Transcript Φασματοσκοπία Raman και εφαρμογές της στην ατμόσφαιρα

ΦΑΣΜΑΤΟΣΚΟΠΙΑ RAMAN KAI
ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΤΗΝ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑ
ΣΕΜΙΝΑΡΙΟ ΦΥΣΙΚΗΣ
2012
ΣΑΪΤΗ ΚΥΡΙΑΚΗ
ΣΧΟΛΗ ΕΦΑΡΜΟΣΜΕΝΩΝ
ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΩΝ ΚΑΙ ΦΥΣΙΚΩΝ
ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ
ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΕΡΓΑΣΙΑΣ: Α. ΠΑΠΑΓΙΑΝΝΗΣ
ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ

Η Φασματοσκοπία Raman

Αρχή Λειτουργίας
Μαθηματική περιγραφή φαινομένου
και προϋποθέσεις για την παρατήρηση
της σκέδασης Raman

Εφαρμογές της Φασματοσκοπίας
Raman στην ατμόσφαιρα


Bιβλιογραφία
ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑΔΡΟΜΗ

Για το φαινόμενο της
σκέδασης Raman
μίλησε πρώτη φορά το
1923, ο Αυστριακός
Φυσικός Adolf
Smekal, αλλά
παρατηρήθηκε για
πρώτη φορά το 1928
από τον Ινδό φυσικό
Sir C.V Raman.
(βραβείο Νόμπελ,1931)
ΦΑΣΜΑΤΟΣΚΟΠΙΑ Raman
Στηρίζεται στην αυθόρμητη σκέδαση Raman
 Εφαρμόζεται στην έρευνα και μελέτη της
δομής των μορίων, ιόντων, καθώς και των
κρυσταλλικών ενώσεων, αλλά και στην μελέτη των
αερολυμάτων, την καταγραφή των υδρατμών και
στη μέτρηση της θερμοκρασίας στην ατμόσφαιρα.
ΑΡΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ (Ι)
 Μονοχρωματική
ισχυρή δέσμη λέιζερ
(λ0=300-800 nm)
προσπίπτει σε αέριουγρό-στερεό δείγμα.
 Ελαστική Σκέδαση
Rayleigh: (λRAY = λ0)
 Ανελαστική
σκέδαση Raman:
(λRAMAN ≠ λ0)
ΑΡΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ (ΙΙ)
Eπροσπ. = Εσκεδ.
Eπροσπ. > Εσκεδ.
Eπροσπ. < Εσκεδ.
Stokes
Vo - nVm
Anti-Stokes
Vo + nVm
ΑΡΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ (ΙIΙ)
ɦwo
stokes
ɦwo
Δν<0
Anti-Stokes
Δν>0
Επιλογή επιπέδων δόνησης και
περιστροφής:
Δυ=0,±1
ΔJ=0,±2
(Demtroeder, 1982)
ΑΡΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ (ΙV)
Δυ=ΔJ=0
Rayleigh
Δυ=+1
Δυ=-1
Stokes
Anti-Stokes
ΔJ=0
ΔJ=+2
ΔJ=-2
Q-κλάδος
S-κλάδος
O-κλάδος
(Weitkamp, 2005)
Δονητικά-περιστροφικά ενεργειακά επίπεδα Ν2, Raman
μεταβάσεις και φάσματα
ΑΡΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ (V)
376 nm
387 nm
355 nm
407 nm
Φάσματα Raman οπισθοσκέδασης μορίων της
ατμόσφαιρας (O2, N2 , H2O)
(Weitkamp, 2005)
ΒΑΣΙΚΕΣ ΣΧΕΣΕΙΣ
Εξάρτηση ηλεκτρικού πεδίου (Ε) του Η/Μ
κύματος από το χρόνο(t): E=Eocos2πVot
1. Στην περίπτωση διατομικού μορίου που
ακτινοβολείται με φως επάγεται ένα
ηλεκτρικό δίπολο ισχύος:
P=aE=a
Eocos2πVot όπου a=πολωσιμότητα
2. Αν το μόριο ταλαντώνεται με συχνότητα Vm
η μετατόπιση του πυρήνα δίνεται από τη
σχέση: q=qocos2πVmt
qo=πλάτος ταλάντωσης
4. Η πολωσιμότητα ορίζεται ως:
a = a0 +
oqo
+ …..
