ΤΙΤΛΟΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ: ΤΗΛΕΠΙΣΚΟΠΗΣΗ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ ΜΕ ΔΙΑΤΑΞΗ LIDAR- ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΤΗΣ ΣΥΝΑΡΤΗΣΗΣ ΕΠΙΚΑΛΥΨΗΣ

ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΦΥΣΙΚΗΣ ΚΑΙ ΦΥΣΙΚΗΣ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ ΚΑΤΕΥΘΥΝΣΗ ΦΥΣΙΚΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ ΚΑΙ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΦΥΣΙΚΗΣ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ ΤΙΤΛΟΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ: ΕΚΠΟΝΗΣΗ: ΔΗΜΗΤΡΙΑΔΟΥ ΚΡΥΣΤΑΛΛΙΑ ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ: ΑΝΑΠΛΗΡΩΤΗΣ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ ΜΠΑΛΗΣ ΔΗΜΗΤΡΗΣ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ ΦΕΒΡΟΥΑΡΙΟΣ 2015

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 1. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1..5 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ - ΑΙΩΡΟΥΜΕΝΑ ΣΩΜΑΤΙΔΙΑ-ΠΡΟΕΛΕΥΣΗ- ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΣΤΗΝ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑ-ΕΠΙΔΡΑΣΕΙΣ ΣΤΗΝ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΗ ΡΥΠΑΝΣΗ ΚΑΙ ΣΤΗΝ ΜΕΤΕΩΡΟΛΟΓΙΑ 5 2. Η ΑΝΑΓΚΑΙΟΤΗΤΑ ΧΡΗΣΗΣ ΜΕΘΟΔΩΝ ΤΗΛΕΠΙΣΚΟΠΗΣΗΣ LASER..8 3. ΕΠΙΓΕΙΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ LIDAR..10 4. ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ LIDAR 11 2. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2.12 1. ΤΗΛΕΠΙΣΚΟΠΗΣΗ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ ΜΕ ΤΗΝ ΤΕΧΝΙΚΗ LIDAR.12 2. ΑΡΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ & ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΗΣ ΔΙΑΤΑΞΗΣ ΤΟΥ LIDAR.13 3. LIDAR ΟΠΙΣΘΟΣΚΕΔΑΣΗΣ.15 4. LIDAR RAMAN.16 5. ΤΕΧΝΙΚΗ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ LIDARΤΟΥ ΕΦΑ...17 3.ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3..19 1. Η ΔΙΑΦΟΡΙΚΗ ΕΞΙΣΩΣΗ LIDAR.....19 2. ΜΕΘΟΔΟΣ ΟΛΙΚΗΣ ΟΠΙΣΘΟΣΚΕΔΑΣΗΣ 26 3. ΜΕΘΟΔΟΣ ΑΝΑΛΥΣΗΣ ΣΗΜΑΤΩΝ LIDAR RAMAN.29 4. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4....33 1. ΣΥΝΑΡΤΗΣΗ ΕΠΙΚΑΛΥΨΗΣ 33 2. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟΣ ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΤΗΣ ΣΥΝΑΡΤΗΣΗΣ ΕΠΙΚΑΛYΨΗΣ ΜΕ ΤΟ ΠΕΙΡΑΜΑ TELECOVER.37 5. ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ 1... 59 1. ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΚΑΙ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΤΩΝ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ ΤΟΥ ΟΡΓΑΝΟΥ CALIOP ΤΟΥ ΔΟΡΥΦΟΡΟΥ CALIPSO...59 2. ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ LIDAR CALIOP.61 3. ΒΑΣΗ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ... 64 1

6. ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ 2... 64 1. ΚΛΙΜΑΤΟΛΟΓΙΑ ΑΙΩΡΟΥΜΕΝΩΝ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ ΓΙΑ ΤΗΝ ΠΕΡΙΟΧΗ ΤΗΣ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΑΠΟ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ LIDAR. 7. REFERENCES... 69 2

ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Όταν ξεκίνησε η διπλωματική αυτή, τον Φεβρουάριο του 2011, κανείς μας δεν ήξερε ακόμα σε ποια πλαίσια θα κινηθεί, τι θα κληθούμε να προσδιορίσουμε και να ερευνήσουμε. Η βασική ιδέα όμως υπήρχε. Η τηλεπισκόπηση της ατμόσφαιρας. Μαζί με την ιδέα υπήρχε και μία πειραματική διάταξη με πολλές δυνατότητες και λαμπρό πεδίο έρευνας. Ξεκίνησα με την τότε ομάδα, την αγαπητή Ελίνα Γιαννακάκη ως καθοδηγήτριά μου και το Νίκο Σιώμο ως βοηθό και μεταπτυχιακό φοιτητή, να δουλεύουμε τα καθιερωμένα πειράματα αλλά και νέες τεχνικές και άλλες παραμέτρους, πάντα σαφώς με την επίβλεψη και κατεύθυνση του κυρίου Δημήτρη Μπαλή. Ο καιρός πέρασε και τέσσερα χρόνια μετά, Φεβρουάριος 2015 πια, και μία ανάσα πριν την τελετή ορκωμοσίας μου, το πρώτο ερευνητικό μου έργο είναι έτοιμο, μετά από πολύ προσπάθεια και δύσκολες συνθήκες, που πάντα με πίεζαν να συνεχίζω και να προχωράω. Σε όλη αυτή μου τη πορεία, στα πρώτα μου ουσιαστικά βήματα υπάρχουν κάποιοι άνθρωποι που θέλω να ευχαριστήσω για τη σημαντική συμβολή τους αφενός στα πολλά επίπεδα της παρούσας διπλωματικής αλλά και στην ιδιοσυγκρασία μου σαν άνθρωπο. Πρώτα απ όλα στους γονείς μου, τον αδερφό μου και τους φίλους, που ήταν πάντα εκεί να με στηρίζουν, στις χαρές, στις λύπες, στις δυσκολίες, μέρα με τη μέρα. Ο κόπος τους και η υπομονή τους μου υπέδειξαν μαθήματα ζωής αλλά πάνω απ όλα την αγάπη και την εμπιστοσύνη τους προς εμένα. Ήταν πάντα εκεί για εμένα, με συμβουλευτικό τόνο και με άδολη αγάπη και κατανόηση. Έπειτα, ένα μεγάλο ευχαριστώ στην Ελίνα Γιαννακάκη, για τον κόπο και την υπομονή της να μου μάθει να χειρίζομαι την διάταξη αλλά και πώς να διεκπεραιώνω σωστά τις πειραματικές διαδικασίες. Μεγάλο ευχαριστώ και στον Νίκο Σιώμο, που από τότε μέχρι και σήμερα, με βοήθησε στη κατανόηση του προγραμματιστικού και λειτουργικού μέρους της διάταξης και ήταν πάντα δίπλα να λύνει απορίες και να συζητάμε τα αποτελέσματα. Επίσης, ευχαριστώ πάρα πολύ τον αναπληρωτή καθηγητή Γιάννη Στούμπουλο, δάσκαλό μου όλα αυτά τα χρόνια, για τις πολύτιμες συμβουλές για το πρόγραμμα Origin αλλά και τη σωστή γραφή 3

μιας διπλωματικής εργασίας. Πάνω απ όλα όμως τον ευχαριστώ, για την ανθρώπινη στήριξή του σε μία πολύ δύσκολη στιγμή της ζωής μου που σημάδεψε τον χαρακτήρα μου, τον ερευνητικό προσανατολισμό μου και την τελική μου επιτυχία. Στο τέλος, το μεγαλύτερο ευχαριστώ, το οφείλω, στον αναπληρωτή καθηγητή κύριο Δημήτρη Μπαλή, όχι μόνο για την εμπιστοσύνη που μου έδειξε, όταν με διάλεξε πριν 4 χρόνια αλλά και για την τιμή να με κάνει ισάξιο μέλος της ομάδας του. Ήταν ο πρώτος που με κατεύθυνε και μου έμαθε το Lidar και τις ερευνητικές πτυχές του και με βοήθησε να κατανοήσω το θεωρητικό υπόβαθρο. Οι γνώσεις που αποκομίζει κανείς μετά από τόσο καιρό, αναβαθμίζουν το μυαλό. Η εκτίμηση και το χαμόγελο γεμίζουν την καρδιά. Σας ευχαριστώ όλους μέσα από τη καρδιά μου. 4

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 1.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ- ΑΙΩΡΟΥΜΕΝΑ ΣΩΜΑΤΙΔΙΑ-ΠΡΟΕΛΕΥΣΗ-ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΣΤΗΝ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑ-ΕΠΙΔΡΑΣΕΙΣ ΣΤΗΝ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΗ ΡΥΠΑΝΣΗ ΚΑΙ ΣΤΗΝ ΜΕΤΕΩΡΟΛΟΓΙΑ. Η ατμόσφαιρα της γης εμπεριέχει ένα μείγμα αερίων, αιωρούμενων σωματιδίων και νεφών. Τα αιωρούμενα σωματίδια παρουσιάζουν μεγάλη μεταβλητότητα στην ατμόσφαιρα όσων αφορά τη σύσταση, το μέγεθός τους και την συγκέντρωσή τους, εξαιτίας της διαφορετικότητας των πηγών εκπομπής τους, των χημικών και φυσικών διεργασιών που υφίστανται ώστε να συμπυκνωθούν αλλά και των μετεωρολογικών συνθηκών. Τα αιωρούμενα σωματίδια μπορούν να ασκήσουν σημαντικές επιδράσεις στο περιβάλλον [IPCC, 2001]. Η αλληλεπίδραση που γίνεται μεταξύ της ενέργειας που εκπέμπεται από τον ήλιο και της ανακλώμενης και εκπεμπόμενης προς τα πίσω ενέργειας από την Γη δημιουργεί μια πολύπλοκη ενεργειακή ισορροπία που διαμορφώνει το κλίμα της Γης.[Penneretal, 2001, HaywoodandBoucher, 2000, Coakleyetal., 1983, Andreae, 1995]. Ωστόσο, η μη επαρκής γνώση για τα ποσοστά των κλιματικών επιπτώσεων των αιωρούμενων σωματιδίων, εξαιτίας της επίδρασής τους στο ισοζύγιο της ακτινοβολίας, σε συνδυασμό πάντα με την επίδραση των θερμοκηπικών αερίων, δημιουργεί πολύ μεγάλη αβεβαιότητα [IPCC, 2007]. Στο Σχήμα 1 παρουσιάζεται το μέσο ισοζύγιο της ακτινοβολίας του κλιματικού συστήματος το 2005, σε σχέση με αυτό του 1750 ως αποτέλεσμα της συνεισφοράς διαφόρων συστατικών της ατμόσφαιρας. Πιο συγκεκριμένα, μπορούμε να παρατηρήσουμε την συνεισφορά από τα θερμοκηπικά αέρια [CO2, CH4, H2O, halocarbons], το στρατοσφαιρικό και τροποσφαιρικό όζον, τα διάφορα αιωρούμενα σωματίδια, τα καυσαέρια από τα αεροπλάνα, τα λεπτά νέφη cirrus καθώς επίσης και τις επιπτώσεις στην αλλαγή της ανακλαστικότητας από αλλαγές στις χρήσεις της Γης. Τέλος, μπορούμε να δούμε την συνεισφορά στο ενεργειακό ισοζύγιο των μεταβολών της ηλιακής δραστηριότητας που δεν οφείλονται στην επέμβαση του ανθρώπου. Στα δεξιά του ίδιου Σχήματος με κλίμακα από υψηλό 5

[high] μέχρι χαμηλό [low], παρουσιάζεται οι επιστημονικές διαδικασίες με τις οποίες τα διάφορα ατμοσφαιρικά συστατικά επιδρούν στο ενεργειακό ισοζύγιο. Σχήμα 1: Μέση επιδραση στο ισοζύγιο της ακτινοβολίας του κλιματικού συστήματος το 2005, σε σχέση με αυτό του 1750 [IPCC, 2007]. Στο ισοζύγιο της ακτινοβολίας τουσυστήματος Γη Ατμόσφαιρα, με την σκέδαση και απορρόφηση της ηλιακής και γήινης ακτινοβολίας άμεση είναι η επίδραση των αιωρουμένων σωματιδίων και έτσι επηρεάζουν το κλίμα της Γης.[Atwater, 1970, Mitchell, 1971,Coakleyetal., 1983]. Tα αιωρούμενα σωματίδια σκεδάζουν την ηλιακή ακτινοβολία προς τα πίσω στο διάστημα και έτσι έχουν τη δυνατότητα να ψύχουν την ατμόσφαιρα. Στον αντίποδα, μπορούν να απορροφήσουν την ηλιακή ενέργεια με τελικό αποτέλεσμα την θέρμανση της ατμόσφαιρας. Επιπρόσθετα τα σωματίδια μπορούν να μεταβάλουν τις ιδιότητες ενός νέφους με έμμεση επίδραση στο κλίμα [Liou and Ou, 1989, Albrecht, 1989]. Η παρουσία υδρατμών στην ατμόσφαιρα μαζί με τα αιωρούμενα σωματίδια είναι 6

