d I λ = k λ ρ I λ ds+ j λ ρ ds Σκέδαση στην Ατμόσφαιρα Θεωρητική προσέγγιση - Γενικές ανακοινώσεις

Transcript

1 Γενικές ανακοινώσεις Σκέδαση στην Ατμόσφαιρα Θεωρητική προσέγγιση - Τρίτη 4 Δεκεμβρίου: Μάθημα «Σκέδαση» Τρίτη 11 Δεκεμβρίου: Μάθημα «Δορυφορική τηλεπισκόπηση της υπέρυθρης ακτινοβολίας» Τρίτη 18 Δεκεμβρίου: Εξετάσεις στο πρώτο μέρος του μαθήματος ΥΛΗ: Γενικά για την ατμόσφαιρα, ηλιακή ακτινοβολία, απορρόφηση, σκέδαση. ΜαριΛίζα Κουκουλή Εργαστήριο Φυσικής της Ατμόσφαιρας mariliza@auth.gr ΜαριΛίζα Κουκουλή, Ατμοσφαιρική Οπτική 2007/ Σύνδεση με τα προηγούμενα Σύνδεση με τα προηγούμενα ΗΑτμόσφαιρα Η Ηλιακή Ακτινοβολία Η Απορρόφηση [και εκπομπή] της Ηλιακής Ακτινοβολίας μέσα στην Ατμόσφαιρα Η Σκέδαση της Ηλιακής Ακτινοβολίας μέσα στην Ατμόσφαιρα d I λ = k λ ρ I λ ds+ j λ ρ ds Απώλεια ενέργειας λόγω απορρόφησης & σκέδασης Κέρδη ενέργειας λόγω εκπομπής & multiple scattering ΜαριΛίζα Κουκουλή, Ατμοσφαιρική Οπτική 2007/ ΜαριΛίζα Κουκουλή, Ατμοσφαιρική Οπτική 2007/

2 Διάδοση ακτινοβολίας στην Ατμόσφαιρα Συνεισφορές από: Άμεσηηλιακήακτινοβολία Ανάκλαση από την επιφάνεια της Γης [albedo] Ανάκλαση από τα νέφη Σκέδαση στην ατμόσφαιρα Σκέδαση Rayleigh Σκέδαση Mie Σκέδαση Raman Απορρόφηση στην ατμόσφαιρα Εκπομπή στην ατμόσφαιρα Εκπομπή από την επιφάνεια της Γης Εκπομπή από τα νέφη Βασικές αλληλοεπιδράσεις ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας και ύλης στην ατμόσφαιρα Transmittance ΜαριΛίζα Κουκουλή, Ατμοσφαιρική Οπτική 2007/ ΜαριΛίζα Κουκουλή, Ατμοσφαιρική Οπτική 2007/ Πώς κατανέμεται η προσπίπτουσα Ηλιακή ακτινοβολία Διάδοση ακτινοβολίας στο Υπεριώδες/Ορατό Atmosphere Absorption Scattering Aerosol / Molecules Absorption on the ground Scattering / Reflection on the ground ΜαριΛίζα Κουκουλή, Ατμοσφαιρική Οπτική 2007/ ΜαριΛίζα Κουκουλή, Ατμοσφαιρική Οπτική 2007/

3 Διάδοση ακτινοβολίας στο Υπεριώδες/Ορατό Ανάκλαση - Reflectance Absorption Aerosol / Molecules Absorption on the ground Scattering Scattering / reflection oh a cloud Scattering from a cloud Cloud Transmission through a cloud Scattering within a cloud Transmission through a cloud Scattering / Reflection on the ground Atmosphere Βασικός νόμος της ανάκλασης: η γωνία της προσπίπτουσας ακτινοβολίας ισούται την γωνία της ανακλώμενης ακτινοβολίας ΜαριΛίζα Κουκουλή, Ατμοσφαιρική Οπτική 2007/ ΜαριΛίζα Κουκουλή, Ατμοσφαιρική Οπτική 2007/ Απορρόφηση -Absorption Η διαδικασία με την οποία η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία απορροφάται απόέναμόριοήσωματίδιοκαιμετατρέπεταισεάλληςμορφήςενέργεια Σκέδαση -Scattering 12 ΜαριΛίζα Κουκουλή, Ατμοσφαιρική Οπτική 2007/