5. Συνδυάζοντας τις παραπάνω σχέσεις
παίρνουμε την τελική σχέση για την ισχύ:
P = ao Eocos2πVot +
oqo Eo [cos{2π(Vo-Vm)t}
+
cos{2π(Vo+Vm )t}]
Προϋποθέσεις για να παρατηρηθεί σκέδαση
Raman
i.
Μεταβολή της πολωσιμότητας κατά τη
διάρκεια της δόνησης
ii. Μόνο το 1 στα 10 εκατ. φωτόνια
σκεδάζεται κατά Raman  Απαιτούνται
ισχυρές μονοχρωματικές πηγές
ακτινοβολίας laser.
iii. Η συχνότητα της προσπίπτουσας δέσμης
πρέπει να είναι διαφορετική από τη
συχνότητα απορρόφησης του δείγματος
RAMAN LIDAR – ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΗΣ
ΦΑΣΜΑΤΟΣΚΟΠΙΑΣ RAMAN ΣΤΗΝ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑ
Πειραματική διάταξη Raman - Lidar
 Laser: Nd:YAG (532
nm, 355 nm)
 Διευρυντής δέσμης
 Τηλεσκόπιο
 Οπτικός δέκτης
 Ανιχνευτικές
διατάξεις (ΡΜΤ)
 Επεξεργαστής
δεδομένων
Εξίσωση Raman
PR(z)=
βR(z)exp
 O(z)=συντελεστής επικάλυψης μεταξύ ακτίνας
λειζερ και του FOV (οπτικό πεδίο όρασης) του
τηλεσκοπίου
 KR=σταθερά που περιλαμβάνει όλες τις
ανεξάρτητες παραμέτρους του συστήματος
 βR(z)=συντελεστής εξασθένησης Raman
 αR(z)=συντελεστής οπισθοσκέδασης Rayleigh
 αο(z)=συντελεστής οπισθοσκέδασης
αερολυμάτων
(Weitkamp, 2005)
ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΤΗΝ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑ
(Weitkamp, 2005)
 Μελέτη αερολυμάτων
(Gross et al., 2011)
 Μελέτη αερολυμάτων (σωματίδια τέφρας
ηφαιστείου-άμμου από Σαχάρα)
(Papayannis et al., 2012a)
( AER  1 /  2 
ln[ a aer (  1 ) / a aer (  2 ) ]
ln[ 1 /  2 ]
)
 Μελέτη αερολυμάτων (Σκόνη από Σαχάρα)
(Papayannis et al., 2012b)
 Μελέτη αερολυμάτων (σκόνη από Σαχάρα)
ATHENS, 02 APRIL 2009, 17:40-20:40 UTC
7
1064nm
532nm
355nm
6
AER
UV-VIS
ABR
ALTITUDE A.S.L. [km]
ABR
5
UV-VIS
VIS-IR
4
3
2
1
0
0
50 100 150 200 0
EXT. COEF.
-1
[Mm ]
( AER  1 /  2 
1
2
BACK. COEF.
-1
3 0
-1
[Mm sr ]
ln[ a aer (  1 ) / a aer (  2 ) ]
ln[ 1 /  2 ]
)
(Papayannis et al., 2012b)
30 60 90
LIDAR RATIO
[sr]
120-1
0
1
2
3 0
ANGSTROEM EXP.
