Misure da aereo con tecniche congiunte DOAS e LIDAR per la caratterizzazione bidimensionale degli inquinanti gassosi (O 3, SO 2, NO 2, Formaldeide) e delle.

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1 Misure da aereo con tecniche congiunte DOAS e LIDAR per la caratterizzazione bidimensionale degli inquinanti gassosi (O 3, SO 2, NO 2, Formaldeide) e delle polveri. I. Kostadinov, G.Giovanelli, D.Bortoli, E.Plazzi, A.Petritoli, F.Ravegnani, F.Margelli, U.Bonafè ISAC-CNR, via Gobetti 101, 40129 Bologna OR 12

2 OBIETTIVI: Impiego di un mini-LIDAR per la caratterizzazione dimensionale dellaerosol atmosferico allinterno dello strato di rimescolamento. Integrazione della strumentazione DOAS (OR11) installata su aereo con il mini-LIDAR per determinare la distribuzione bidimensionale dellinquinamento atmosferico (gas e aerosol) nel basso strato (primi 2 km). Mapping degli inquinanti su vaste aree utilizzando strumentazione montata su aereo anche al fine di effettuare occasionali Valutazioni di Impatto Ambientale o indagini di tipo sistematico.

3 The European Environment Agency is the leading public body in Europe dedicated to providing timely, targeted, relevant and reliable information to policy- making agents and the public, to support sustainable development and to help achieve significant and measurable improvements in Europes environment. Protecting human health and quality of life Environment and human health To help improve human health and the quality of life as related to the environment to support the EU environment and health action plan. Specifi c outputs will include: a methodological framework in which to analyse environment and health issues; a set of environment and health indicators to track key environmental stressors, such as air quality and indoor pollution on human health, in consultation with EEA member countries and the World Health Organization; establishment of an Eionet network for environment and health; a revised set of environment and health assessments; partnership activities with the European Food Safety Authority. Chemicals To support policies that will reduce risks posed by the use of chemicals. Specifi c areas of work will include: development of a monitoring framework and information system linked to concentrations, exposure and effects of chemicals, including pesticides, in different natural and urban systems; partnership activities with the new European Chemicals Agency. Air quality To support the process of reaching a quality of air that does not give rise to signifi cant impacts and risks to human health and the environment. Specifi c outputs will include: distance–to–target assessments; assessments of local and indoor air pollution; air quality and air pollutant emissions monitoring, including improvements to Airbase; assessment of exposure to air pollutants, especially in urban aras and street canyons. EEA strategy 2004–2008, ISBN 92-9167-638-1

4 AEROSOL, SALUTE, CLIMA NATURAL ORIGIN Soil dust Sea salt Volcanic dust Volcanic sulphates ANTHROPOGENIC ORIGIN Industrial sulphates Organic particles Soot Residence time ~ week (R> 50 m m) ~ month (R < 0.5 m m) Spectral properties Polarisation properties Methods: In-situ (sampling LIDARS Modelling of radiative transpfer

5 Cortesy of V.Mitev Platforms: Ground-based Aircraft Satellite Balloon-borne Targets: Aerosols (PM1,PM2.5, PM10) Gases Clouds detection

6 Induced electric dipol Polarized scattered radiation Long, 1978

7 Stokes parameters Parallel polarisation Perpendicular polarisation Contemporaneamente Mie e Rayleigh segnali si ricevono dal LIDAR necessità di separarli Inversione dei dati ottici per ricavare la size distribution - dati sperimentali, j - varie K j (r) - Kernel functions Junge type functions

8 In condizioni di assenza di aerosol, il segnale dipende soltanto dallo scattering molecolare: procedura di normalizzazione V(z) - il segnale ricevuto daltezza z K - la constante del LIDAR ( trasmissione del ottica ed efficienza del sensore ) E o, - lenergia del impulso del laser - coefficiente di backscattering volumetrico (m -1 sr -1 ) s - coefficiente di estinzione (m -1 ) a, m a erosol, m olecular Il segnale ricevuto dal LIDAR Penndorf, 1957

9 LIDAR ratio: R= / s se R – indipendente dalla distanza dal LIDAR (non realistico) retrieving di s è semplice => ulteriori dati necessari Backscatter ( and extinction ( s ) coefficienti sono relativi al: Raggio (r) delle particelle (sferiche) Distribuzione dimensionale N(r) e loro efficienza Q back e Q ext (la frazione di radianza in arrivo sul aerosol successivamente asorbita o scatterata )