δυνατόν να δημιουργήσουν πυρήνες συμπύκνωσης, το οποίο αποτελεί άλλον έναν τρόπο διαδικασίας σχηματισμού των νεφών. Αν αλλάξει ο αριθμός και το μέγεθος των σωματιδίων, βασικά χαρακτηριστικά τους δηλαδή, είναι δυνατόν να επέλθει αλλαγή και στα χαρακτηριστικά των νεφοσταγονιδίων που θα προκύψουν. Μια από τις σημαντικότερες παρενέργειες των αιωρούμενων σωματιδίων μπορεί να εξαναγκάσει τα νέφη να παραμένουν περισσότερο χρόνο στην ατμόσφαιρα με άμεσο αποτέλεσμα την επιβράδυνση ή και μεγάλη καθυστέρηση του μηχανισμού βροχής. [Rosennfeld, 2000, Koren et al., 2004]. Έχουν παρατηρηθεί όμως και ανάστροφες ακολουθίες. Κάτω από συγκεκριμένες προϋποθέσεις τα αιωρούμενα σωματίδια μπορεί να έχουν ως αποτέλεσμα την γρηγορότερη διάλυση των νεφών ενώ άλλες κατηγορίες αιωρούμενων σωματιδίων μπορούν να αποτρέψουν τη δημιουργία νεφών από την αρχή [Feingold et al., 1999, Rudich et al, 2002]. Μέχρι σήμερα, η διαδικασία αλληλεπίδρασης των αιωρούμενων σωματιδίων με τα νέφη δεν είναι ακόμα πλήρως κατανοητή από επιστημονική άποψη. Αυτός ακριβώς είναι ο λόγος που δεν μπορούμε να εκτιμήσουμε τον τρόπο με τον οποίο αυτές οι διαδικασίες είναι σε θέση να επηρεάσουν σημαντικά όχι μόνο τον καιρό και το κλίμα αλλά και την ποιότητα του αέρα [IPCC, 2007]. Ένα ακόμη αίτιο που επιδρά στον ισοζύγιο της ακτινοβολίας είναι η πολύπλοκη αλληλεπίδραση μεταξύ των νεφών και των σωματιδίων. Γι αυτό θεωρούμε σημαντικό να γνωρίζουμε που βρίσκεται ένα στρώμα αιωρούμενων σωματιδίων δηλαδή η θέση του κάτω από, ή μέσα σε ένα νέφος [Ansmann et 2005]. Κάθε αλλαγή στη σύνθεση και την συγκέντρωση των αιωρούμενων σωματιδίων επιφέρουν αλλαγές στον αριθμό και το μέγεθος των υδροσταγονιδίων. Αυτός είναι ένας αποφασιστικός παράγοντας που διαμορφώνει το χρόνο ζωής καθώς και την ανακλαστικότητα των νεφών. Έχουν γίνει σημαντικές μελέτες πάνω στην διαδικασία αλληλεπίδρασης μεταξύ νεφών και σωματιδίων από δορυφορικά δεδομένα. Τα δεδομένα που έχουν συλλεχτεί από δορυφόρους, μας οδηγούν στο συμπέρασμα ότιυπάρχουν σωματίδια που μπορούν να μειώνουν τον σχηματισμό νεφών και άρα την βροχόπτωση[rosenfeld 2000; Koren et al., 2004]. Υπάρχουν όμως και άλλα σωματίδια που ενισχύουν τηνβροχόπτωση [Feingoldetal. 1999; Rudichetal., 2002]. 7

Άλλες επιπτώσεις των σωματιδίων εντοπίζονται και στην κοινωνία καθώς πολλές φορές απειλούν την δημόσια υγεία και εμπεριέχουν κινδύνους για τις αερομεταφορές. Συγκεκριμένα, για μέρες με υψηλές θερμοκρασίες και υψηλό ποσοστό σχετικής υγρασία, η ποιότητα του αέρα πάνω από αστικές περιοχές μεταβάλλεται αρνητικά και μπορεί να φτάσει σε επιβλαβή επίπεδα για την υγεία, το οποία κάποιες φορές ξεπερνούν τα όρια επιφυλακής. Κύρια αιτία αυτής της κατάστασης είναι η παρουσία των αιωρούμενων σωματιδίων. Τα μικρά σωματίδια με διάμετρο μικρότερη από 2.5 μm έχουν την ικανότητα να διεισδύουν στους πνεύμονες προκαλώντας ή και επιδεινώνοντας αναπνευστικά προβλήματα. Επίσης, μπορούν να θέσουν σε κίνδυνο την ασφάλεια των αεροπορικών πτήσεων, καθώς υπάρχει η πιθανότητα να μειώσουν την ορατότητα πάνω από περιοχές με αυξημένα επίπεδα ρύπανσης. Καταλήγουμε στο συμπέρασμα πως για να καλυτερεύσουμε τις προβλέψεις σχετικά με την κλιματικές αλλαγές, για να βελτιώσουμε τις προγνώσεις των επικίνδυνων συνθηκών για την ποιότητα του αέρα και για να καταστρώσουμε στρατηγικές περιορισμού της ατμοσφαιρικής ρύπανσης, υπάρχει η αναγκαιότητα μετρήσεων της κατανομής των αιωρούμενων σωματιδίων σε παγκόσμια κλίμακα καθώς και της χρονικής μεταβλητότητας τους. Επομένως, αυτή η τετραπλή προσέγγιση της γνώσης της υπόστασης και των ιδιοτήτων των αιωρούμενων σωματιδίων είναι ιδιαίτερα σημαντική για την αναγκαία παραμετροποίησή τους στα ατμοσφαιρικά μοντέλα. Τέτοια μοντέλα εφαρμόζονται για την προσομοίωση της τοπικής και παγκόσμιας μεταφοράς των αιωρούμενων σωματιδίων, πως μπορούν να επιδράσουν στις καιρικές συνθήκες μικρής κλίμακας, όπως επίσης και στο ενεργειακό ισοζύγιο της Γης. Ωστόσο ένα σύστημα μετρήσεων με τέσσερις διαστάσεις δεν διατίθεται αυτή την στιγμή, κάτι που έχει ως επακόλουθο μια μεγάλη και αβέβαιη προσέγγιση στην εκτίμηση της επίδρασης των αιωρούμενων σωματιδίων στο μελλοντικό κλίμα με αποτέλεσμα να είναι δύσκοληη συμμετοχή τους σε προσομοιώσεις κλιματικών μοντέλων και σε προβλέψεις κλιματικών αλλαγών. 1.2 Η ΑΝΑΓΚΑΙΟΤΗΤΑ ΧΡΗΣΗΣ ΜΕΘΟΔΩΝ ΤΗΛΕΠΙΣΚΟΠΗΣΗΣ LASER 8

Οι επιτόπιες (in-situ) μετρήσεις των αιωρούμενων σωματιδίων πραγματοποιούνται στην επιφάνεια του εδάφους, και αυτές μπορεί να αφορούν την κατανομή των μεγεθών τους, τη χημική τους σύσταση, τις σκεδαστικές και απορροφητικές ιδιότητες. Αυτές οι μετρήσεις δίνουν πληροφορίες σχετικά με τις οπτικές, χημικές και μικροφυσικές ιδιότητες των αιωρούμενων σωματιδίων. Οι διατάξεις όμως πάνω στις οποίες διεξάγονται αφορούν μόνο μία περιγραφή των συνθηκών των αιωρούμενων σωματιδίων σε τοπικό επίπεδο. Ακολούθως επειδή η πιθανότητα αυτές οι μετρήσεις να επηρεάζονται από τις τοπικές πηγές είναι πολύ μεγάλη, δεν μπορούν να συμπεριληφθούν υπόψη για να γίνει χαρακτηρισμός της ατμοσφαιρικών συνθηκών μακριά από το σημείο της μέτρησης. Επιτόπιες μετρήσεις μπορούν να πραγματοποιηθούν και από ένα αεροπλάνο δίνοντας πληροφορία για την κατακόρυφη διάσταση [Masoniset al., 2002]. Δυστυχώς όμως αυτού του είδους οι μετρήσεις γίνονται συνήθως μόνο κατά την διάρκεια μετρήσεων πεδίου και άρα, δεν γίνεται να υπάρξει ατέρμονη καταγραφή των ατμοσφαιρικών συνθηκών. Τα περασμένα χρόνια, περίπου στα μέσα της προηγούμενης δεκαετίας, τα ηλιακά φωτόμετρα χρησιμοποιήθηκαν κατά κόρον για την πιο συστηματική μέθοδο καταγραφής των ατμοσφαιρικών συνθηκών. Το δίκτυο AERONET [Aerosol RObotic NΕΤwork] παρέχει τις οπτικές και μικροφυσικές ιδιότητες των αιωρούμενων σωματιδίων [Dubovik et al, 2002a, Holben et al., 2001] κάτω από διαφορετικές ατμοσφαιρικές συνθήκες. Οι παραγόμενες ποσότητες αναφέρονται στην ολική ατμοσφαιρική στήλη και αυτό σημαίνει ότι δεν υπάρχει διαχωρισμός των ιδιοτήτων των αιωρούμενων σωματιδίων του οριακού ατμοσφαιρικού στρώματος που συνήθως επηρεάζονται από τις τοπικές πηγές και των σωματιδίων της ελεύθερης τροπόσφαιρας, που συχνά είναι αποτέλεσμα μεταφοράς σωματιδίων από μεγάλες αποστάσεις. Το ίδιο ισχύει και για τους παθητικούς αισθητήρες δορυφορικών οργάνων όπως ενδεικτικά αναφέρουμε τους: MODIS [http://modis.gsfc.nasa.gov/], MIS[http://www-misr.jpl.nasa.gov/], TOMS [htpp://toms.gsfc.nasa.gov/], POLDER[http://smsc.cnes.fr/POLDER/] κ.α., που χρησιμοποιούνται για την συνεχή καταγραφή των αιωρούμενων σωματιδίων σε παγκόσμια κλίμακα. Παρά την μεγάλη σημασία των σωματιδίων της ελεύθερης τροπόσφαιρας στοκλίμα και 9

