cτ/2)⋅β(λ,z)⋅Α⋅η(λ)⋅ξ(λ)⋅ξ(z)⋅(1/z)2⋅exp[-2τ(λ,0,z)]
Ν(λ,z): # ανιχνευόμενων φωτονίων στο μήκος κύματος λ από απόσταση z
Ne(λ): # εκπεμπόμενων φωτονίων στο μήκος κύματος λ από απόσταση z
Α: επιφάνεια λήψης οπτικού τηλεσκοπίου
η(λ): συντελεστής οπτο-ηλεκτρονικής απόδοσης συστήματος LIDAR
C: ταχύτητα φωτός, τ: διάρκεια παλμού του συστήματος laser
ξ(λ): συντελεστής ανακλαστικότητας οπτικού τηλεσκοπίου
ξ(z): γεωμετρικός συντ. επικάληψης του συστήματος LIDAR στην απόσταση z
β(λ,z): συντ. οπισθοσκέδασης της ατμόσφαιρας,
β(λ,z)= β(λ,z)aer + β(λ,z)mol
τ(λ,0,z): οπτικό πάχος της ατμόσφαιρας από αιωρούμενα σωματίδια(aer),
μόρια(mol), και άλλα συστατικά(c) της ατμόσφαιρας, όπου
τ(λ,0,z)=∫ο➝z [αmol(λ,z’)+αaer(λ,z’)+αc(λ,z’)]dz’
Αλληλεπίδραση ακτινοβολίας
Laser και ατμόσφαιρας
Απορρόφηση
Το φαινόμενο κατά το οποίο, τα φωτόνια της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας
(μεταφέρουν καθορισμένο ποσό ενέργειας) αλληλεπιδρούν με την ύλη και η
αλληλεπίδραση αυτή έχει ως αποτέλεσμα την μεταφορά ενέργειας από την
δέσμη της ακτινοβολίας προς την ύλη ονομάζεται απορρόφηση ακτινοβολίας.
Σκέδαση
Το φαινόμενο κατά το οποίο όταν μία δέσμη ακτίνων συναντήσει ένα σωματίδιο
και απορροφηθεί στιγμιαία τότε η ενέργεια της προσπίπτουσας ακτινοβολίας
επανεκπέμπεται με το ίδιο μήκος κύματος (ελαστική) ή με διαφορετικό μήκος
κύματος (μη-ελαστική) ανομοιόμορφα προς όλες τις κατευθύνσεις.
Αλληλεπίδραση ακτινοβολίας
Laser και ατμόσφαιρας
Προυπόθεση ανίχνευσης μακρινού στόχου με χρήση ακτινοβολίας LASER είναι η
διάδοση του παλμού χωρίς σημαντική εξασθένηση στην ατμόσφαιρα.
λ ακτινοβολίας LASER βρίσκεται σε φασματική περιοχή με υψηλή ατμοσφαιρική
διαπερατότητα (παράθυρο ατμόσφαιρας)
περιοχές χαμηλής απορρόφησης όπως: περιοχή ορατού(0.4-0.7μm) κοντινού
υπερύθρου(0.7-1.5μm) μέσου υπερύθρου(3-5μm) & (9-13μm)
καθορισμός τύπου LASER
Αλληλεπίδραση ακτινοβολίας
Laser και ατμόσφαιρας
οι άσπρες περιοχές δείχνουν τα
ατμοσφαιρικά παράθυρα στα
οποία η ακτινοβολία δεν
αλληλεπιδρά πολύ με τα μόρια
του αέρα.
