ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΣΗΣΗ 5

Μέγεθος: px

Εμφάνιση ξεκινά από τη σελίδα:

Download "ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΣΗΣΗ 5"

Ευμελια Κορωναίος
9 χρόνια πριν
Προβολές:

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥ ΩΝ ΦΥΣΙΚΗ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΣΗΣΗ 5 Προσδιορισµός του ύψους του οραικού στρώµατος µε τη διάταξη lidar. Μπαλής Λέκτορας Τµ. Φυσικής ΑΠΘ

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΣΗΣΗ 5 Προσδιορισµός του ύψους του

2 1. Εισαγωγή Ο συνήθης πειραµατικός προσδιορισµός του ύψους του οριακού στρώµατος (ΟΣ) h πραγµατοποιείται µε µετρήσεις της θερµοκρασίας της τροπόσφαιρας και της σχετικής υγρασίας µε ραδιοβολίσεις. Παρόλο αυτά µια περιγραφή της δοµής του ΟΣ, που πραγµατοποιείται µε τη βοήθεια των ραδιοβολίδων, οι οποίες γίνονται σε συγκεκριµένες ώρες, δεν µπορούν να συνεισφέρουν σε µια πλήρη κατανόηση της αστικής µετεωρολογίας. Μια διάταξη lidar χρησιµοποιεί τα αιωρούµενα σωµατίδια ως ιχνηθέτες για την περιγραφή των χαρακτηριστικών, της δυναµικής και της ανάπτυξης του ΟΣ. Η οπισθοσκεδαζόµενη ακτινοβολία που µετριέται από τα lidar εξαρτάται από την ποσότητα των αιωρούµενων σωµατιδίων της ατµόσφαιρας. Επειδή το οριακό στρώµα είναι τυπικά υγρό και έχει µεγαλύτερη ποσότητα αεροζόλ από την ελεύθερη ατµόσφαιρα, προκαλείται µεγαλύτερη σκέδαση του φωτός του laser, το lidar µπορεί εύκολα να ανιχνεύσει το σύνορο µεταξύ των δυο στρωµάτων. Η ευρεία ικανότητά του σε σχέση µε αποστάσεις της τάξης του βάθους της τροπόσφαιρας, µε µια ανάλυση των λίγων δεκάδων µέτρων και η ικανότητα του να παίρνει δείγµατα της ατµόσφαιρας σε µια υψηλής τάξης επανάληψη ( λίγα hertz) κάνει το lidar ένα από τα πιο καταλληλότερα συστήµατα για ανάλυση της δοµής του ΟΣ και τον καθορισµό της µέσης τιµής του ύψους του οριακού στρώµατος..1 Οριακό στρώµα.1.1 Ορισµός To ατµοσφαιρικό οριακό στρώµα ορίζεται ως το κατώτερο στρώµα της τροπόσφαιρας, το οποίο επηρεάζεται ευθέως από την παρουσία του εδάφους µέσω της τυρβώδους ροής θερµότητας. Εκτείνεται συνήθως από την επιφάνεια του εδάφους µέχρι τα 1000m. Την ηµέρα έχουµε µεγαλύτερο ατµοσφαιρικό οριακό στρώµα από τη νύχτα. Πράγµατι την ηµέρα το έδαφος δέχεται ενέργεια από τον Ήλιο και θερµαίνεται,έτσι µια µεγάλη φυσαλίδα αέρα (θερµικά) ανέρχεται. Με αυτό τον τρόπο διατηρούνται οι τυρβώδεις στρόβιλοι.

αστικής µετεωρολογίας. Μια διάταξη lidar χρησιµοποιεί τα αιωρούµενα σωµατίδια ως ιχνηθέτες για την περιγραφή των χαρακτηριστικών, της δυναµικής και της ανάπτυξης του ΟΣ.