στην ποιότητα της ατμόσφαιρας [Collins et al., 2000, Creilson et al.,2003, Jacobetal., 1999, Mckendryetal., 2001, Pratheretal., 2003] η κατακόρυφη κατανομή των οπτικών και μικροφυσικών ιδιοτήτων είναι στην αρχή της επιστημονικής έρευνας και πολλά ερωτήματα σχετικά με τις ιδιότητές τους αλλά και με την κατακόρυφη κατανομή τους είναι ακόμα αναπάντητα. Η πληροφορία της κατακόρυφης κατανομής των σωματιδίων είναι σημαντική για τον υπολογισμό της επίδρασης των αιωρούμενων σωματιδίων στο ισοζύγιο της ακτινοβολίας, αφού αυτή η επίδραση εξαρτάται από την ανακλαστικότητα της ατμόσφαιρας και έτσι έχει μεγάλη σημασία εάν ένα στρώμα αιωρούμενων σωματιδίων βρίσκεται πάνω ή κάτω από το ατμοσφαιρικό οριακό στρώμα[haywood and Shine, 1997]. 1.3 ΕΠΙΓΕΙΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ LIDAR Τα επίγεια συστήματα lidar μπορούν να προσφέρουν τις απαιτούμενες επιστημονικές πληροφορίες για την κατακόρυφη κατανομή των αιωρούμενων σωματιδίων στην ατμόσφαιρα. Τα συστήματα ελαστικής οπισθοσκέδασης lidar είναι κατασκευασμένα έτσι ώστε να δίνουν ποσοτική πληροφορία για την ύπαρξη ατμοσφαιρικών στρωμάτων με την χρήση κάποιων βασικών υποθέσεων για τις ατμοσφαιρικές παραμέτρους [Bissonete 1986; Fernald 1984;Klett 1981]. Μπορεί λοιπόν να υποστηριχθεί ότι, τα συστήματα lidar που βασίζονται στην ανελαστική σκέδαση από μόρια της ατμόσφαιρας, έχουν αποδειχτεί πολύ χρήσιμαγια την ποσοτική και ποιοτική μελέτη της κατακόρυφης κατανομής των αιωρούμενων σωματιδίων. Ωστόσο, ο ανεξάρτητος προσδιορισμός της κατακόρυφης κατανομής του συντελεστή εξασθένησης και οπισθοσκέδασης ταυτόχρονα είναι το σημαντικότερο πλεονεκτήματα ενός συστήματος ανελαστικής σκέδασης lidar. Ο λόγος του συντελεστή εξασθένησης προς τον συντελεστή οπισθοσκέδασης ( lidar ratio), καθίσταται μια εξαιρετικά χρήσιμη παράμετρος που εξαρτάται από το μέγεθος, το σχήμα και τη χημική σύσταση των αιωρούμενων σωματιδίων [Ansmannetal., 2002, Mülleretal, 2007]. Έτσι, οι μετρήσεις των οπτικών ιδιοτήτων των αιωρούμενων σωματιδίων με την μεγάλη χωρική και χρονική ανάλυση μπορούν να δώσουν λεπτομερείς πληροφορίες για την παρουσία, την έκταση και την ανάπτυξη των κατακόρυφων δομών των στρωματώσεων στην ατμόσφαιρα. 10

Τα τελευταία χρόνια δίκτυα συστημάτων lidar εγκαταστάθηκαν για την έρευνα και τον προσδιορισμό της οριζόντιας και κατακόρυφης κατανομής φυσικών και ανθρωπογενών πηγών ρύπανσης. Ένα τέτοιο δίκτυο είναι και το Ευρωπαϊκό δίκτυο lidar για τηνέρευνα των αιωρούμενων σωματιδίων, European Aerosol Research LidarNetwork [= EARLINET], μέλος του οποίου αποτελεί και το σύστημα lidar τουεργαστηρίου Φυσικής της Ατμόσφαιρας (ΕΦΑ). Αποτελείται από 20επίγειους σταθμούς lidar ανά την Ευρώπη, που πραγματοποιούν συστηματικές μετρήσεις της κατακόρυφης κατανομής των αιωρούμενων σωματιδίων Επιπρόσθετα τα συστήματα lidar έχουν χρησιμοποιηθεί και σε μεγάλες επιστημονικέςενέργειες για την μελέτη της επίδρασης των αιωρούμενων σωματιδίων στοκλίμα της Γης όπως για παράδειγμα το Tropospheric Aerosol Radiative Forcing Observational Experiment (TARFOX). Εδώ πρέπει να σημειωθεί ότι η πληροφορία που μας δίνουν οι επίγειες μετρήσεις έχει έναν περιορισμό καθώς δεν μπορεί να προσδιορίσει την κατανομή των σωματιδίων με το ύψος η οποία είναι βασική προϋπόθεση μελέτης της μεταφοράς των αιωρούμενων σωματιδίων. Την παραπάνω ελλιπή πληροφορία έρχονται να καλύψουν οι τεχνικές τηλεπισκόπησης. 1.4 ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ LIDAR Κατά περιόδους έχουν εκτοξευτεί είτε σκοπεύουν να εκτοξευτούν δορυφορικά lidars ώστε να γίνει χαρτογράφηση της κατανομής των αιωρούμενων σωματιδίων και των νεφών με παγκόσμια κάλυψη καθώς και χαρακτηρισμός της μεγάλης κλίμακας μεταφοράς των αιωρούμενων σωματιδίων. Η εκτόξευση αυτή έχει διενεργηθεί από την Αμερικάνικη Αεροναυτική και διαστημική διεύθυνση, US National Aeronautics&Space Administration(NASA) καθώς και την Ευρωπαϊκή Υπηρεσία Διαστήματος, European Space Agency (ESA). Ο δορυφόρος (CALIPSO) συνεισφέρει στην παγκόσμια παρατήρηση της Γης παρέχοντας παγκόσμιας κλίμακας δεδομένα των οπτικών ιδιοτήτων των αιωρούμενων σωματιδίων στην ελεύθερη τροπόσφαιρα. Τέτοια συστήματα είναι απαραίτητα για τις επιστημονικές πληροφορίες και την κατανόηση της 11

κατακόρυφης και οριζόντιας κατανομής των αιωρούμενων σωματιδίων και των νεφών, δεδομένα τα οποία με κανέναν τρόπο δεν μπορούν να συλλεχτούν με επίγεια συστήματα lidar.από την άλλη πλευρά, τα δορυφορικά συστήματα lidar αδυνατούν να προσφέρουν την σημαντική ποιοτική πληροφορία των οπτικών ιδιοτήτων τωναιωρούμενων σωματιδίων με σκοπό την περαιτέρω ανάκτηση μικροφυσικώνιδιοτήτων που μπορούν να δώσουν καλά βαθμονομημένα επίγεια συστήματαlidar. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 2.1 ΤΗΛΕΠΙΣΚΟΠΗΣΗ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ ΜΕ ΤΗΝ ΤΕΧΝΙΚΗ LIDAR Η τηλεπισκόπηση των ατμοσφαιρικών παραμέτρων με τη χρήση πηγών laser πραγματοποιήθηκε για πρώτη φορά το 1962 από τους Fiocco και Smullin[1963] και αφορούσε στην ανίχνευση του στρώματος των αιωρούμενων σωματιδίων της ατμόσφαιρας σε ύψος 20 km. Έκτοτε η ραγδαία ανάπτυξη στην τεχνολογία κατασκευής πηγών laser, επέτρεψε το σχεδιασμό και την υλοποίηση εξελιγμένων διατάξεων, οι οποίες βασίζονται στην μελέτη και καταγραφή της αλληλεπίδρασης του φωτός, που εκπέμπει μια πηγή laser με τα διάφορα συστατικά της ατμόσφαιρας, σαν συνάρτηση της απόστασης. Το lidar είναι ακρωνύμιο του όρου «light detection and ranging» και πρόκειται για μια διάταξη με το οποία μετράμε το αποτέλεσμα της διαμόρφωσης της ακτινοβολίας από τα συστατικά της ατμόσφαιρας. Η τεχνική lidar βασίζεται στην εκπομπή ενός παλμού μονοχρωματικής ακτινοβολίας laser, στην μέτρηση της επανασκεδαζόμενης ακτινοβολίας από τα μόρια και τα σωματίδια της ατμόσφαιρας και στην καταγραφή του χρόνου που μεσολαβεί ανάμεσα στην εκπομπή και στη λήψη, η οποία αντιστοιχεί στην απόσταση των σκεδαστών από την πηγή laser. Στην συνέχεια θα περιγράψουμε εν συντομία τα βασικότερα οπτικά φαινόμενα αλληλεπίδρασης του φωτός με συστατικά της ατμόσφαιρας. Θα περιγράψουμε τις οπτικές ιδιότητες που μπορούν να μετρηθούν με ένα σύστημα lidar καθώς επίσης και τις μικροφυσικές ιδιότητες που μπορούμε να ανακτήσουμε από τα μετρούμενα οπτικά δεδομένα. 12

Ακολούθως, θα αναπτύξουμε την δομή του επίγειου συστήματος lidar του ΕΦΑ, που χρησιμοποιήθηκε στην παρούσα μελέτη, θα περιγράψουμε τα δορυφορικό συστήματα Calipsoκαθώς και τη διαδικασία κλιματολογικών μετρήσεων (Climatol) θα παρουσιάσουμε την θεωρητική και πειραματική μελέτη για τον προσδιορισμό της συνάρτησης επικάλυψης με την τεχνική του πειράματος Telecover. 2.2 ΑΡΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ & ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΗΣ ΔΙΑΤΑΞΗΣ ΤΟΥ LIDAR Η βασική δομή ενός συστήματος lidar μπορεί να συνοψιστεί από τηνσχηματική περιγραφή του Σχήματος 1-1: Δέσμη laser Ακτινοβολία που επιστρέφει από τον στόχο Οπτικό σύστημα εξόδου της δέσμης laser Έλεγχος εξόδου του laser A Φασματικός αναλυτής Ανιχνευτές ακτινοβολίας Επεξεργαστής δεδομένων laser Οπτικό σύστημα υποδοχής ακτινοβολίας Απεικονιστής A Αναφορά από την έξοδο του laser Σχήμα 2.1: Τυπική διάταξη συστήματος lidar Ένα σύστημα lidar αποτελείται από (1) μια ισχυρή παλμική πηγή laser, (2) ένα οπτικό σύστημα ανίχνευσης της οπισθοσκεδαζόμενης ακτινοβολίας 13

(τηλεσκόπιο) και μετατροπής της σε ηλεκτρικό σήμα και (3) ένα σύστημα καταγραφής, που καταγράφει και ψηφιοποιεί το ηλεκτρικό σήμα σαν συνάρτηση του χρόνου (ή, ισοδύναμα, σαν συνάρτηση της απόστασης από το σημείο εκπομπής των παλμών laser). Τα τελευταία χρόνια έχουν αναπτυχθεί διάφορες τεχνικές lidar για την τηλεπισκόπιση ατμοσφαιρικών παραμέτρων, οι οποίες βασίζονται σε διαφορετικές αλληλεπιδράσεις της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας και των διάφορων συστατικών της υπό μελέτη ατμόσφαιρας. Έτσι υπάρχουν διατάξεις lidar που βασίζονται στη σκέδαση της ακτινοβολίας laser από τα ατμοσφαιρικά μόρια(σκέδαση Rayleigh), στη σκέδαση από τα αερολύματα (σκέδαση Mie), στη σκέδαση Raman, στη σκέδαση συντονισμού, στο φθορισμό, στην απορρόφηση, καθώς και στη διαφορική σκέδαση /απορρόφηση από τα μόρια και τα αιωρούμενα σωματίδια της ατμόσφαιρας. Τεχνική Σκέδαση Rayleigh Σκέδαση Mie Σκέδαση Raman Σκέδαση συντονισμού Φθορισμός Απορρόφηση Διαφορική σκέδαση και Φυσική Περιγραφή Η ακτινοβολία laser σκεδάζεται ελαστικά από άτομα ή μόρια, χωρίς αλλαγή στο μήκος κύματος της σκεδαζόμενης ακτινοβολίας. Η ακτινοβολία laser σκεδάζεται ελαστικά από μικρά σωματίδια ή αιωρήματα (συγκρίσιμου μεγέθους με το μήκος κύματος της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας), χωρίς αλλαγή στο μήκος κύματος της σκεδαζόμενης ακτινοβολίας. Η ακτινοβολία laser σκεδάζεται ανελαστικά από τα μόρια με μετατόπιση στο μήκος κύματος της σκεδαζόμενης ακτινοβολίας, χαρακτηριστική του μορίου (hν-hν* = Ε). Η συχνότητα της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας laser συμπίπτει με τη συχνότητα συγκεκριμένης ενεργειακής μετάπτωσης του ατόμου, διεγείρεται, και κατόπιν σκεδάζει αποδιεγειρόμενο, χωρίς μετατόπιση στο μήκος κύματος. Η συχνότητα της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας laser συμπίπτει με τη συχνότητα συγκεκριμένης ενεργειακής μετάπτωσης του ατόμου, απορροφάται μερικώς και κατόπιν επανεκπέμπεται σε μεγαλύτερο μήκος κύματος. Η δέσμη της ακτινοβολίας laser εξασθενεί, λόγω σύμπτωσης του μήκους κύματος με ζώνη απορρόφησης του εν λόγω μορίου. Η διαφορική εξασθένιση δύο ακτινών laser, όπως 14