4 Σκέδαση στην ατμόσφαιρα Σκέδαση συμβαίνει όταν ένα φωτόνιο απορροφάται από ένα συστατικό και άμεσα επανεκπέμπεται Μηχανισμοί σκέδασης: Σκέδαση Rayleigh Σκέδαση Mie Γεωμετρική Οπτική Ανελαστική σκέδαση Raman Συνήθως τα σκεδαζόμενα φωτόνια έχουν το ίδιο μήκος κύματος (ελαστική σκέδαση), αλλά διαφορετική διεύθυνση από το αρχικό φωτόνιο Ηφασικήσυνάρτηση(phase function) P(ϕ) περιγράφει την κατανομή της έντασης σαν συνάρτηση της γωνίας σκέδασης Σκέδαση στην ατμόσφαιρα Η σκέδαση μπορεί να είναι είτε πηγή είτε καταβόθρα ακτινοβολίας Η απώλεια ακτινοβολίας είναι: di( λ) = I ( λσ ) ( λ) nds ο Η ποσότητα της ακτινοβολίας που προστίθεται είναι το γινόμενο της ακτινοβολίας σε μια διεύθυνση και της πιθανότητας σκέδασης για την κατεύθυνση που μελετάται. Η ολοκλήρωση σε όλες τις πιθανές κατευθύνσεις δίνει το συνολικό κέρδος στην ακτινοβολία. diλ 1 = ks I( ω ) P( ωω, ) dω dω 4π k = σ ( λ) n s s 4π s ΜαριΛίζα Κουκουλή, Ατμοσφαιρική Οπτική 2007/ ΜαριΛίζα Κουκουλή, Ατμοσφαιρική Οπτική 2007/ Σκέδαση στην ατμόσφαιρα Η τύπος της σκέδασης εξαρτάται από το μέγεθος του σκεδαστή: (r: ακτίνα σφαιρικού σωματίου) Παράμετρος μεγέθους α = 2π r / λ (Mie ή size parameter) Σκέδαση Rayleigh 16 ΜαριΛίζα Κουκουλή, Ατμοσφαιρική Οπτική 2007/

5 Σκέδαση Rayleigh Σκέδαση Rayleigh Η σκέδαση γίνεται πάνω σε μόρια στα ορατά μήκη κύματος Μήκος κύματος προσπίπτουσας και σκεδαζόμενης ακτινοβολίας είναι το ίδιο. Η αποδοτικότητα της σκέδασης Rayleigh αλλάζει ως σ s Rayleigh (λ) λ - 4 Ο συντελεστής σκέδασης είναι ανάλογος του τετραγώνου του δείκτη διάθλαση Η ένταση τηςσκεδαζόμενηςακτινοβολίαςείναιανάλογηστο1 + cos 2 Θ (όπου Θ είναι η γωνία σκέδασης θεωρώντας ότι η προσπίπτουσα ακτινοβολία είναι μη πολωμένη) Τοφωςσκεδάζεταικυρίωςστηνεμπρόσθια και στην οπίσθια κατεύθυνση. Το σκεδαζόμενο φως είναι ισχυρά πολωμένο για σκέδαση στις 90 Συνάρτησης Φάσης Rayleigh μοίρες. Συνάρτησης Φάσης Rayleigh ΜαριΛίζα Κουκουλή, Ατμοσφαιρική Οπτική 2007/ ΜαριΛίζα Κουκουλή, Ατμοσφαιρική Οπτική 2007/ Σκέδαση Rayleigh Ο καθαρός ουρανός φαίνεται μπλέ γιατί η σκέδαση Rayleigh ψηλά στην ατμόσφαιρα επηρεάζει την ακτινοβολία μικρού μήκους κύματος [μπλε] περισσότερο ΜαριΛίζα Κουκουλή, Ατμοσφαιρική Οπτική 2007/ ΜαριΛίζα Κουκουλή, Ατμοσφαιρική Οπτική 2007/