3 Η ενέργεια αυτή πριν τη δύση του Ήλιου αρχίζει να ελαττώνεται ώστε δεν µπορεί να συντηρήσει του στροβίλους. Την ώρα αυτή όλο το κραταιό οικοδόµηµα καταρρέει µέσα σε λεπτά. Καταστρέφεται από πάνω προς τα κάτω..1.2 Τα τρία µέρη του οριακού στρώµατος Στρώµα επιφανείας(surface layer) Το στρώµα επιφανείας είναι το κατώτερο στρώµα του οριακού στρώµατος και συνήθως ορίζεται ως το 10% του ύψους του οριακού στρώµατος. Ανάλογα µε τη µεταβολή του ύψους του οριακού στρώµατος, το επιφανειακό στρώµα έχει ύψος το οποίο κυµαίνεται από m. Ακολουθούν ορισµένες από τις χαρακτηριστικές ιδιότητες αυτού του στρώµατος Είναι το πιο σηµαντικό στρώµα γιατί ζούµε µέσα σε αυτό Μέσα σε αυτό το στρώµα γίνονται οι περισσότερες εκποµπές Αποτελεί το στρώµα για το οποίο έχουµε τις περισσότερες πληροφορίες ( µια και είναι δυνατόν να γίνουν µετρήσεις µέσα σε αυτό). Με αυτό τον τρόπο γνωρίζουµε τα χαρακτηριστικά του Στρώµα ανάµειξης( Mixed layer) Το ύψος ανάµειξης (mixing layer) είναι το ύψος που ξεκινά από την επιφάνεια της γης και φθάνει µέχρι εκείνο το οποίο αναµειγνύονται οι αέριοι ρύποι από τις ατµοσφαιρικές αναταράξεις. Το ατµοσφαιρικό στρώµα που περιέχεται µεταξύ της επιφάνειας της γης και του ύψους ανάµειξης ονοµάζεται στρώµα αναµείξεως(mixing layer). Σε πολλές περιπτώσεις το στρώµα ανάµειξης θεωρείται ότι ταυτίζεται µε το οριακό στρώµα. Ο υπολογισµός του ύψους ανάµειξης µπορεί να γίνει µε πολλούς άµεσους ή έµµεσους τρόπους. Επιτόπιος, άµεσος προσδιορισµός µπορεί να γίνει µέσω της µέτρησης των διαταραχών του ανέµου χρησιµοποιώντας κατάλληλα όργανα µέτρησης των ατµοσφαιρικών αναταράξεων προσαρµοσµένων είτε σε αεροπλάνα είτε σε κάποια άλλη πλατφόρµα µέτρησης( µετεωρολογικό πύργο, δέσµιο αερόστατο κτλ.).από τον ορισµό του ύψους ανάµειξης προκύπτει ότι θα είναι εκείνο το ύψος στο οποίο τα όργανα θα δείχνουν πολύ µικρή ή καθόλου ανατάραξη. Αυτή η µέθοδος αν και πολύ ακριβής, δεν είναι πρακτικά εφικτή παρά µόνο κατά την διάρκεια ερευνητικών πειραµάτων. Η παρακολούθηση όµως της αέριας ρύπανσης σε µια περιοχή απαιτεί