Αλληλεπίδραση ακτινοβολίας
Laser και ατμόσφαιρας
Mie
Rayleigh
Raman
- ελαστική: στα. λ
οπισθοσκεδαζόμενης
ακτινοβολίας laser
- ελαστική: σταθ. λ
οπισθοσκεδαζόμενης
ακτινοβολίας la ser
- μη ελαστική: αλλαγή του
λ οπισθοσκεδαζόμενης
ακτινοβολίας laser
- Ενταση ~ 1/λ
- Αφορά σε σωματίδια
διαστάσεων περίπου
10% του λ της
προσπίπτουσας
ακτινοβολίας
- Διέγερση των μορίων
του στόχου, τα οποία
επιστρέφοντας στην μηδιεγερμένη κατάσταση
εκπέμπουν ακτ. σε
διαφορετικό μήκος
κύματος που αποτελεί
χαρακτηριστικό μορίων
του στόχου.
- βασική μέθοδος
μέτρησης της
διασπαρμένης
σωματιδιακής ύλης
στην ατμόσφαιρα
(καπνός, ομίχλη,
αεροζόλ, κτλ)
- Ένταση ~ 1/λ4
- Μοριακή Σκέδαση
- Μπλε χρώμα ουρανού
Μέθοδοι Ανίχνευσης CO2 με χρήση Laser
Η μέθοδος της ενεργούς τηλεπισκόπησης Lidar (Laser Identification, Detection
and Ranging) χρησιμοποιείται για τη μέτρηση πολυάριθμων αέριων ρύπων και
παραμέτρων της ατμόσφαιρας. Η τεχνική αυτή επιτρέπει, μέσω της
αλληλεπίδρασης της ακτινοβολίας λέιζερ και της ατμόσφαιρας, τη μέτρηση των
κυριότερων ατμοσφαιρικών ρύπων και παραμέτρων της ατμόσφαιρας, κατά
μήκος της διεύθυνσης διάδοσης της ακτίνας λέιζερ.
• LIDAR Διαφορικής Απορρόφησης
• LIDAR τύπου Raman
Τεχνική Διαφορικής Απορρόφησης (DIAL)
-Στηρίζεται στη μέτρηση της εξασθένησης της έντασης της
επιστρεφόμενης ακτινοβολίας. Η εξασθένηση της δέσμης
του λέιζερ κατά την διαδρομή της μέσα από τον στόχο
εμπεριέχει πληροφορίες για την συγκέντρωσή του μορίου
που την απορρόφησε στο συγκεκριμένο μήκος κύματος.
- Ταυτόχρονη εκπομπή 2 διαφορετικών μηκών κύματος, λon
(έντονη απορρόφηση) και λoff (αρκετά ασθενέστερη
απορρόφηση), τα οποία συνήθως διαφέρουν κατά μερικά
δέκατα nm
- Με χρήση της εξίσωσης LIDAR από τα λαμβανόμενα
σήματα Pon και Poff, στα λon και λoff αντίστοιχα μπορούμε να
υπολογίσουμε την κατανομή συγκέντρωσης μοριακών
συπάντων στην ατμόσφαιρα. Στην περίπτωση της τεχνικής
DIAL ισχύει η εξίσωση:
ΠΡΟΣΟΧΗ!
Θα πρέπει ο συγκεκριμένος μετρούμενος ατομικός ή μοριακός ρυπαντής να
απορροφά έντονα σε
αυτά (κατά τη διαδικασία απορρόφησης
ενός φωτονίου 
διέγερση του μορίου
σε ανώτερες ενεργειακές στάθμες)
Τεχνική Διαφορικής Απορρόφησης (DIAL)
Pon(z)/Poff(z)=C⋅exp{-20→z∫[σ(λon)-σ(λoff)]⋅n(z’)⋅dz’}
σ(λon) >> σ(λoff)
α(λ)=συν/τής εξασθένησης= σ(λ) Ν
σ(λ)=ενεργός διατομή απορρόφησης(cm2)Ν= μέση συγκέντρωση αέριου ρύπου
Τεχνική Διαφορικής Απορρόφησης (DIAL)
2-MICRON
HIGH-REPETITION
RATE LASER TRANSMITTER FOR
CO2 AND WIND LIDAR (COWI)
Reviewed and Revised Papers of the 26th International Laser Radar Conference,
25-29 June 2012, Porto Heli, Greece.