απορρόφηση προκύπτει από τα οπισθοσκεδαζόμενα σήματα, όταν η συχνότητα της μίας ακτίνας συμπίπτει με τη συχνότητα γνωστής μοριακής μετάπτωσης, ενώ η συχνότητα της άλλης είναι ακριβώς μετά ή πριν από αυτή τη χαρακτηριστική συχνότητα.. Πίνακας 2.1: Οπτικές αλληλεπιδράσεις σχετικές με τηλεπισκόπισης laser μεθόδους Υπάρχουν πολλοί τρόποι που μπορεί να κατηγοριοποιήσει κανείς τα συστήματα lidar: από το φυσικό φαινόμενο που λαμβάνει χώρα, από τον σκοπό για τον οποίο κατασκευάστηκαν, από το μήκος κύματος που χρησιμοποιούν (υπέρυθρο, ορατό ή υπεριώδες), από την τεχνολογία (συνεχές ή παλμικό laser), Στην μελέτη αυτή παρουσιάζουμε την κατηγοριοποίηση των συστημάτων lidar ανάλογα με το φυσικό μηχανισμό που χρησιμοποιείται για να πραγματοποιηθεί μια μέτρηση [Weitcamp 2005]. Στο Σχήμα 3 γίνεται μια σύνοψη των φυσικών διαδικασιών σε σχέση με τους αντίστοιχους τύπους lidar και τις αντίστοιχες ατμοσφαιρικές ποσότητες που προσδιορίζονται. Όπως αναδεικνύεται στο Σχήμα 3 το είδος των μετρήσεων είναι ευρύτατο και μπορεί να αφορά μετρήσεις της συγκέντρωσης διαφόρων συστατικών της ατμόσφαιρας, όπως είναι οι ατμοσφαιρικοί ρύποι [Ο3, NOx, SO2, CO, CO2, Hg, VOCs, HCs, κ.λ.π.] και τα αιωρούμενα σωματίδια. Είναι, επίσης, δυνατή η μέτρηση κατακόρυφων κατανομών διάφορων ατμοσφαιρικών παραμέτρων όπως η ατμοσφαιρική πυκνότητα, η θερμοκρασία, ο άνεμος, η συγκέντρωση των υδρατμών και η σχετική υγρασία. 15

Σχήμα 2.2:Κατηγοριοποίηση των τύπων lidar ανάλογα με την φυσική διαδικασία στα οποία βασίζονται και τα αντίστοιχα αντικείμενα μελέτης [Weitcamp, 2005] Παρακάτω περιγράφουμε συνοπτικά το lidarοπισθοσκέδασης και το lidarraman[measures, 1984]. 2.3LIDAR ΟΠΙΣΘΟΣΚΕΔΑΣΗΣ Αποτελείται από δύο μέρη, έναν πομπό και έναν δέκτη ακτινοβολίας. Η πηγή ακτινοβολίας ενός συστήματος lidar οπισθοσκέδασης είναι ένα laser παλμικής συνήθως λειτουργίας. Η ενέργεια ανά παλμό πρέπει να είναι αρκετή για να αντισταθμίσει τυχόν απώλειες λόγω απορρόφησης ή διασποράς της ακτινοβολίας και να εξασφαλίσει ότι το σήμα που επιστρέφει είναι αρκετά ισχυρό για να ανιχνευθεί. Τυπικές τιμές της εκπεμπόμενης ενέργειας είναι τα 0.1 1 Joule/παλμό. Τo μήκος κύματος της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας εξαρτάται από το είδος των ατμοσφαιρικών συστατικών που θέλουμε να ανιχνεύσουμε και 16

κυμαίνεται από το υπεριώδες ( 0.26 m ) έωςτο μέσο υπέρυθρο (12 m ). Ορισμένα συστήματα lidar απαιτούν όχι σταθερό, αλλά μεταβλητό μήκος κύματος, για την πραγματοποίηση μετρήσεων σε διαφορετικά μήκη κύματος για μεγιστοποίηση της αξιοπιστίας της λαμβανόμενης μέτρησης. Ένα σημαντικό σημείο είναι το φασματικό εύρος της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας laser που πρέπει να είναι όσο το δυνατόν μικρότερο. Αυτό ε- ξασφαλίζει ακτινοβολία υψηλής μονοχρωματικότητας και κατά συνέπεια μεγάλη ακρίβεια και ευαισθησία στις λαμβανόμενες μετρήσεις. Ακολούθως, η εκπεμπόμενη δέσμη laser κατευθύνεται μέσω ενός οπτικού συστήματος κατόπτρων στον υπό εξέταση ατμοσφαιρικό στόχο. Συνήθως, ένα μικρό μέρος της δέσμης laser χρησιμοποιείται πριν εγκαταλείψει το σύστημα για την συνεχή καταγραφή της ενέργειας του εκπεμπόμενου παλμού, του μήκους κύματος, καθώς και για να σηματοδοτήσει την χρονική έναρξη του καταγραφικού συστήματος των σημάτων lidar (trigger). Το σύστημα λήψης συλλέγει την ακτινοβολία laser που οπισθοσκεδάζεται από τον ατμοσφαιρικό στόχο μέσω ενός οπτικού συστήματος (συνήθως ένα οπτικό τηλεσκόπιο). Η ακτινοβολία αυτή οδηγείται ακολούθως σε ένα φασματικό αναλυτή ο οποίος αναλύει το σήμα στα διάφορα μήκη κύματος από τα οποία αποτελείται, με τελικό σκοπό να επιλεγεί εκείνο το μήκος κύματος που περιέχει πληροφορίες και να αποκοπεί οποιαδήποτε άλλη ανεπιθύμητη ακτινοβολία (πχ. ακτινοβολία ατμοσφαιρικού υποβάθρου). Το επιλεγμένο οπτικό σήμα, στη συνέχεια, οδηγείται με ένα σύστημα φακών σε ένα φωτοανιχνευτή για να μετατραπεί σε ηλεκτρικό σήμα και να ακολουθήσει η κατάλληλη επεξεργασία του για την εξαγωγή των πληροφοριών που αυτό εμπεριέχει. 2.4LIDAR RAMAN Η δομή και ο τρόπος λειτουργίας του συστήματος αυτού δεν έχει ουσιαστικές διαφορές με το βασικό σύστημα που παρουσιάσθηκε στην προηγούμενη παράγραφο.η ακτινοβολία που επιστρέφει προκύπτει μέσω της σκέδασης Raman από τα μόρια του στόχου (πχ. ατμοσφαιρικό άζωτο, υδρατμοί, κλπ.). Στην περίπτωση της σκέδασης Raman η ανιχνευόμενη ακτινοβολία είναι διαφορετική από την εκπεμπόμενη ακτινοβολία του laser ως προς το μήκος κύματος 17

(ανελαστική σκέδαση). Η φασματική αυτή μετατόπιση χαρακτηρίζει το είδος των αλληλεπιδρούντων μορίων και η ένταση της οπισθοσκεδαζόμενης ακτινοβολίας τη συγκέντρωση τους. Η μέθοδος αυτή απαιτεί συστήματα laser μεγαλύτερης ισχύος σε σύγκριση με το lidar φθορισμού, γιατί το οπτικό σήμα που επιστρέφει είναι εξαιρετικά ασθενές, λόγω της μικρής ενεργούς διατομής της σκέδασης Raman. 2.5ΤΕΧΝΙΚΗ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ LIDAR ΤΟΥ ΕΦΑ Η διάταξη lidarτου Εργαστηρίου της Φυσικής της Ατμόσφαιρας (ΕΦΑ) σχεδιάστηκε, αναπτύχθηκε και εγκαταστάθηκε από τον Δρ. Α. Παπαγιάννη το 1993 (Papayannisetal., 1994; Papayannis, 1995). Αποτελεί την πρώτη διάταξη lidarστην Ελλάδα και τέθηκε για πρώτη φορά σε λειτουργία το 1994. Η διάταξη είναι εγκατεστημένη στο δώμα του κτιρίου της Σχολής Θετικών Επιστημών του 0 0 Α.Π.Θ, στη Θεσσαλονίκη ( 40.5 N, 22.9 E, υψόμετρο 50m) και σχεδιάστηκε για τη μελέτη των διαφόρων στρωμάτων της κατώτερης και της μέσης τροπόσφαιρας χρησιμοποιώντας τις ιδιότητες της ελαστικής σκέδασης από τα μόρια και τα αιωρούμενα σωματίδια της ατμόσφαιρας. Στα πλαίσια της παρούσας διπλωματικής, η διάταξη αναβαθμίστηκε σε ένα σύστημα lidar οπισθοσκέδασης-raman, με διπλή δέσμη εκπομπής (355 και 532nm) και δυνατότητα ταυτόχρονης ανίχνευσης των δύο ελαστικά οπισθοσκεδαζόμενων ακτινοβολιών (στα 355 και 532nm), καθώς και της ακτινοβολίας των 387nm η οποία προέρχεται από την οπισθοσκέδαση Raman της ακτινοβολίας laser των 355nmαπό το ατμοσφαιρικό άζωτο ( N 2 ). Στο Σχήμα 2-2 απεικονίζονται τα κύρια μέρη του lidar του ΕΦΑ. 18

1. Πηγή laser Nd:Yag 2. Κρύσταλλος παραγωγής 2ης και 3ης αρμονικής συχνότητας laser 3. Αναφορά από την έξοδο του laser 4. HR 355nm, HT 532+1064nm 5. HR 532nm, HT 1064nm 6. Οπτική παγίδα 7. HR 532nm 8. HR 355nm 9. HR 355nm, HT 532+1064nm 10. HR 532nm 11. HR 355nm, HT 532+1064nm 12. HR 532nm 13. Εκπεμπόμενη ακτινοβολία laser, 355-532nm 14. Ακτινοβολία που επιστρέφει από τον στόχο 15. Παραβολικό κάτοπτρο 3 16. Επίπεδο κάτοπτρο 17. Διάφραγμα 18. Φακός Εστίασης 19. HT 532nm, HR 355, 387nm 20. HT 387nm, HR 355nm 21. Φίλτρο συμβολής και χρωματικά φίλτρα για τα 387nm 22. Φίλτρο συμβολής και χρωματικά φίλτρα για τα 355nm 23. Φίλτρο συμβολής και χρωματικά φίλτρα για τα 532nm 1 24. Φωτοπολλαπλασιαστής 25. Καταγραφικός αναλυτής 26. Κάρτα επικοινωνίας 27. Η/Υ για απεικόνιση και αποθήκευση δεδομένων 6 5 4 2 9 10 13 14 7 8 16 11 12 15 17 18 21 20 19 387nm 22 24 23 355nm 532nm 27 26 25 3 Σχήμα 2.3:Η αναβαθμισμένη διάταξη lidar του ΕΦΑ Η διάταξη αποτελείται από τα παρακάτω βασικά μέρη: Πηγή ακτινοβολίας laser. Οπτική διάταξη εκπομπής της ακτινοβολίας laser Διάταξη ανίχνευσης της ακτινοβολίας laser. Σύστημα καταγραφής και αποθήκευσης των δεδομένων lidar. Σε αυτό το σημείο να σημειωθεί ότι οι οχτώ καθρέφτες έχουν αντικατασταθεί μόνο από δύο οι οποίοι ευθυγραμμίζουν και κατευθύνουν την εξερχόμενη δέσμη. Στο παρακάτω σχήμα παρουσιάζεται η διάταξη Lidarτου ΕΦΑ, κατά την διάρκεια της πειραματικής διαδικασίας Telecover που περιγράφεται παρακάτω. 19

Εικόνα 2.4:Η αναβαθμισμένη διάταξη lidar του ΕΦΑ κατά την λειτουργία της ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 3.1Η ΔΙΑΦΟΡΙΚΗ ΕΞΙΣΩΣΗ LIDAR Στις εφαρμογές lidar, ένας μονοχρωματικός παλμός φωτός έντασης F(λ) εκπέμπεται από μια πηγή laser στην ατμόσφαιρα. Το εκπεμπόμενο φως εξασθενεί κατά την διάδοσή του, καθώς ένα μέρος του αλληλεπιδρά σε κάθε ύψος με τα μόρια και τα αιωρούμενα σωματίδια της ατμόσφαιρας και είτε αυτό απορροφάται, είτε σκεδάζεται. Το σκεδαζόμενο φως επανεκπέμπεται από τον στόχο προς όλες τις κατευθύνσεις σύμφωνα με μια κατανομή πιθανότητας σκέδασης. Ένα μικρό μέρος του σκεδαζόμενου φωτός, η λεγόμενη οπισθοσκεδαζόμενη ακτινοβολία, 20