4 γνώση του ύψους ανάµειξης σε συνεχή βάση και είναι απαραίτητο να εφαρµοστούν εναλλακτικές µέθοδοι υπολογισµού του Ζώνη εισροής Η ζώνη εισροής είναι το ευσταθές στρώµα στην κορυφή του στρώµατος ανάµιξης, το οποίο ενεργεί ως κάλυµµα στα ανερχόµενα θερµικά, έτσι περιορίζεται η κυριαρχία της τύρβης. Το στρώµα αυτό ονοµάζεται ζώνη εισροής γιατί εκεί γίνεται η εισροή µέσα στο στρώµα ανάµιξης από την ελεύθερη ατµόσφαιρα. Μερικές φορές αυτό το ευσταθές στρώµα είναι αρκετό να οριστεί ως θερµοκρασιακή αναστροφή, δηλαδή η αύξηση της απόλυτης θερµοκρασίας µε το ύψος. Στην πραγµατικότητα συχνά καλείται στρώµα αναστροφής σε συνάρτηση µε το µέγεθος ευστάθειας Αποκοµµένο στρώµα (Residual Layer) Σχεδόν µισή ώρα πριν τη δύση του ήλιου τα θερµά (ανοδικά ρεύµατα ζεστού αέρα µε τη µορφή φυσαλίδων) παύουν να δηµιουργούνται (µε απουσία κρύου αέρα κατά τη µεταφορά) επιτρέποντας τη τύρβη να παρακµάσει στο διαµορφωµένο και καλά αναµιγµένο στρώµα. Το στρώµα αέρα που προκύπτει καλείται πολλές φορές στρώµα αποκοπής, επειδή οι µεταβολές της συγκέντρωσης των ρύπων µε το ύψος είναι οι ίδιες µε αυτές του πρόσφατα σε κατάπτωση στρώµατος ανάµιξης. Για παράδειγµα κατά την απουσία µεταφοράς, παθητικοί ιχνηθέτες διαχέονται κατά τη διάρκεια της ηµέρας στο στρώµα ανάµιξης ενώ παραµένουν επάνω στο αποκοµµένο στρώµα κατά τη διάρκεια της νύχτας. Το Αποκοµµένο στρώµα είναι ουδέτερα στρωµατοποιηµένο και αυτό έχει ως αποτέλεσµα η τύρβη να είναι σχεδόν ίδιας έντασης σε όλες τις διευθύνσεις. Ως επακόλουθο, οι θύσανοι που εκπέµπονται στο αποκοµµένο στρώµα τείνουν να διαλυθούν µε ίδιους ρυθµούς στο κατακόρυφο και σε πλευρικές διευθύνσεις, δηµιουργώντας ένα θύσανο σε σχήµα κώνου..2 Μέθοδοι προσδιορισµού του ύψους του οριακού στρώµατος Α. Με µετρήσεις ραδιοβολισεων Η γνώση της µεταβολής της πραγµατικής δυναµικής θερµοκρασίας είναι συνήθως σαφής στο να υποδεικνύει το οριακό στρώµα. Η γνώση της βαθµίδας της δυναµικής θερµοκρασίας µπορεί να καθορίσει τη στατική ευστάθεια. Μια εξαίρεση σε αυτό τον κανόνα είναι εµφανής από τη σύγκριση της βαθµίδας στη µέση του

Το στρώµα αυτό ονοµάζεται ζώνη εισροής γιατί εκεί γίνεται η εισροή µέσα στο στρώµα ανάµιξης από την ελεύθερη ατµόσφαιρα.

5 αποκοµµένου στρώµατος µε αυτή στη µέση του στρώµατος ανάµιξης. Και οι δυο είναι αδιαβατικές παρόλο που το αναµιγµένο στρώµα ανταποκρίνεται σε στατικά µη ευσταθή αέρα ενώ το αποκοµµένο στρώµα περιέχει στατιστικά ουδέτερο αέρα. Ένας τρόπος για τη ταξινόµηση των αδιαβατικών στρωµάτων είναι περισσότερο η θερµοβαθµίδα του αέρα αµέσως πάνω από τα αδιαβατικό στρώµα. Αν ο χαµηλότερος αέρας είναι υπεραδιαβατικός, τότε και τα υπεραδιαβατικά στρώµατα και τα αδιαβατικά στρώµατα είναι µη ευσταθή. Αλλιώς το αδιαβατικό στρώµα είναι στατικά ουδέτερο. Μετρήσεις της θερµοκρασίας, πίεσης, σχετικής υγρασίας και συνιστωσών του άνεµου χρησιµοποιούνται για να υπολογιστεί ο αριθµός Richardson ώστε να προσδιοριστεί το ύψος του οριακού στρώµατος. Ο αριθµός Richardson υπολογίζεται από τον παρακάτω τύπο: g( z z0) [ θ ( z) θ ( z8)] R ib (z) = 2 2 θ ( z) u( z) + υ( z) όπου θ είναι η δυναµική θερµοκρασία, g η επιτάχυνση της βαρύτητας, z είναι το ύψος και z 0 είναι το ύψος της επιφάνειας, και u και υ είναι η ζωνική και η µεσηµβρινή συνιστώσα της ταχύτητας του ανέµου Η κορυφή του οριακού στρώµατος καθορίζεται από τα ύψη στα οποία η κατάσταση R ib >R ibc, όπου R ibc είναι η οριακή τιµή του αριθµού Richardson Συνήθως η τιµή αυτή είναι για το R ibc. Κάτω από την κρίσιµη τιµή του R ibc η ατµόσφαιρα µπορεί να θεωρηθεί ότι αποτελεί το οριακό στρώµα. Ο αριθµός Richardson χρησιµοποιείται κυρίως για να περιγράψει την διαβατική κατάσταση της ατµόσφαιρας και τις διαδικασίες µεταφοράς. Ο αρνητικός αριθµός Richardson δείχνει µια ασταθής κατάσταση όπου η τυρβώδης θερµική αγωγή κυριαρχεί από την µεταφορά. Αντιθέτως θετικές τιµές καθορίζουν ευσταθείς καταστάσεις που τείνουν να µειώσουν τις κατακόρυφες κινήσεις. Τιµές κοντά στο µηδέν προσδιορίζουν ουδέτερο περιβάλλον που κυριαρχείται από µηχανισµούς τύρβης. Σε σταθερές ατµόσφαιρες η διαβατική κατάσταση είναι ανάλογη µε το µέγεθος του αριθµού Richardson.