2
4 6 8
WVMR
[gr/kg]
10
 Μέτρηση λόγου ανάμειξης υδρατμών
 Μέτρηση υδρατμών
(Mamouri et al., 2008)
 Μέτρηση υδρατμών
(Mamouri et al., 2008)
 Μέτρηση θερμοκρασίας
 0 <z< 15-20km
20 km<z< 80km
PRRS (Pure Rotational Raman
Scattering)
Νόμος τέλειων αερίων +
Υδροστατική Εξίσωση
Υδροστατική εξίσωση:
P(λ,z)=
Ύψος αναφοράς: z*=60 km
P(λ, z*)=60 km
N(z)=N(z*)×
p(z)=p(z*) +
p(z)= k×N(z)×T(z)
Κατακόρυφη κατανομή
θερμοκρασίας
 Μέτρηση θερμοκρασίας
(Alpers, 2004)
 Μέτρηση θερμοκρασίας
(Alpers, 2004)
 Μέτρηση θερμοκρασίας
(Alpers, 2004)
ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ
Μέχρι σήμερα…
• Μέτρηση θερμοκρασίας : 0 – 120 km
(Rotational Raman, Rayleigh, Resonance)
• Μέτρηση υδρατμών : 0 – 40 km
(Raman, διαφορική απορρόφηση)
• Μέτρηση αερολυμάτων :
(Raman (οπτικές ιδιότητες))
Παράδειγμα: Δίκτυο EARLINET όπου συμμετέχει και το
Ε.Μ.Π
Βιβλιογραφία
[1] Ferraro John R., Kazuo Nakamoto Introductory Raman Spectroscopy
[2]Weitkamp Claus, Lidar - Range-Resolved Optical Remote Sensing of the Atmosphere
[3]Wikipedia.com
[4]Aerosol lidar intercomparis on in the framework of the EARLINET project. 3. Raman
lidar algorithm for aerosol extinction, backscatter, and lidar ratio. Pappalardo, Gelsomina
Aldo Amodeo , Marco Pandolfi, Ulla Wandinger ,Albert Ansmann , Jens Bo¨ senberg ,Volker Matthias,
Vassilis Amiridis, Ferdinando De Tomasi, Max Frioud, Marco Iarlori, Leonce Komguem, Alexandros
Papayannis, Francesc Rocadenbosch and Xuan Wang Applied Optics,Vol. 43, Issue 28, pp. 5370-5385
(2004)
[5]Extinction-to-backscatter ratio of Asian dust observed with high-spectral-resolution
lidar and Raman lidar. Liu Zhaoyan, Nobuo Sugimoto and Toshiyuki Murayama 20 May (2002)
Vol.41, No. 15 APPLIED OPTICS
[6]Examination of the traditional Raman lidar technique. I. Evaluating the temperaturedependent lidar equations Whiteman David N. 20 May 2003 Vol. 42, No. 15 APPLIED OPTICS
[7]Raman lidar and sunphotometric measurements of aerosol optical properties over
Thessaloniki, Greece during a biomass burning episode
Balis D.S V. Amiridis C. Zerefos E. Gerasopoulos M. Andreae P. Zanis A. Kazantzidis S. Kazadzis
A. Papayannis D.S. Balis et al. / Atmospheric Environment 37 (2003)
[8]Atmospheric temperature profiling in the presence of clouds with a pure rotational
Raman lidar by use of an interference-filter-based polychromator
ACombined Raman lidar for the measurement of atmospheric temperature, water vapor,
particle extinction coefficient, and particle backscatter coefficient
Behrendt Andreas, Takuji Nakamura, Michitaka Onishi, Rudolf Baumgart and Toshitaka Tsudandreas
Behrendt and Jens Reichardt APPLIED OPTICS Vol. 39, No. 9 y 20 March (2000)
[9]Automated Retrievals of Water Vapor and Aerosol Profiles from an Operational Raman
Lidar Turner D.Pacific Northwest National Laboratory, Richland, Washington 20 December (2002) Vol. 41,
No.36 APPLIED OPTICS.