6 Rayleigh Scattering - Σύνοψη Η γεωμετρία της πόλωσης στην σκέδαση Rayleigh Συμβαίνει σε μοριακό επίπεδο Η ένταση της σκέδασης Rayleigh είναι αντιστρόφως ανάλογη της τέταρτης δύναμης του μήκους κύματος της προσπίπτουσας ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας Η μέγιστη σκέδαση Rayleigh λαμβάνει χώρα στα ανώτερα 10 χμ της στρατόσφαιρας [ΓΙΑΤΙ;] Lord Rayleigh The Nobel Prize in Physics 1904 Η ακτινοβολία πολώνεται κάθετα προς το επίπεδο το οποίο διαγράφουν ο Ήλιος, το σκεδαζόμενο μόριο και ο παρατηρητής. Το μέγιστο της πόλωσης εμφανίζεται στις 90 μοίρες ΜαριΛίζα Κουκουλή, Ατμοσφαιρική Οπτική 2007/ ΜαριΛίζα Κουκουλή, Ατμοσφαιρική Οπτική 2007/ Λίγα λόγια για την πόλωση του φωτός Το διάνυσμα της Έντασης του Ηλεκτρικού Πεδίου είναι πάντοτε κάθετο στη διεύθυνση διάδοσης Σκέδαση Mie Μοριακή ατμόσφαιρα φως πολωμένο Αεροζόλ ατμόσφαιρα όχι τόσο εύκολη πόλωση ΠΡΑΚΤΙΚΑ 24 ΜαριΛίζα Κουκουλή, Ατμοσφαιρική Οπτική 2007/

7 Σκέδαση Mie Σκέδαση Mie Gustav Adolf Feodor Wilhelm Ludwig Mie Σκέδαση σε μεγάλα σωματίδια στην ατμόσφαιρα όπως αεροζόλ, υδροσταγονίδια, κλπ. Για σφαιρικά σωματίδια, ησκέδασηmie μπορεί να υπολογιστεί από τον συντελεστή διάθλασης με την κλασική θεωρία του Maxwell Το μήκος κύματος της εισερχόμενης ακτινοβολίας δεν μεταβάλλεται Ανάλογα με το μέγεθος των σωματιδίων, α, η εμπροσθοσκέδαση προτιμάται Η αποδοτικότητα της σκέδασης Mie είναι ανάλογη με το σ Mie s (λ) λ λ -1.5 Γενικά ησκέδασηmie δεν είναι πολωμένη Συντελεστής φάσης σκέδασης Mie για τυπικά σταγονίδια νεφών ΜαριΛίζα Κουκουλή, Ατμοσφαιρική Οπτική 2007/ ΜαριΛίζα Κουκουλή, Ατμοσφαιρική Οπτική 2007/ Υπολογιστικά προβλήματα της σκέδασης Mie Η συνάρτηση φάσης για την σκέδαση Mie Γενικά η σκέδαση μεγάλων σωματιδίων δεν μπορεί να αναλυθεί ποσοτικά γιατί 1. Τα περισσότερα σωματίδια δεν είναι σφαιρικά 2. Η σύσταση των σωματιδίων, και άρα και ο συντελεστής σκέδασης δεν είναι πολύ γνωστός 3. Η κατανομή μεγέθους των σωματιδίων δεν είναι γνωστή 4. Μεταβολές στην υγρασία μπορούν να έχουμε μεγάλες επιπτώσεις στις οπτικές ιδιότητες των σωματιδίων 5. Δεν μπορούμε πάντα να αγνοούμε την απορρόφηση στα αεροζόλ Η γωνιακή κατανομή της σκέδασης Mie είναι μία περίπλοκη συνάρτηση του μεγέθους των σωματιδίων, ακόμη και για μεγάλα σωματίδια Όσο πιο μεγάλα τα σωματίδια, τόσο πιο ισχυρή η εμπρόσθια σκέδαση ΗσκέδασηMie οδηγεί στην «λεύκανση» της ατμόσφαιρας Τα περισσότερα μεγάλα σωματίδια δεν είναι σφαιρικά ΜαριΛίζα Κουκουλή, Ατμοσφαιρική Οπτική 2007/ ΜαριΛίζα Κουκουλή, Ατμοσφαιρική Οπτική 2007/