Τεχνική Διαφορικής Απορρόφησης (DIAL)
EXPERIMENTAL CO2 MEASUREMENT BY COHERENT 2 M DIFFERENTIAL
ABSORPTION AND WIND LIDAR WITH ATMOSPHERIC AND HARD TARGET
RETURNS
Reviewed and Revised Papers of the 26th International Laser Radar Conference,
25-29 June 2012, Porto Heli, Greece.
Τεχνική Διαφορικής Απορρόφησης (DIAL)
VALIDATION OF THE DIRECT DETECTION 1.6μm CO2 DIAL
Reviewed and Revised Papers of the 26th International Laser Radar Conference,
25-29 June 2012, Porto Heli, Greece.
Raman lidar for CO2 measurement in the low atmosphere
Reviewed and Revised Papers of the 26th International Laser Radar Conference,
25-29 June 2012, Porto Heli, Greece.
Μελλοντικές Προοπτικές
LIDAR
Το μέλλον των τεχνικών LIDAR εξαρτάται σαφώς από την ανάπτυξη
απλούστερων, οπτικά-ασφαλέστερων συστημάτων που μπορούν να καλύψουν
απαιτήσεις παρατήρησης και μέτρησης, τόσο σε αποδεκτό κόστος όσο και χωρίς
κινδύνους για τα μάτια. Εν όψει των ραγδαίων αλλαγών που συμβαίνουν στη
σύγχρονη τεχνολογία, όχι μόνο από τη σκοπιά των λέιζερ αλλά και της
ψηφιακής απεικόνισης υπολογιστικών συσκευών, είναι πολύ πιθανό, ότι οι
κατάλληλες λειτουργικές συσκευές για συνήθεις παρατηρήσεις θα
αναπτυχθούν μέσα στην επόμενη δεκαετία. Στον τομέα της έρευνας της
ρύπανση του αέρα,η ήδη καλά αποδεδειγμένη ικανότητά του lidar, αναμένεται
να διευρυνθεί και να επεκταθεί.
Μελλοντικές Προοπτικές
26th International Laser Radar Conference
Happens
in
Greece
this
For more info: http://ilrc26-2012.gr/mdlcms/index.php
June
(25-29)
Βιβλιογραφία
Ελληνική
• Α. Παπαγιάννης, Φυσική Ατμοσφαιρικού Περιβάλλοντος, Εκδόσεις
Ε.Μ.Π. 2005
• ΣΥΜΠΛΗΡΩΜΑΤΙΚΕΣ ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ “ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΩΝ LASER ΣΤΗ
ΒΙΟ ́Ι ́ΑΤΡΙΚΗ ΚΑΙ ΤΟ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ”, A.ΠΑΠΑΓΙΑΝΝΗΣ, M. MAKΡΟΠΟΥΛΟΥ
• ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΡΥΠΑΝΣΗ ΚΑΙ ΧΗΜΕΙΑ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ,
Πρόδρομου Ζάνη, Α.Π.Θ., 2008
Βιβλιογραφία
Ξένη
•Ismail, S., Koch, G. J., Barnes, B. W., Abedin, N., Refaat, T. F., Yu, J.,
"Technology Developments for Tropospheric Profiling of CO2 and GroundBased Measurements”,2004
• A. Papayannis, D. Balis and V. Amiridis: Reviewed and Revised Papers of
the 26th International Laser Radar Conference, 2012
• E.V. Browell, S. Ismail and W.B. Grant, Differential absorption lidar
(DIAL) measurements from air and space, 1998
• http://www.adsabs.harvard.edu/
•http://www.csiro.au/Outcomes/Food-andAgriculture/LightDetectionLidar.aspx
•http://www.capnography.com
(/new/index.php?option=com_content&view=article&id=216&Itemid=87
)
•http://nemertes.lis.upatras.gr/jspui/handle/10889/5162
• www.wikipedia.org
• http://www.opticsinfobase.org
• www.springerlink.com
Ευχαριστώ για την προσοχή σας