δηλαδή η ακτινοβολία που σκεδάζεται σε γωνία 180 0 σε σχέση με την προσπίπτουσα, φτάνει στο σύστημα ανίχνευσης του lidar. Το τηλεσκόπιο συλλέγει την οπισθοσκεδαζόμενη ακτινοβολία και την εστιάζει στον φωτοανιχνευτή, ο οποίος μετατρέπει το φως που δέχεται σε ηλεκτρικό σήμα. Η αναλογική έξοδος του σήματος από τον φωτοανιχνευτή ψηφιοποιείται από έναν μετατροπέα αναλογικού σε ψηφιακό σήμα και αποθηκεύεται σε έναν Η/Υ. Η σκέδαση του φωτός από τα μόρια και τα αιωρούμενα σωματίδια της ατμόσφαιρας διακρίνεται σε δύο γενικές κατηγορίες, την ελαστική σκέδαση όπου η σκεδαζόμενη ακτινοβολία είναι του ίδιου μήκους κύματος με την προσπίπτουσα, και την ανελαστική σκέδαση, όπου το μήκος κύματος της σκεδαζόμενης είναι διαφορετικό της προσπίπτουσας. Τυπικό παράδειγμα ανελαστικής σκέδασης είναι η σκέδαση Raman, όπου έχουμε μία συγκεκριμένη μετατόπιση του μήκους κύματος. Και για τα δύο είδη σκέδασης, το οπισθοσκεδαζόμενο σήμα σχετίζεται με την μοριακή και σωματιδιακή συγκέντρωση κατά την διεύθυνση διάδοσης της ακτινοβολίας, όπως και με την εξασθένισή της. Για ένα σύστημαlidar, το οπισθοσκεδαζόμενο σήμα που ανιχνεύεται από τον φωτοανιχνευτή είναι το άθροισμα της ελαστικά οπισθοσκεδαζόμενης ακτινοβολίας F elas sin g F,,, της ελαστικά πολλαπλά σκεδαζόμενης ακτινοβολίας elas mult, και του συνόλου των ακτινοβολιών διαφορετικών μηκών κύματος που προέρχονται από την ανελαστική σκέδαση του εκπεμπόμενου παλμού,f inelas. F bsc Felas, sin g Felas, mult Finelas (3.1) Σημειώνουμε ότι κάθε παράγοντας στην σχέση (3.1) αναφέρεται στο φως που σκεδάζεται στις 180 0 ως προς την προσπίπτουσα ακτινοβολία. Σε ένα σύστημαlidar οπισθοσκέδασης, η πληροφορία που ενδιαφέρει στο οπισθοσκεδαζόμενο φως, αφορά τον όρο F elas sin g, της απλής ελαστικής σκέδασης. Σε ένα σύστημαramanlidarμας ενδιαφέρουν κυρίως οι όροι της ανελαστικής σκέδασης. Την περίπτωση αυτή θα την μελετήσουμε αναλυτικότερα παρακάτω. Για σχετικά καθαρές ατμόσφαιρες (πχ. με μικρές συγκεντρώσεις αερολυμάτων), το ποσοστό της ελαστικής σκέδασης είναι πολύ μεγαλύτερο από αυτό της πολλαπλής σκέδασης, και έτσι ο όρος F elas, mult στην εξίσωση (3.1) μπορεί να αγνοηθεί. Η πολλαπλή σκέδαση γίνεται σημαντική μόνο σε εξαιρετικά 21

ρυπασμένες ατμοσφαιρικές συνθήκες. Επίσης, ο όρος F inelas των ανελαστικών σκεδάσεων είναι σημαντικά μικρότερος από τον όρο που αφορά την ελαστική σκέδαση (συνήθως κατά μερικές τάξεις μεγέθους) και μπορεί να αγνοηθεί επίσης. Συνήθως, ο όρος της ανελαστικής σκέδασης αφαιρείται από το σήμα που ανιχνεύεται από τον φωτοανιχνευτή με την βοήθεια οπτικών φίλτρων που προηγούνται αυτού, ώστε να γίνεται τελικά μέτρηση φωτός σε μήκος κύματος ίδιο με το εκπεμπόμενο από το laser. Επιπλέον, υπάρχει και ένας όρος που παρουσιάζεται στις μετρήσεις που πραγματοποιούνται κατά την διάρκεια της ημέρας, και αφορά το υπόβαθρο της ηλιακής ακτινοβολίας, F στον φωτοανιχνευτή, F tot bgr. Τελικά, ο ολική ροή ακτινοβολίας που προσπίπτει, δίνεται από την σχέση: Ftot Fbsc Fbgr (3.2) Για να εκτιμήσουμε τον όρο του ατμοσφαιρικού υποβάθρου, βρίσκουμε στην κατακόρυφη κατανομή του μετρούμενου σήματος lidar μία περιοχή υψών όπου δεν περιμένουμε οπισθοσκέδαση από την εκπεμπόμενη ακτινοβολία, λόγω της ολικής εξασθένισης των παλμών. Θεωρώντας ότι το σήμα που καταμετράται στον ανιχνευτή από τέτοιες περιοχές οφείλεται αποκλειστικά και μόνο στο ατμοσφαιρικό υπόβαθρο ίδιου μήκους κύματος με αυτό της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας από το σύστημα lidar, μπορούμε τελικά να απομονώσουμε τον όρο της ελαστικής σκέδασης που μας ενδιαφέρει, αφαιρώντας το από το ανιχνεύσιμο σήμα. Η διαφορική εξίσωση του lidar που θα αφορά το σήμα που μετρήθηκε λόγω ελαστικής οπισθοσκέδασης της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας, προκύπτει αν αναλύσουμε τις φυσικές διεργασίες που λαμβάνουν μέρος κατά την διάδοση ενός παλμού laser στην ατμόσφαιρα, όπως αυτές απεικονίζονται στο Σχήμα 3-1: 22

Σχήμα 3.1: Διάδοση ενός παλμού laser στην ατμόσφαιρα Η πηγή laser, στο σημείο O, εκπέμπει μονοχρωματικούς παλμούς laser στενού χρονικού-χωρικού εύρους, και έστω ότι η γωνιακή απόκλιση της δέσμης είναι. Το τηλεσκόπιο που βρίσκεται στο σημείο P θεωρούμε ότι έχει οπτικό πεδίο που αντιστοιχεί σε στερεά γωνία. Για να αναλύσουμε τις διάφορες αλληλεπιδράσεις θεωρούμε έναν παλμό φωτός ο οποίος διανύει χωρική απόσταση z 0 (Σχήμα 3-1 (α))σε χρόνο n 0 (Σχήμα 3-1 (β)). Με άλλα λόγια, ο ατμοσφαιρικός όγκος που προκαλεί την ανιχνεύσιμη οπισθοσκέδαση του παλμού από το σύστημα, βρίσκεται μεταξύ των υψών z και z. Έτσι, το laser φωτίζει έναν ατμοσφαιρικό κωνικό όγκο διατομής 2 z, όπου z, η απόσταση του ατμοσφαιρικού όγκου από την πηγή laser. Ο ατμοσφαιρικός όγκος θεωρείται στην πράξη κυλινδρικός και η απόσταση z από την πηγή είναι η μέση απόσταση z 0.5 z z. Καθώς ο φωτισμένος όγκος διαδίδεται στην ατμόσφαιρα, σκεδαζόμενο φως εκπέμπεται προς όλες τις κατευθύνσεις. Το οπισθοσκεδαζόμενο φως στις 0 180 ανιχνεύεται από το τηλεσκόπιο και μετατρέπεται σε ηλεκτρικό σήμα στον φωτοανιχνευτή του lidar. Η ένταση του ανιχνεύσιμου φωτός για κάθε χρονική στιγμή t εξαρτάται από τον συντελεστή οπισθοσκέδασης που χαρακτηρίζει τον ατμοσφαιρικό όγκο αλληλεπίδρασης του παλμού, όπως και από την εξασθένιση που προκαλείται στον παλμό φωτός κατά την διάδοσή του μέχρι τον όγκο αυτό. Υποθέτοντας ότι t 0 είναι η χρονική στιγμή που η αρχή του παλμού εκπέμπεται από την πηγή laser, ας δούμε ποιο θα είναι το σήμα που ανιχνεύεται από την διάταξη lidar σε 23

οποιαδήποτε χρονική στιγμή t n0. Ο ατμοσφαιρικός όγκος αλληλεπίδρασης βρίσκεται μεταξύ των υψών z και z,και η σχέση μεταξύ του χρόνου όπως τον θεωρήσαμε και της θέσης του όγκου σκέδασης που ορίζεται από την αρχή ( z ) και το πέρας του παλμού ( z) είναι: και 2z c t (3.3) 2z c t n 0 (3.4) όπου cείναι η ταχύτητα του φωτός. Ο παλμός φωτός διαπερνά τον όγκο αλληλεπίδρασης δύο φορές, μία από το laser στην αντίστοιχη άκρη του παλμού και μία από την άκρη του παλμού προς το τηλεσκόπιο. Αυτός είναι ο λόγος που στις σχέσεις (3.3) και (3.4) εμφανίζεται ο παράγοντας 2. Όπως προκύπτει από τις σχέσεις (3.3) και (3.4), το γεωμετρικό μήκος της περιοχής από το z στο z, από όπου το οπισθοσκεδαζόμενο φως φτάνει στο τηλεσκόπιο, σχετίζεται με την χρονική διάρκεια του εκπεμπόμενου παλμού n 0 σύμφωνα με την σχέση: c n 2 0 z0 z z (3.5) Η διαφορική εξίσωση με την οποία περιγράφονται οι φυσικές διεργασίες που λαμβάνουν χώρα κατά την διάδοση και ανίχνευση ενός παλμού λέγεται εξίσωση lidar, και προκύπτει από τον νόμο Beer-Lambert και την εξίσωση σκέδασης για τις 180 0. Η στιγμιαία ισχύς του παλμού την χρονική στιγμή dn είναι F, n dw dn, όπου W η ενέργεια του παλμού και ο χρόνος dn αντιστοιχεί στον ατμοσφαιρικό όγκο dz, σε απόσταση z, όπου λαμβάνει χώρα η σκέδαση. Η ροή ακτινοβολίας στον φωτοανιχνευτή του lidar που οφείλεται στην μοριακή και σωματιδιακή οπισθοσκέδαση που προκαλείται από τον ατμοσφαιρικό όγκο dz δίδεται από την σχέση: όπου, και, mol L z, z, z aer L mol L df L, z C1F, n 2 z z exp 2 a aer L, amol L, d dz 0 (3.6) είναι οι συντελεστές μοριακής και σωματιδιακής aer L z οπισθοσκέδασης σε σχέση με την διεύθυνση διάδοσης του εκπεμπόμενου παλμού, 24

a z και a z mol L, aer L, εξασθένισης και F, n είναι οι συντελεστές μοριακής και σωματιδιακής η ροή ακτινοβολίας που εκπέμπεται από το laser στο μήκος κύματος. Με τον συμβολισμό L, αναφερόμαστε στην ελαστική σκέδαση του αρχικού μήκους κύματος. Η σταθερά C 1 εξαρτάται από το σύστημα lidar και περιλαμβάνει όλες τις γεωμετρικές σταθερές του συστήματος σχετικά με τις οπτικές διατάξεις εκπομπής και ανίχνευσης της ακτινοβολίας. Εξαρτάται επίσης από την απόκλιση της δέσμης laser και την διάμετρο του τηλεσκοπίου. Ο εκθετικός όρος στην εξίσωση (3.6) εκφράζει την διαπερατότητα της ατμόσφαιρας για την διαδρομή από το lidar στον ατμοσφαιρικό όγκο σκέδασης, η οποία διανύεται δύο φορές από την ακτινοβολία: 2 z 2 a L, 0 d T 0, z e (3.7) όπου a, L είναι ο συνολικός συντελεστής εξασθένισης που ισούται με το άθροισμα των συντελεστών που αφορούν την εξασθένιση λόγω μορίων και σωματιδίων. Ο εκπεμπόμενος παλμός laser στις εφαρμογές lidar είναι συνήθως μικρής χρονικής διάρκειας ( ~10ns ), συνεπώς το σήμα στον φωτοανιχνευτή την χρονική στιγμή t σχετίζεται με τις ιδιότητες σκέδασης ενός σχετικά μικρού πάχους ατμοσφαιρικού όγκου. Συνεπώς, η συνολική ροή ακτινοβολίας στον φωτοανιχνευτή την χρονική στιγμή t, σχετίζεται με την οπισθοσκέδαση του εκπεμπόμενου παλμού από ολόκληρο τον ατμοσφαιρικό όγκο πάχους z0 F, z C L 1, z, z zz0 z aer L mol L 2 z z 0. Έτσι: F, n exp 2 a aer L, amol L, d dz (3.8) Υποθέτοντας ότι ο εκπεμπόμενος παλμός από το laser είναι τετραγωνικής μορφής (tophat) (δηλαδή ότι F, n F const.), και ότι οι συντελεστές εξασθένισης και οπισθοσκέδασης παραμένουν σταθεροί στον ατμοσφαιρικό όγκο πάχους z0, μπορούμε να πάρουμε την τελική μορφή της εξίσωσης lidar, που είναι: 25