8 Σκέδαση Rayleigh vs Mie Γιατί ο ουρανός φαίνεται λευκός κοιτώντας προς τον ήλιο και μπλέ κοιτώντας προς το ζενίθ ΜαριΛίζα Κουκουλή, Ατμοσφαιρική Οπτική 2007/ ΜαριΛίζα Κουκουλή, Ατμοσφαιρική Οπτική 2007/ Σκέδαση Mie - Σύνοψη Συμβαίνει με σωματίδια τα οποία είναι 0.1 έως και 10 φορές μεγαλύτερα από το μήκος κύματος της προσπίπτουσας ακτινοβολίας Οι βασικοί σκεδαστές Mie είναι τα σωματίδια σκόνης [είτε τύπου πόλης είτε από έρημο] και σωματίδια αιθάλης [=καπνιά] από πυρκαγιές. Οι σκεδαστές Mie βρίσκονται χαμηλά στην τροπόσφαιρα [ΓΙΑΤΙ;] Σκέδαση Raman Rotational & Vibrational [Περιστροφής & Ταλάντωσης] 32 ΜαριΛίζα Κουκουλή, Ατμοσφαιρική Οπτική 2007/

9 Σκέδαση Raman Σκέδαση Raman Το Φαινόμενο Raman ανακαλύφθηκε το 1928, από τον Ινδό φυσικό Sir C. V. Raman ( ). Κατά το φαινόμενο αυτό, παρατηρείται μερική μεταβολή συχνότητας και φάσης της διερχόμενης ακτινοβολίας (ανελαστική σκέδαση). Η σκέδαση αυτή είναι εντελώς διαφορετική από τη συνήθη ελαστική σκέδαση (Rayleigh & Mie), περί τις χίλιες φορές ασθενέστερη και συνήθως παρατηρείται σε διευθύνσεις κάθετες προς την προσπίπτουσα δέσμη φωτός. Το φαινόμενο οφείλεται στο ότι ορισμένα από τα μόρια του υλικού απορροφούν ή προσφέρουν ενέργεια στα προσπίπτοντα φωτόνια, με αποτέλεσμα μετά από τη σκέδασή τους να εμφανίζονται αντίστοιχα με μικρότερη ή μεγαλύτερη συχνότητα. Chandrasekhara Venkata Raman won the Nobel Prize in Physics in 1930 ΜαριΛίζα Κουκουλή, Ατμοσφαιρική Οπτική 2007/ Εκτός από την ελαστική σκέδαση Rayleigh και Mie, η ανελαστική σκέδαση Raman πάνω στα μόρια της ατμόσφαιρας είναι επίσης σημαντική. Η σκέδαση Raman «μετατοπίζει» ενέργεια από το εισερχόμενο μήκος κύματος σε γειτονικά μήκη κύματος και άρα μεταβάλλει την φασματική κατανομή του σκεδαζόμενου φωτός. ΗσκέδασηRaman is μη πολωτική ισοτροπική ανάλογη στο λ -4 Υπεύθυνη για το 4% του σκεδαζόμενου φως από σκέδαση Rayleigh ΜαριΛίζα Κουκουλή, Ατμοσφαιρική Οπτική 2007/ Σκέδαση Ramman σε μοριακό επίπεδο Το φαινόμενο Ring Ως αποτέλεσμα της σκέδασης Raman πάνω στα μόρια τη ατμόσφαιρας, οι μπάντες Fraunhofer είναι λιγότερο ισχυρές στο σκεδαζόμενο φως από ότι στην άμεση ηλιακή ακτινοβολία. Το μέγεθος αυτού του φαινομένου εξαρτάται από την ζενίθια γωνία του ήλιου, την γεωμετρία της παρατήρησης, την νεφοκάλυψη, την ποσότητα των αεροζόλ στην ατμόσφαιρα και στο επιφανειακό albedo. Βασική εξήγηση: Η απώλεια λόγω σκέδασης Raman είναι ανάλογη της έντασης ακτινοβολίας σε μήκος κύματος λ Το κέρδος λόγω σκέδασης Raman είναι ανάλογο της έντασης ακτινοβολίας σε μήκος κύματος λ +- Δλ ΜαριΛίζα Κουκουλή, Ατμοσφαιρική Οπτική 2007/ ΜαριΛίζα Κουκουλή, Ατμοσφαιρική Οπτική 2007/