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11 Per interpretare correttamente linformazione contenuta nelle misure dei composti atmosferici effettuate con strumentazione remota (spettrofotometri, Lidar) PROcessing of Multi Scattered Atmospheric Radiation Modello probabilistico di tipo Monte-Carlo (backward MC) che simula il trasporto dei fotoni in atmosfera e modella le loro interazioni con i composti gassosi. (I tempi di calcolo vengono ridotti grazie allimpiego di biasing techniques, ad es. la collisione forzata.) INPUT del modello OUTPUT del modello Libreria contenente i dati relativi al tipo di atmosfera (dati MODTRAN) + altri dati utili alla simulazione (quota dello strumento, campo di vista, n° di fotoni da processare, angolo solare zenitale, albedo superficiale…) Modelli di trasferimento radiativo: perché si usano? PROMSAR calcola il valore del cammino medio che i fotoni compiono allinterno dei singoli strati atmosferici. Nel caso del LIDAR questo valore viene utilizzato per calcolare la luce solare diffusa (background).

12 Architettura generale della sorgente Nd:XXX, pompaggio a lampade o con laser a semiconduttore II arm. III arm. 1064 nm 532 nm 355 nm Aerosol Ti:Zaffiro, seeded/MOPA accordabile ~915 nm DIAL H 2 O Ti:Zaffiro accordabile 30% eff. II arm. III arm. DIAL O 3 900 nm ~300 nm A stato solido Struttura modulare con ununica sorgente di pompa Caratteristiche di energia/freq. ripetizione determinate dalla pompa Emissione simultanea/ rapida commutazione tra on e off Cortesy of G.Tocci

13 Ce:LiCAF accordabile 30% eff. 266 nm IV arm. 35% eff. 278 - 315 nm DIAL O 3 Architettura generale della sorgente Nd:XXX, pompaggio a lampade o con laser a semiconduttore II arm. III arm. 1064 nm 532 nm355 nm Aerosol Ti:Zaffiro, seeded/MOPA accordabile ~915 nm DIAL H 2 O Caratteristiche di energia/freq. ripetizione determinate dalla pompa Emissione simultanea/ rapida commutazione tra on e off A stato solido Struttura modulare con ununica sorgente di pompa Cortesy of G.Tocci

14 Sorgenti a Nd con pompaggio a diodo Edge-Wave Inno-slab IS4II-E, 527 nm, Nd:YLF 4 mJ @ 1 kHz (4 W), 8-13 ns durata consumo max. 700 W peso testa 15 kg Ekspla NL220 Nd:YAG, 532 nm 4.5 mJ @ 1 kHz (4.5W), 25 ns durata, M2<1.35 consumo < 1 kW 850 mm Quanta-System Diamond D2-S, Nd:YAG, 532 nm 3.5 mJ @ 1 kHz (4 W), 40 ns durata, M2<1.5 625 mm 420 mm

15 Up to 6 W output power at 40 kHz Up to 0.5 mJ pulse energy at 5 kHz 6–13 ns pulse duration Air cooled Extremely compact size Electrooptical Q-switching External triggering TEM00 beam profile Hermetically sealed PC control using RS232 and USB Remote control via keypad NL640 series Q-switched nanosecond Nd:YVO 4 lasers

16 Sorgenti Nd con pompaggio a diodo: moduli OEM 59 mm Nothrop Grumman camera di pompaggio a diodi con rod Nd:YAG potenza max. uscita 75 W (oscillatore CW) potenza ingresso 36 V 25A DC (900 W) Q-Peak Camera di pompaggio a diodi con rod Nd:YLF Potenza max. uscita 35 W (oscillatore CW) Potenza ingresso ~ 250 W

17 Airborne Lidar for Tropospheric Ozone Piattaforma: Fokker F27/ Mystère 20 Sorgente: Nd:YAG quadruplicato (266nm) raman shifted in H 2 / D 2 Lunghezze donda: 299 /341 nm (H 2 ) 289/ 316 nm (D 2 ) Energia di uscita : 9-5 mJ PRF: 20Hz Consumo laser: 3 kW M55 Geophysica

18 Backscatter Lidar measurements in PBL during BUBBLExperiment Cortesy of V.Mitev

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20 GASCOD/A4 M55 Geophysica ABLE nadir background signal @355 nm and GASCOD/A4p signal in 333 nm ± 30 nm spectral band obtained through nadir faced NFoV channel during 28.02.2003 flight from Kiruna within APE- ENVISAT High-Latitude Validation campaign.

21 SOMMARIO: Sono già avviati studi di fattibilità per individuare le caratteristiche tecniche dei diversi componenti necessari per la realizzazione del mini-LIDAR allo scopo di individuare i requisiti minimi necessari alla misura del contenuto di polveri sottili PM1, PM2.5, PM10; Sono in corso i primi test per dare una stima della luce solare diffusa alla quota del volo, attraverso limpiego di un modello di trasferimento radiativo per la valutazione del background delle misure previste.

22 Fine Grazie per lattenzione

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