Βιβλιογραφία
[10] Vertical aerosol distribution over Europe:Statistical analysis of Raman lidar data
from 10 European Aerosol Research Lidar Network (EARLINET) stations Matthias V,
D. Balis, J. Bo¨ senberg, R. Eixmann, M. Iarlori, L. Komguem,. Mattis, A. Papayannis, G. Pappalardo,
M. R. Perrone and X. Wang JOURNAL OF GEOPHYSICAL RESEARCH,VOL. 109, D18201,
doi:10.1029/2004JD004638, (2004)
[11] Raman lidar monitoring of extinction and backscattering of African dust layers and
dust characterization Tomasi F.De, A. Blanco and M. R. Perrone Applied optics, (2003)
[12]The ALOMAR Rayleigh/Mie/Raman lidar: objectives,con®guration, and
performance
Zahn U. G. von Cossart J. Fiedler K. H. Fricke G. Nelke G. Baumgarten D. Rees
A. Hauchecorne K. Adolfsen Ann. Geophysicae 18, 815±833 (2000)
[13]Optical properties of Saharan dust layers as detected by a Raman lidar
at Thessaloniki, Greece
Balis D.S, V. Amiridis, S. Nickovic ,A. Papayannis and C. Zerefos GEOPHYSICAL RESEARCH
LETTERS,VOL. 31, L13104, doi:10.1029/2004GL019881, (2004)
[14]Characterization of Asian dust and Siberian smoke with multiwavelength Raman
lidar over Tokyo, Japan in spring 2003
Murayama Toshiyuki,Detlef Mu¨ ller,Katsuya Wada,Atsushi Shimizu,Miho Sekiguchi,and Tatsuro
Tsukamoto GEOPHYSICAL RESEARCH LETTERS,VOL. 31, L23103, doi:10.1029/2004GL021105,
(2004)
[15]Inversion of multiwavelength Raman lidar data for retrieval of bimodal aerosol size
distribution
Veselovskii Igor, Alexei Kolgotin, Vadim Griaznov , Detlef Muller, Kathleen Franke and
David.N.Whiteman APPLIED OPTICS Vol. 43, No. 5 10 February (2004)
[16]Raman lidar observations of aged Siberian and Canadian forest fire smoke in the
free troposphere over Germany in 2003 Muller Detlef, Ina Mattis, Ulla Wandinger, Albert
Ansmann, and Dietrich A. JOURNAL OF GEOPHYSICAL RESEARCH,VOL. 110 (2005)
Βιβλιογραφία
[17]Raman lidar measurements of water vapor and cirrus clouds during the passage of
Hurricane Bonnie
Whiteman D.N., K. D. Evans, B. Demoz, D. O’C. Starr, E. W. Eloranta, D. Tobin, W. Feltz, G. J. Jedlovec, S.
I. Gutman, G. K. Schwemmer, M. Cadirola, S. H. Melfi and F. J. Schmidlin JOURNAL OF GEOPHYSICAL
RESEARCH,VOL. 106, NO. D6, MARCH 27, (2001)
[18]Raman lidar observations of aerosol emitted during the 2002 Etna eruption
Pappalardo Gelsomina, Aldo Amodeo, Lucia Mona, Marco Pandolfi, Nicola Pergola and Vincenzo
Cuomo GEOPHYSICAL RESEARCH LETTERS,VOL. 31, L05120, (2004)
[19]Aerosol lidar intercomparison in the framework of the EARLINET project. 1.
Instruments Matthias Volker, Volker Freudenthaler, Aldo Amodeo, Ioan Balin, Dimitris Balis, Jens
Bosenberg, Anatoly Chaikovsky, Georgios Chourdakis, Adolfo Comeron, Arnaud Delaval,
Ferdinando De Tomasi, Ronald Eixmann, Arne Hågård, Leonce Komguem, Stephan Kreipl, Renaud
Matthey, Vincenzo Rizi, Jose´ Anto´ nio Rodrigues, Ulla Wandinger and Xuan Wang February(2004)
Vol. 43, No. 4 APPLIED OPTICS
[20]Raman Lidar Measurements during the International H2O Project. Part I:
Instrumentation and Analysis Techniques
WHITEMAN D.N, B. DEMOZ, P. DI GIROLAMO, J. COMER, VESELOVSKII, K. EVANS, Z. WANG,
M. CADIROLA, K. RUSH, G. SCHWEMMER, B. GENTRY, S. H. MELFI , D.VENABLE, T.VAN HOVE
Volume 23 Journal of Atmospheric and Oceanic Technology February (2006)
[21]Rotational Raman Lidar measurements of atmospheric temperature in
the UV Girolamo P. Di,R. Marchese, D. N. Whiteman and B. B. Demoz GEOPHYSICAL RESEARCH
LETTERS,VOL. 31, L01106, (2004)
[22]Ice formation in Saharan dust over central Europe observed with
temperature//humidity//aerosol Raman lidar
Ansmann Albert, Ina Mattis, Detlef Mueller, Ulla Wandinger, Marcus Radlach,and Dietrich Althausen
JOURNAL OF GEOPHYSICAL RESEARCH,VOL. 110, D18S12, (2005).