10 Ατμοσφαιρική Σκέδαση στο ορατό και υπεριώδες Albedo Rayleigh: elastic on molecules proportional to λ -4 polarized Mie: elastic on aerosols / droplets proportional to λ unpolarized Raman: proportional to Rayleigh inelastic unpolarized in the UV/vis, surface reflectivity is low with the exception of ice or snow in the presence of clouds, the instrument receives a much larger signal cloud reflectivity depends on cloud droplet size and optical depth, but only weakly even a small cloud can dominate the signal over dark surfaces wavelength dependence changes completely (white) ΜαριΛίζα Κουκουλή, Ατμοσφαιρική Οπτική 2007/ ΜαριΛίζα Κουκουλή, Ατμοσφαιρική Οπτική 2007/ Ατμοσφαιρική Εξασθένιση Συνοψίζοντας την Ηλιακή Ακτινοβολία και την επίδραση της Ατμόσφαιρας I o - the unattenuated light intensity L - the path length through the atmosphere 39 I - attenuated light intensity ΜαριΛίζα Κουκουλή, Ατμοσφαιρική Οπτική 2007/

11 Συντελεστής Εξασθένισης Συντελεστής Εξασθένισης - σ I / I o = e -σ L where I is the attenuated light intensity I o is the unattenuated light intensity L is the path length through the a uniform medium such as the atmosphere σ is the extinction coefficient in the units of inverse distance σ = β m + β p + β a where β m is the Rayleigh or molecular scattering coefficient β p is the Mie scattering coefficient (due to the airborne particles) β a is the absorption coefficient ΜαριΛίζα Κουκουλή, Ατμοσφαιρική Οπτική 2007/ ΜαριΛίζα Κουκουλή, Ατμοσφαιρική Οπτική 2007/ Ανακλαστικότητα Μεμονωμένης Σκέδασης Αποτελέσματα της σκέδασης και της απορρόφησης στην διάδοση της ηλιακής ακτινοβολίας μέσα στην ατμόσφαιρα Solar irradiance curve for a 50 cm 1 spectral interval at the top of the atmosphere and at the surface for a solar zenith angle of 60 in an atmosphere without aerosols or clouds. Absorption and scattering regions are indicated. ΜαριΛίζα Κουκουλή, Ατμοσφαιρική Οπτική 2007/ ΜαριΛίζα Κουκουλή, Ατμοσφαιρική Οπτική 2007/

12 Στην συνέχεια... Ακτινοβολίας Παραδείγματα Παραδείγματα μετρηθείσας ακτινοβολίας και η επηρροή των διάφορων συστατικών της ατμόσφαιρας 46 ΜαριΛίζα Κουκουλή, Ατμοσφαιρική Οπτική 2007/ Observations: over the Ocean Observations: over the Ocean Rayleigh scattering ~λ 4 O 3, H 2 O & O 2 absorption Reflectivity Reflectivity Wavelength [nm] TOA spectral albedo measured by GOME Wavelength [nm] TOA spectral albedo measured by GOME ΜαριΛίζα Κουκουλή, Ατμοσφαιρική Οπτική 2007/ ΜαριΛίζα Κουκουλή, Ατμοσφαιρική Οπτική 2007/

13 Observations: over the Ocean Observations: over Vegetation Inelastic Raman scattering (Ring effect) Colour of the surface Reflectivity Reflectivity Wavelength [nm] TOA spectral albedo measured by GOME Wavelength [nm] TOA spectral albedo measured by GOME ΜαριΛίζα Κουκουλή, Ατμοσφαιρική Οπτική 2007/ ΜαριΛίζα Κουκουλή, Ατμοσφαιρική Οπτική 2007/ Observations: over the Desert Observations: over Clouds Colour & brightness of the surface Brightness & Whiteness Reflectivity Reflectivity Wavelength [nm] TOA spectral albedo measured by GOME Wavelength [nm] TOA spectral albedo measured by GOME ΜαριΛίζα Κουκουλή, Ατμοσφαιρική Οπτική 2007/ ΜαριΛίζα Κουκουλή, Ατμοσφαιρική Οπτική 2007/