Ένας τρόπος για τη ταξινόµηση των αδιαβατικών στρωµάτων είναι περισσότερο η θερµοβαθµίδα του αέρα αµέσως πάνω από τα αδιαβατικό στρώµα.

6 Β. Απο δεδοµένα Lidar Το οπτικό µέγεθος που µετριέται µέσω ενός lidar είναι ανάλογο µε το σήµα οπισθοσκέδασης από τα σωµατίδια και τα µόρια που υπάρχουν στην ατµόσφαιρα. Το σήµα του lidar µπορεί να εκφραστεί ως : R s (λ.r)= 2 r C Ε0 [β m (λ,r)+ β p (λ,r)]t 2 (λ,r)+ R S0 (1) όπου β p (λ,r) και β m (λ,r) είναι αντίστοιχα οι συντελεστές οπισθοσκέδασης από τα σωµάτια και τα µόρια, C είναι η σταθερά για το δοσµένο σύστηµα lidar, Ε 0 είναι η ενέργεια εξόδου, Τ 2 είναι η ατµοσφαιρική διαπερατότητα και r είναι η απόσταση µεταξύ της πηγής laser και του στόχου, λ είναι το µήκος κύµατος και R S0 είναι το σήµα υποβάθρου. Το διορθωµένο σήµα σε σχέση µε την απόσταση ορίζεται ως: S( r) = (R S -R S0 )r 2 (2) Η πιο απλή µέθοδος προσδιορισµού του ύψους του οριακού στρώµατος απο µετρήσεις lidar είναι αυτή που στηρίζεται στον υπολογισµό της µεταβολής της παραγώγου του σήµατος lidar S( r) σε συνάρτηση µε το ύψος. Σύµφωνα µε αυτούς τους υπολογισµούς το ύψος ανάµιξης καθορίζεται από την πρώτη ελάχιστη τιµή της πρώτης παραγώγου του σήµατος καθώς αυτή µεταβάλλεται µε το ύψος..3 Εργαστηριακή άσκηση Να πραγµατοποιηθούν µετρήσεις µε τη διάταξη lidar από τις 8:30 έως και τις 13:00 στα 532 nm Να προσδιοριστεί για κάθε µέτρηση το ελάχιστο της πρώτης παραγώγου και να παραστεί γραφικά η χρονική εξέλιξη του οριακού στρώµατος. Να παραστεί γραφικά η ds( r)/r ως συνάρτηση του χρόνου και του ύψους και να σχολιαστεί Να προσδιοριστεί το ύψος του οριακού στρώµατος από τα δεδοµένα της ραδιοβόλισης της ίδιας ηµέρας

r)= 2 r C Ε0 [β m (λ,r)+ β p (λ,r)]t 2 (λ,r)+ R S0 (1) όπου β p (λ,r) και β m (λ,r) είναι αντίστοιχα οι συντελεστές οπισθοσκέδασης από τα σωµάτια και τα µόρια, C είναι η σταθερά για το δοσµένο

Σχετικά έγγραφα

Συνθήκες ευστάθειας και αστάθειας στην ατμόσφαιρα

Συνθήκες ευστάθειας και αστάθειας στην ατμόσφαιρα Οι κατακόρυφες κινήσεις των αερίων μαζών επηρεάζουν τόσο τον καιρό όσο και τις διαδικασίας ανάμειξης που είναι ιδιαίτερα σημαντικές στη μελέτη της αέριας