, z, z z cn 0 aer L mol L F L, z C1F exp 2 2 aaer L, amol L, d 2 z (3.9) 0 Η ισχύς του αναλογικού σήματος που τελικά καταγράφεται από το σύστημα lidar, P z L, εκπεμπόμενης ροής ακτινοβολίας F z, που προέρχεται από την απλή ελαστική σκέδαση της, z, z L,, δίνεται από την σχέση: z aer L mol L P L, z C0 exp 2 2 aaer L, amol L, d z (3.10) 0 όπου θεωρήσαμε ότι P, z F, z, με an ίσο με τον συντελεστή L an L μετατροπής μεταξύ της ροής ακτινοβολίας F z στον φωτοανιχνευτή και της καταγεγραμμένης έντασης του ηλεκτρικού σήματος lidar P z L,. Η σταθερά C0 ονομάζεται σταθερά του συστήματος lidar, εξαρτάται κάθε φορά από το συγκεκριμένο σύστημα lidar και δίδεται από την ακόλουθη σχέση: cn (3.11) 2 0 C0 C1F0 an Ωςα, ορίζεται ο χωρικός συντελεστής εξασθένισης του μέσου, και εκφράζει την πιθανότητα ανά μονάδα οπτικής διαδρομής, να αφαιρεθεί ένα φωτόνιο από την αρχική ακτινοβολία λόγω σκέδασης ή απορρόφησης από το οπτικό μέσο. Ως χωρικός συντελεστής οπισθοσκέδασης β ορίζεται το κλάσμα της προσπίπτουσας ενέργειας, η οποία σκεδάζεται ανά στερεά γωνία στην αντίστροφη κατεύθυνση, ανά μονάδα μήκους μέσα στην ατμόσφαιρα (km -1 sr -1 ). Η διαφορική εξίσωση για ένα σύστημα lidar οπισθοσκέδασης, προέκυψε στην τελική της μορφή, με την βασική υπόθεση ότι η χωρική ανάλυση z0 του παλμού είναι τόσο μικρή, ώστε ο όρος στο ολοκλήρωμα της εξίσωσης (3.8) να μπορεί να θεωρηθεί σταθερός. Αυτό μπορεί να ισχύει κάτω από τις ακόλουθες συνθήκες: (1) Όλες οι ατμοσφαιρικές παράμετροι που σχετίζονται με την οπισθοσκέδαση που προκαλεί ο ατμοσφαιρικός όγκος που φωτίζεται από τον παλμό laser, πρέπει να παραμένουν σταθερές στο διάστημα z cn 2 0 0. Αυτή η συνθήκη L, απαιτεί να μην υπάρχουν μεγάλες αλλαγές στην αριθμητική πυκνότητα και 26

στην σύσταση κατά κύριο λόγο των αιωρούμενων σωματιδίων μέσα στον ατμοσφαιρικό όγκο. (2) Η εξίσωση lidar να εφαρμόζεται για αποστάσεις από το σύστημα, z, τέτοιες ώστε z z0, έτσι ώστε η διαφορά των τετραγώνων των αποστάσεων z z 2 0 να είναι αμελητέα. 2 z και (3) Το οπτικό βάθος στην περιοχή z0 πρέπει να είναι πολύ μικρό ( 0.005 ), ώστε ο συντελεστής εξασθένισης στο ολοκλήρωμα της σχέσης (8) να μπορεί να θεωρηθεί σταθερός στην περιοχή ολοκλήρωσης από z έως z z0. (4) Ο ατμοσφαιρικός όγκος που εξετάζεται, πρέπει να βρίσκεται σε μία περιοχή όπου η δέσμη laser, να βρίσκεται ολόκληρη μέσα στο οπτικό πεδίο του τηλεσκοπίου. Αυτό συμβαίνει για περιοχές υψών πάνω από ένα συγκεκριμένο ύψος z 0, και κάτω από αυτό η περιοχή ονομάζεται περιοχή μη πλήρους επικάλυψης. Η περίπτωση αυτό περιγράφεται αναλυτικά στο κεφάλαιο 4. Η γενική λύση της εξίσωσης (3.10) έχει προταθεί από διάφορους ερευνητές και παρακάτω περιγράφουμε την μέθοδο ολικής οπισθοσκέδασης (total integrated back scatter) (Fernaldetal., 1972; Klett, 1981; Klett, 1983; Sasanoand Nakane, 1984; Fernald, 1984; Klett, 1985; Kaestner, 1986; Klett, 1986; Kovalev and Moosmuller, 1994; Royetal., 1993)και την μέθοδο ανάλυσης σημάτων lidar Raman (Αnsmann et al., 1990). 3.2ΜΕΘΟΔΟΣ ΟΛΙΚΗΣ ΟΠΙΣΘΟΣΚΕΔΑΣΗΣ Όπως αναλύσαμε στο προηγούμενο κεφάλαιο, η εξίσωση του lidar για μονοχρωματικό lidar οπισθοσκέδασης σε μήκος κύματος L, που εκπέμπει κατακόρυφα και σε ατμοσφαιρική περιοχή στην οποία λαμβάνει χώρα αποκλειστικά μεμονωμένη σκέδαση, δίδεται από την σχέση: όπου P(, z) L z L, z PL, z C0 exp 2 a 2 L, d z (3.12) 0 η στιγμιαία ισχύς που λαμβάνεται στον χρόνο t,, z χωρικός συντελεστής οπισθοσκέδασης, a z ο ο χωρικός συντελεστής L, L 27

εξασθένισης και C 0 η σταθερά του συστήματος. Η (3.12) ισχύει μόνο για περιοχή πλήρους επικάλυψης της δέσμης του laserκαι του οπτικού πεδίου του τηλεσκοπίου (παράγραφος 3.1). Λαμβάνοντας υπόψη ότι η ατμόσφαιρα αποτελείται από μόρια και ατμοσφαιρικά αιωρήματα, μπορούμε να γράψουμε τους συντελεστές οπισθοσκέδασης και εξασθένισης ως αθροίσματα των μοριακών και σωματιδιακών συνεισφορών:,,, a z a z a z (3.13) L aer L mol L, z, z, z (3.14) L aer L mol L Η μοριακή συνεισφορά στην εξασθένιση υπολογίζεται από το γινόμενο της ενεργού διατομής εξασθένισης του μέσου ατμοσφαιρικού μορίου και της αριθμητικής συγκέντρωσης των μορίων στην ατμόσφαιρα. Για τα μήκη κύματος των 355 και 532nm, η απορρόφηση από τα μόρια της ατμόσφαιρας θεωρείται αμελητέα και η εξασθένιση της ακτινοβολίας οφείλεται μόνο σε φαινόμενα σκέδασης. Ο μοριακός συντελεστής οπισθοσκέδασης προκύπτει από τον λόγο του συντελεστή εξασθένισης προς την αντίστροφη συνάρτηση φάσης που αφορά την σκέδαση στις 0 180 (λόγος lidar για την μοριακή ατμόσφαιρα). Για τον υπολογισμό των κατακόρυφων κατανομών των μοριακών συντελεστών εξασθένισης και οπισθοσκέδασης, είναι απαραίτητο να γνωρίζουμε την κατακόρυφη κατανομή της αριθμητικής συγκέντρωσης των μορίων στην ατμόσφαιρα που μελετάμε κάθε φορά. Το κατακόρυφο προφίλ της αριθμητικής συγκέντρωσης των μορίων της ατμόσφαιρας υπολογίζεται από την καταστατική εξίσωση των αερίων: όπου kb N z b P z (3.15) k T z k b η σταθερά του Boltzmanη οποία ισούται με 23 1.380622 10 N m/ K, και P z, Tz, τα κατακόρυφα προφίλ της πίεσης και της θερμοκρασίας. Για κανονικές συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας ( 28

Ps 1013.25hPa και Ts 0 288.15 K ), υπολογίζεται ότι η αριθμητική συγκέντρωση των μορίων της ατμόσφαιρας είναι N s 19 3 2.54743 10 cm. Η ενεργός διατομή σκέδασης Rayleigh, δηλαδή ο συντελεστής σκέδασης του μέσου ατμοσφαιρικού μορίου για κάθε μήκος κύματος, υπολογίζεται από την σχέση (McCartney, 1972): όπου 2 3 2 24 ns 1 6 3 n 4 2 2 2 N 2 6 7 s n s n (3.16) N s η μοριακή αριθμητική συγκέντρωση σε κανονικές συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας, n ο διορθωτικός παράγοντας πόλωσης λόγω ανισοτροπίας του μέσου ατμοσφαιρικού μορίου, και ns το πραγματικό μέρος του δείκτη διάθλασης του ατμοσφαιρικού αέρα σε κανονικές συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας. Μετά τους υπολογισμούς του συντελεστή σκέδασης για το μέσο ατμοσφαιρικό μόριο, και για τα μήκη κύματος των 355 και 532nm, ο συντελεστής εξασθένισης, και με την θεώρηση ότι δεν έχουμε απορρόφηση, βρίσκεται από το γινόμενο της ενεργού διατομής σκέδασης του μέσου ατμοσφαιρικού μορίου με την αριθμητική συγκέντρωση:, a z N z (3.17) mol L L Το προφίλ του μοριακού συντελεστή οπισθοσκέδασης προκύπτει από τον λόγο του συντελεστή εξασθένισης προς την αντίστροφη συνάρτηση φάσης που αφορά την σκέδαση στις 0 180 (λόγος lidar για την μοριακή ατμόσφαιρα). Ο λόγος lidarγια την μοριακή ατμόσφαιρα θεωρείται ίσος με 8 3. Η εξίσωση του lidar μετά τους υπολογισμούς που αφορούν την μοριακή ατμόσφαιρα, περιέχει δύο αγνώστους, τους συντελεστές οπισθοσκέδασης και εξασθένισης των σωματιδίων. Για την επίλυση της διαφορικής εξίσωσης, θεωρούμε μία σχέση μεταξύ των δύο παραμέτρων, που παραμένει σταθερή με το ύψος. Συγκεκριμένα, ορίζουμε τον λεγόμενο λόγο του lidar, που είναι ο λόγος του συντελεστή εξασθένισης προς τον συντελεστή οπισθοσκέδασης: L S, z aaer L, z, z (3.18) aer L 29

Ο λόγος lidar είναι μία παράμετρος που εξαρτάται από το μήκος κύματος και δεν είναι σταθερή με το ύψος. Από τον ορισμό του προκύπτει ότι πρόκειται για μία οπτική παράμετρο που εξαρτάται από τον δείκτη διάθλασης και την κατανομή μεγεθών των σωματιδίων. Έχει βρεθεί ότι ο λόγος lidarμπορεί να πάρει ένα μεγάλο εύρος τιμών που κυμαίνεται από 2 έως 100sr (Ackermann, 1998). Η apriori υπόθεση του λόγου lidar όπως και η υπόθεση ότι ο λόγος αυτός παραμένει σταθερός με το ύψος, αποτελούν την μεγαλύτερη πηγή αβεβαιοτήτων στην επίλυση της Δ.Ε. ενός lidar οπισθοσκέδασης. Μετά την παραδοχή του σταθερού με το ύψος λόγου lidar, και για την περιοχή πλήρους επικάλυψης της δέσμης laserμε το οπτικό πεδίο του τηλεσκοπίου, η εξίσωση του lidar μπορεί να λυθεί ως προς τον συντελεστή οπισθοσκέδασης των αιωρούμενων σωματιδίων με μία επιπλέον παραδοχή που αφορά την σταθερά βαθμονόμησης του συστήματος. Συνήθως θεωρούμε μία περιοχή βαθμονόμησης του συντελεστή οπισθοσκέδασης των αιωρούμενων σωματιδίων σε ένα ύψος z 0, το λεγόμενο ύψος αναφοράς. Στον αλγόριθμο του ΕΦΑ, η παραδοχή αυτή γίνεται με τον ορισμό του λόγου οπισθοσκέδασης ο οποίος ορίζεται ως το πηλίκο της ολικής προς την μοριακή οπισθοσκέδαση, και είναι ίσος με την μονάδα στην περίπτωση που δεν υπάρχουν αιωρούμενα σωματίδια: R, z0, z0, z mol L aer L (3.19) mol L Μετά τις θεωρήσεις των λόγων lidarκαι οπισθοσκέδασης, η εξίσωση του lidarμπορεί να λυθεί ως προς τον συντελεστή οπισθοσκέδασης των αιωρούμενων σωματιδίων, σύμφωνα με τους Klett (1981, 1985) και Fernald (1972, 1984), σύμφωνα με την σχέση:, z, z aer L mol L z 2 P L, z z exp 2 Saer Smol mol L, d z0 2 z P L, z0 z 0 2 2 Saer P L, exp 2Saer Smol mol zdzd aer z0 mol z0 z0 z0 0 (3.20) 30

Η εξίσωση (3.20) λύνεται με τις ολοκληρώσεις να πραγματοποιούνται είτε προς μεγαλύτερα είτε προς μικρότερα ύψη, ανάλογα με την επιλογή του ύψους αναφοράς στο έδαφος ή στην ανώτερη τροπόσφαιρα αντίστοιχα. Έχει βρεθεί (Klett, 1981) ότι η λύση με την επιλογή του ύψους αναφοράς σε μία ελεύθερη από σωματίδια ανώτερη τροπόσφαιρα, είναι και πιο σταθερή αριθμητικά, λόγω του καλύτερου προσδιορισμού του λόγου οπισθοσκέδασης ( ~1.01). Επίσης, παρουσιάζει πλεονεκτήματα από την άποψη του υπολογισμού των σφαλμάτων. Τέλος, η θεώρηση του λόγου οπισθοσκέδασης δεν εισάγει μεγάλη αβεβαιότητα, μιας και είναι εύκολο να υπολογιστεί η μοριακή και η σωματιδιακή συνεισφορά από το σήμα του lidar, και έτσι είναι εφικτός ο προσδιορισμός του ύψους αναφοράς για το οποίο θεωρούμε τον λόγο οπισθοσκέδασης ίσο με την μονάδα. 3.3ΜΕΘΟΔΟΣ ΑΝΑΛΥΣΗΣ ΣΗΜΑΤΩΝ LIDARRAMAN Το βασικό μειονέκτημα της μεθόδου επίλυσης της εξίσωσης lidar, όπως περιγράφηκε στην προηγούμενη παράγραφο, είναι η παραδοχή ύπαρξης μίας σταθερής με το ύψος σχέσης μεταξύ του συντελεστή εξασθένισης και του συντελεστή οπισθοσκέδασης των αιωρούμενων σωματιδίων. Οι αυθαίρετες παραδοχές για την κατακόρυφη κατανομή του λόγουlidar και το ύψος αναφοράς z 0 συντελούν στην αύξηση της αβεβαιότητας και του σφάλματος της τελικής λύσης. Η τεχνικήraman προσφέρει τη δυνατότητα ενός ανεξάρτητου υπολογισμού του συντελεστή εξασθένισης από τον συντελεστή οπισθοσκέδασης, χωρίς την αναγκαιότητα οποιασδήποτε παραδοχής, εξασφαλίζοντας έτσι σημαντικά μικρότερα σφάλματα μέτρησης [Αnsmannetal., 1990]. Το μειονέκτημα της μεθόδου είναι ότι απαιτείται πιο περίπλοκος και ακριβότερος εργαστηριακός εξοπλισμός. Συγκεκριμένα, απαιτούνται δύο κανάλια ανίχνευσης σήματος (ελαστικά οπισθοσκεδαζόμενο και Raman) σε σύγκριση με το μοναδικό κανάλι που χρειάζεται στην τεχνική ενός lidar οπισθοσκέδασης. Για το Ramanlidarτου ΕΦΑ, εκπέμπεται ακτινοβολία laserστα 355nm και ανιχνεύεται η ελαστικά οπισθοσκεδαζόμενη ακτινοβολία στο ίδιο μήκος κύματος και η ακτινοβολία η οποία προέρχεται από την σκέδαση Ramanτης εκπεμπόμενης 31

από το μόριο του αζώτου ( N 2 ) της ατμόσφαιρας. Η διαφορική εξίσωση για ένα Ramanlidarγράφεται: όπου P z z N R z dr P R, z C0 exp 2 a L, a R, d z d (3.21) 0 είναι το σήμα που λαμβάνεται από απόσταση z στο μήκος κύματος R, των 387nm της σκέδασης Raman, C 0 η σταθερά που εμπεριέχει όλες τις R σταθερές του συστήματος (μαζί με την συνάρτηση επικάλυψης Oz ), είναι η κατακόρυφη κατανομή της αριθμητικής συγκέντρωσης του αζώτου και d d η ενεργός διατομήτης Raman οπισθοσκέδασης της εκπεμπόμενης R ακτινοβολίας των 355nm στα 387nm. Τέλος, a, L είναι ο συντελεστής εξασθένισης για το εκπεμπόμενο μήκος κύματος των 355nm L NR και R, z a ο συντελεστής εξασθένισης για το μήκος κύματος της σκέδασης Ramanαπό το άζωτο, 387nm. R Χρησιμοποιώντας μόνο την περιοχή υψών όπου η συνάρτηση επικάλυψης ισούται με την μονάδα ( Oz 1), και υποθέτοντας μία εκθετική σχέση μεταξύ των συντελεστών εξασθένισης των σωματιδίων για τα μήκη κύματος των 355 και 387nm ( a aer k, το k είναι ο γνωστός εκθέτης Angstromγια την εξασθένιση (Angstrom, 1929)), η Δ.Ε. του Ramanlidarμπορεί να λυθεί ως προς τον συντελεστή εξασθένισης των σωματιδίων στο εκπεμπόμενο μήκος κύματος σύμφωνα με την σχέση (Ansmann, 1990): a, z z, d N R,, 2 amol L z amol R z dz PR z z L 1 R aer L k (3.22) όπου θεωρήθηκε ότι η ενεργός διατομή οπισθοσκέδασης Raman είναι ανεξάρτητη του ύψους ( d dz 0 ). R Η μοριακή συνεισφορά στην εξασθένιση υπολογίζεται με τον ίδιο τρόπο που αναπτύχθηκε στην περίπτωση του lidar οπισθοσκέδασης. Επιπλέον, υπολογίζεται και η κατακόρυφη κατανομή της αριθμητικής συγκέντρωσης των 32

μορίων του αζώτου στην ατμόσφαιρα, που σύμφωνα με την καταστατική εξίσωση των αερίων είναι: N R z P z 0.7808 (3.23) k T z μιας και το άζωτο αποτελεί το 78.08% της μοριακής ατμόσφαιρας. Επειδή λόγω του ασθενούς σήματος που λαμβάνεται από την Ramanσκέδαση, οι μετρήσεις Ramanπεριορίζονται σε βραδινές ώρες. Για τον τελικό υπολογισμό του συντελεστή εξασθένισης των σωματιδίων, πρέπει να υποθέσουμε την τιμή του εκθέτη Angstrom, k, ο οποίος για τόσο κοντινά μήκη κύματος όπως τα 355 και 387nm, και για σωματίδια διαμέτρου συγκρίσιμης των μηκών κύματος, μπορεί να θεωρηθεί ίσος με την μονάδα. Ο εκθέτης Angstrom για το υπεριώδες τμήμα του φάσματος,παίρνει τιμές από 0 έως 2 και είναι ενδεικτικός του μεγέθους των σωματιδίων. Ο τελικός υπολογισμός του συντελεστή εξασθένισης των σωματιδίων από την σχέση (3.22), γίνεται αφού υπολογιστεί η παράγωγος της ποσότητας 2 b N z P z z. R R, Ο συντελεστής οπισθοσκέδασης για τα αιωρούμενα σωματίδια, μπορεί να υπολογιστεί με την χρήση των ελαστικά και ανελαστικά οπισθοσκεδαζόμενων σημάτων στα 355 και 387nm. Αν πάρουμε τον λόγο του ελαστικά οπισθοσκεδαζόμενου σήματος από τα σωματίδια ( 355nm) προς το ανελαστικά οπισθοσκεδαζόμενο σήμα από το άζωτο ( 387nm ) σύμφωνα με τις διαφορικές εξισώσεις για lidarοπισθοσκέδασης και Raman, και για το ύψος z και για ένα ύψος αναφοράς z 0, μπορούμε να υπολογίσουμε τον συντελεστή οπισθοσκέδασης στο μήκος κύματος εκπομπής, σύμφωνα με την εξίσωση [Ansmannetal., 1992]: z z z0 z0 P R, z0 P L, z N R z P, z P, z N z,, [,, ] aer L mol L aer L mol L L 0 R R 0 z exp aaer R, mol R, z0 z exp aaer L, mol L, z0 a a (3.24) 33

Για την επίλυση της (3.24), χρειάζεται να θεωρήσουμε τον συντελεστή οπισθοσκέδασης για τα σωματίδια σε ένα ύψος αναφοράς z 0. Αυτό γίνεται παρόμοια με την περίπτωση επίλυσης της εξίσωσης lidar οπισθοσκέδασης, όπου θεωρούμε τον λόγο οπισθοσκέδασης για μία περιοχή στην ελεύθερη τροπόσφαιρα τέτοια ώστε, z ) (, ) και συνεπώς mol mol ( L 0 aer L z0 ( L, z0 ) aer ( L, z0 ) mol ( L, z0 ). Αντίστοιχα, υπολογίζονται στην ίδια περιοχή οι μέσοι όροι των λόγων των σημάτων lidar που χρησιμοποιούνται στην (3.24) ( P, z P, z ),για την αποφυγή του θορύβου που εισάγεται όταν το R 0 L 0 ύψος αναφοράς ορίζεται σε ένα μόνο σημείο. Η περιοχή ονομάζεται περιοχή βαθμονόμησης του σήματος. Η διαπερατότητα των ατμοσφαιρικών στρωμάτων που προκύπτει από την ολοκλήρωση των συντελεστών εξασθένισης από το ύψος αναφοράς z 0 μέχρι το ύψος z στην σχέση (3.24), υπολογίζεται από τους συντελεστές εξασθένισης των αιωρούμενων σωματιδίων που βρέθηκαν από την επίλυση της διαφορικής εξίσωσης Raman. Μετά τον προσδιορισμό του συντελεστή εξασθένισης και του συντελεστή οπισθοσκέδασης από τα προηγούμενα στάδια, είναι δυνατός ο υπολογισμός του λόγου lidarαπό την σχέση: S aer, z L aaer L, z, z (3.25) aer L ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 4.1ΣΥΝΑΡΤΗΣΗ ΕΠΙΚΑΛΥΨΗΣ Η τεχνική lidarαποτελεί ένα πολύτιμο εργαλείο για τη μέτρηση της χωρικής κατανομής και της χρονικής εξέλιξης διαφόρων ρύπων (αερολύματα και 34

συγκεκριμένοι μοριακοί ρύποι όπως το O3, SO2, NO X, κ.α) στην ατμόσφαιρα, καθώς επίσης και για τη μελέτη της δυναμικής της τροπόσφαιρας (Althausen, 2000), (Girolamo, 1999), (Fregafon, 1998). Αν και ένα τυπικό σύστημα lidarμπορεί να μελετήσει την ατμόσφαιρα μέχρι το ύψος αρκετών χιλιομέτρων, ένα υψηλό ποσοστό της επιστημονικής έρευνας στρέφεται στην έρευνα της χαμηλότερης ατμόσφαιρας και ειδικά του Πλανητικού Οριακού Στρώματος (ΠΟΣ) (Hageli, 2000). Η αυξανόμενη αστικοποίηση και εκβιομηχάνιση προκαλούν μια συνεχή αύξηση των συγκεντρώσεων των αερολυμάτων στη χαμηλότερη τροπόσφαιρα. Ο Rajetal (Raj, 1997) έχει ανακοινώσει την ύπαρξη μίας μακροπρόθεσμα αυξανόμενης τάσης στην συγκέντρωση των αερολυμάτων στο ατμοσφαιρικό στρώμα μεταξύ 50 1100m, λόγω των αυξανόμενων ανθρωπογενών δραστηριοτήτων στις αστικές περιοχές. Επιπλέον, τα πρόσφατα θεωρητικά μοντέλα, καθώς επίσης και οι πειραματικές παρατηρήσεις, δείχνουν ότι υπάρχει μια συνεχής ανταλλαγή των ατμοσφαιρικών μαζών μεταξύ του Οριακού Στρώματος και της παρακείμενης ελεύθερης τροπόσφαιρας, οι οποίες μπορούν να οδηγήσουν στο σχηματισμό ανυψωμένων και ιδιαίτερα επιβαρημένων σε ρύπους ατμοσφαιρικών στρωμάτων (Mckendry, 2000). Επομένως, είναι ιδιαίτερα σημαντικό για ένα σύστημα lidarνα είναι σε θέση να μελετήσει τη χαμηλότερη τροπόσφαιρα και να παρέχει τις πρώτες του μετρήσεις στο μικρότερο δυνατό ύψος. Δυστυχώς, η ελλιπής επικάλυψη μεταξύ της δέσμη laser και του οπτικού πεδίου του δέκτη (field of view), έχει σημαντικές επιπτώσεις στις μετρήσεις lidar κυρίως σε κοντινές αποστάσεις (τυπικά στις πρώτες εκατοντάδες μέτρα). Για μία ορθή ανάλυση και ερμηνεία των δεδομένων lidar κοντινού πεδίου, είναι απαραίτητο να γίνουν γεωμετρικές εκτιμήσεις και διορθώσεις των λαμβανόμενων σημάτων lidar που αφορούν την περιοχή μη πλήρους επικάλυψης. Το πρόβλημα απεικονίζεται σχηματικά στο Σχήμα 4.1. 35

Σχήμα 4.1: Επικάλυψη δέσμης laser με το οπτικό πεδίο του τηλεσκοπίου για ένα διαξονικό σύστημα lidar. Ως συνάρτηση επικάλυψης, Oz, ορίζεται η συνάρτηση που μας δίνει το κλάσμα της ακτινοβολίας laser που έχει εισέλθει στο οπτικό πεδίο του τηλεσκοπίου. Η συνάρτηση επικάλυψης ισούται με μηδέν όταν η δέσμη του laser δεν έχει ακόμη εισέλθει στο οπτικό πεδίο του τηλεσκοπίου, ενώ είναι ίση με την μονάδα στην περιοχή πλήρους επικάλυψης. Διαιρώντας το λαμβανόμενο σήμα lidar με την συνάρτηση επικάλυψης, είναι δυνατόν να εφαρμόσουμε την εξίσωση lidar και σε ύψη όπου δεν έχουμε πλήρη επικάλυψη. Έτσι, η γενικότερη μορφή της διαφορικής εξίσωσης του lidar εξακολουθεί να έχει την μορφή της σχέσης (3.10), αν στην σταθερά του συστήματος C 0 συμπεριλάβουμε και την συνάρτηση επικάλυψης cn C0 z O z C1F0 an ). 2 ( 0 36

37 Διάφορες προσπάθειες που έχουν γίνει κατά καιρούς για τον υπολογισμό της συνάρτησης επικάλυψης περιλαμβάνουν τόσο αναλυτικές (Halldorsson and Langerholc, 1978; Harmsetal., 1978; Harms, 1979, Sassenand Dodd, 1982; Velottaetal., 1998; Chourdakisetal., 2002), όσο και πειραματικές μεθόδους προσδιορισμού (Sasanoetal., 1979; Tomineetal.,1989; Dhoetal., 1997; Wandingerand Ansmann, 2002). Το πρόβλημα του προσδιορισμού της συνάρτησης επικάλυψης δεν είναι απλό, μιας και οι πληροφορίες που χρειάζονται για τους υπολογισμούς δεν είναι πάντα διαθέσιμες και ακριβείς. Η συνάρτηση επικάλυψης εξαρτάται από τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά του εκάστοτε συστήματος lidar. Ο αναλυτικός υπολογισμός της συνάρτησης επικάλυψης O, γίνεται με την ακόλουθη σχέση (Measures, 1984): ) ( ) ( 2 ) ( ) ( ) ( ) ( cos sin ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( 2 ) ( ) ( ) ( ) ( cos ) ( 1 ) ( ) ( ) ( 2 ) ( ) ( ) ( ) ( cos 1 ) ( 2 2 2 1 2 2 2 1 2 2 2 1 X S X Y X S X Y S X S X Y X S Y Y X S X X Y S O (4.1) όπου: z 0 z, 0 0 ) ( z d S (4.2) 2 0 0 2 2 0 0 2 2 1 1 ) ( w z w z Y telescope laser, telescope X 1 ) ( (4.3) όπου z είναι η απόσταση από το lidar, 0 z η ακτίνα του τηλεσκοπίου, 0 W η αρχική ακτίνα της δέσμης του laser, laser η απόκλιση της δέσμης του laser, telescope η γωνία που καθορίζει το οπτικό πεδίο του τηλεσκοπίου, η γωνία μεταξύ της διεύθυνσης διάδοσης της δέσμης του laser και της διεύθυνσης παρατήρησης του τηλεσκοπίου, και 0 d η απόσταση μεταξύ του κέντρου του τηλεσκοπίου και της δέσμης του laser (βλ. Σχήμα 4.1).

Σε συνήθεις συνθήκες μετρήσεων lidar, οι πληροφορίες που χρειάζονται για τον αναλυτικό προσδιορισμό της συνάρτησης επικάλυψης δεν είναι γνωστές. Μεγάλη αβεβαιότητα στις αναλυτικές μεθόδους εισάγει η γωνία μεταξύ της διεύθυνσης διάδοσης της δέσμης του laser και της διεύθυνσης παρατήρησης του τηλεσκοπίου. Η γωνία για ένα καλά ευθυγραμμισμένο σύστημα lidar θα πρέπει να είναι μηδέν, συνθήκη που δεν ισχύει σε όλες των περιπτώσεων ευθυγράμμισης. Είναι επίσης πιθανό η γωνία να μεταβάλλεται και κατά την διάρκεια μιας μέτρησης λόγω σταδιακής απευθυγράμμισης του συστήματος. Μεγάλη αβεβαιότητα, επίσης, εισάγεται και από την κατανομή της ενέργειας της δέσμης του laser, η οποία για την εξαγωγή αναλυτικών εξισώσεων υπολογισμού πρέπει να είναι γνωστή. Στην σχέση (4.1) που προαναφέραμε, θεωρήθηκε μία κανονική (Gauss) κατανομή ενέργειας του laser σε κάθε κυκλική τομή της κωνικής κατανομής της δέσμης στον χώρο. Τα γεωμετρικά δεδομένα του συστήματος που χρησιμοποιήθηκαν αναφέρονται αναλυτικά στονπίνακα 4-1. /α ΓΕΩΜΕΤΡΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΜΕ LIDAR ΕΦΑ ΓΕΘΟΣ Ακτίνα τηλεσκοπίου (m),zo 0,25 Απόσταση μεταξύ του κέντρου του τηλεσκοπίου και της δέσμης του laser (m), do 0,5 Αρχική ακτίνα της δέσμης του laser (m), 0,00 wo 45 Απόκλιση της δέσμης του laser (mrad), φlaser 0,5 Γωνία μεταξύ της διεύθυνσης διάδοσης της δέσμης του laser και της διεύθυνσης παρατήρησης του τηλεσκοπίου (mrad), δ 0 Εστιακή απόσταση του παραβολικού κατόπτρου (mm), f 5000 Διάμετρος του οπτικού διαφράγματος (mm),fs 5 Πίνακας 4.1: Γεωμετρικά χαρακτηριστικά του lidar του ΕΦΑ Παρακάτω, παραθέτονται εικόνες από ερευνητικά κέντρα στη Νορβηγία που χειρίζονται και διεκπεραιώνουν πειράματα με διατάξεις τηλεπισκόπησης Lidar. Φαίνονται ξεκάθαρα οι δέσμες laser που στέλνονται στην ατμόσφαιρα με 38

σκοπό να οπισθοσκεδαστούν και να δώσουν πληροφορίες για τη σύσταση της ατμόσφαιρας. 39

4.2ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟΣ ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΤΗΣ ΣΥΝΑΡΤΗΣΗΣ ΕΠΙΚΑΛΥΨΗΣ ΜΕ ΤΟ ΠΕΙΡΑΜΑ TELECOVER Σε ένα τέλειο σύστημα lidar οι οπισθοσκεδαζόμενες δέσμες έχουν την ίδια συμπεριφορά στο οπτικό σύστημα ανίχνευσης, ανεξάρτητα από το ύψος από το οποίο επιστρέφουν. Αυτό που πραγματικά συμβαίνει όμως είναι ότι, τα οπισθοσκεδαζόμενα φωτόνια που συλλέγονται από διαφορετικά μέρη του τηλεσκοπίου του συστήματος lidar φθάνουν στον ανιχνευτή, διανύοντας διαφορετικές οπτικές αποστάσεις στο σύστημα ανίχνευσης και με διαφορετικές γωνίες πρόσπτωσης. Ως συνάρτηση επικάλυψης ορίζεται η συνάρτηση που δίνει το κλάσμα της ακτινοβολίας laser που έχει εισέλθει στο οπτικό πεδίο του τηλεσκοπίου. Η συνάρτηση επικάλυψης είναι ίση με την μονάδα στην περιοχή πλήρους επικάλυψης και ίση με μηδέν όταν η δέσμη του laser δεν έχει ακόμη εισέλθει στο οπτικό πεδίο του τηλεσκοπίου. Το πρόβλημα απεικονίζεται σχηματικά στο Σχήμα 4.3. 40

Σχήμα 4.3: Επικάλυψη δέσμης laser με το οπτικό πεδίο του τηλεσκοπίου για ένα διαξονικό σύστημα lidar. Διάφορεςπροσπάθειεςπουέχουνγίνεικατάκαιρούςγιατονυπολογισμότηςσυνά ρτησηςεπικάλυψηςπεριλαμβάνουν, τόσο αναλυτικές [Velottaetal., 1998; Chourdakisetal., 2002], όσο και πειραματικές μεθόδους προσδιορισμού [ Wandinger and Ansmann, 2002; Freudenthaler, 2004]. Στο πλαίσιο αυτής της διπλωματικής πραγματοποιήθηκε ο πειραματικός προσδιορισμός της συνάρτησης επικάλυψης με την σύγκριση των σημάτων lidar που προέρχονται από διαφορετικά μέρη του τηλεσκοπίου. Την σύγκριση αυτήν την πετυχαίνουμε με την μερική κάλυψη της επιφάνειας του τηλεσκοπίου με ένα χαρτόνι [Freudenthaler, 2004]. Το χαρτόνι έχει ίδια διάμετρο με το τηλεσκόπιο και το ένα του μόνο τεταρτημόριο είναι κομμένο. Αρχικά καλύπτουμε τα ¾ της επιφάνειας του τηλεσκοπίου με το χαρτόνι αυτό, αφήνοντας έτσι ανοιχτό μόνο το ένα τεταρτημόριο. Επομένως, οι μετρήσεις γίνονται με το ένα από τα τέσσερα τεταρτημόρια της επιφάνειας του τηλεσκοπίου ανοιχτά ενώ ταυτόχρονα τα υπόλοιπα 3 είναι καλυμμένα. Στο Σχήμα 4.4 απεικονίζουμε τα τέσσερα τεταρτημόρια της επιφάνειας του τηλεσκοπίου. Σχήμα 4.4:Τα τέσσερα τεταρτημόρια της επιφάνειας του τηλεσκοπίου. Οι μετρήσεις γίνονται αφήνοντας ανοιχτό κάθε φορά ένα τεταρτημόριο. 41