ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ. Διπλωματική Εργασία στα πλαίσια του Μ.Π.Σ. Φυσικής Περιβάλλοντος.

ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ Αξιολόγηση μετρήσεων του δορυφορικού οργάνου CALIOP με επίγειες παρατηρήσεις LIDAR Διπλωματική Εργασία στα πλαίσια του Μ.Π.Σ. Φυσικής Περιβάλλοντος Ελένη Βραϊμάκη Επιβλέπων: Δημήτριος Μπαλής Αναπληρωτής Καθηγητής Α.Π.Θ Θεσσαλονίκη, 2012

Πρόλογος Η διπλωματική αυτή εργασία εκπονήθηκε στα πλαίσια του Μεταπτυχιακού Προγράμματος Σπουδών Φυσικής Περιβάλλοντος του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης. Κατά τη διάρκεια των σπουδών μου, που καταλήγουν με την εκπόνηση αυτής της εργασίας, είχα την τύχη να γνωρίσω έναν καινούργιο κόσμο και να μετρήσω τις δυνάμεις μου. Για τις ευκαιρίες που μου έδωσε και την εμπιστοσύνη που μου έδειξε αναθέτοντάς μου θέμα διπλωματικής εργασίας, θέλω να ευχαριστήσω θερμά τον καθηγητή μου κύριο Δημήτρη Μπαλή. Τις ευχαριστίες μου απευθύνω και στον καθηγητή μου, του προπτυχιακού, κύριο Αλέξανδρο Παπαγιάννη για την παρότρυνσή του να συνεχίσω τις σπουδές μου στο συγκεκριμένο Μεταπτυχιακό Πρόγραμμα, καθώς επίσης τους καθηγητές μου σε αυτό που μου μετέδωσαν τις γνώσεις τους. Σε όλη την προσπάθειά μου είχα την στήριξη της δρ. Ελίνας Γιαννακάκη. Εκτός από τις γνώσεις της και την επιστημονική αρωγή, είχα και την αμέριστη συμπαράστασή της. Τα επιστημονικά οφέλη από την εκπόνηση αυτής της διπλωματικής εργασίας δεν θα ήταν ίδια χωρίς την Ελίνα. Γι αυτό θέλω να την ευχαριστήσω μέσα από την καρδιά μου. Με τη διπλωματική αυτή κλείνει ο κύκλος ενός ταξιδιού που ξεκίνησα πριν από δυόμισι χρόνια. Αν και η χιλιομετρική απόσταση που με χώριζε από τα αγαπημένα μου πρόσωπα ήταν μεγάλη, στο ταξίδι αυτό δεν ένιωσα μόνη. Θέλω να εκφράσω ένα «ευχαριστώ» στον Γιώργο για την υπομονή του και την συμπαράστασή του. Επιθυμώ να ευχαριστήσω ιδιαίτερα για την αγάπη της τη φίλη μου Μαριάνθη, τη Βένια, την Αφροδίτη και την παιδική μου φίλη Γιώτα. Για την συμπαράστασή και την παρουσία τους, ευχαριστώ πολύ τον Δημήτρη, τον Θοδωρή, τον Στέφανο, τον Μιχάλη και τον Φοίβο. Για τις συμβουλές της και την στήριξή της ευχαριστώ μέσα από την καρδιά μου την ξαδέλφη μου δρ. Ευτυχία Βραϊμάκη, και για την αγάπη της που με συνοδεύει πάντα, τη νονά μου Κυριακή Αντωνιάδου. Τέλος επειδή όλα τα χρωστάω στον πατέρα μου Διονύση και τη μητέρα μου Μαίρη θέλω να τους εκφράσω το μεγαλύτερο «ευχαριστώ». 2

Περίληψη Αντικείμενο της διπλωματικής εργασίας είναι η σύγκριση των σύγχρονων μετρήσεων του συστήματος lidar (light detection and ranging) THELISYS (THEssaloniki LIdar SYStem), του Εργαστήριου Φυσικής της Ατμόσφαιρας (ΕΦΑ) του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης, με τα δεδομένα επιπέδου 2 του συστήματος lidar CALIOP (Cloud-Aerosol LIdar with Orthogonal Polarization) του δορυφόρου CALIPSO (Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observations). Το χρονικό διάστημα των κοινών μετρήσεων που συγκρίθηκαν είναι από το 2006 έως το 2009. Αρχικά παρουσιάζονται αναλυτικά οι στόχοι της διπλωματικής και η σημασία των συγκρίσεων. Ακολούθως, περιγράφεται το σύστημα THELISYS και αναφέρονται οι αρχές λειτουργίας των συστημάτων lidar. Παρατίθενται επίσης στοιχεία για το δίκτυο σταθμών lidar EARLINET (European Aerosol Research LIdar NETwork), στο οποίο συμμετέχει το THELISYS, καθώς και οι στόχοι και οι δράσεις αυτού. Ακόμη γίνεται εκτενής αναφορά στο δορυφόρο CALIPSO, με στοιχεία για το σχηματισμό δορυφόρων A- Train, στον οποίο αυτός συμμετέχει, και περιγράφεται ο εξοπλισμός του. Περισσότερα στοιχεία δίνονται για το σύστημα lidar CALIOP του δορυφόρου και τα επίπεδα δεδομένων που εξάγονται από τις μετρήσεις του. Επιπλέον γίνονται αναφορές στους αλγόριθμους ανάκτησης των δεδομένων επιπέδου 2 και στο βαθμό εμπιστοσύνης αυτών. Στη συνέχεια, παρουσιάζονται αποτελέσματα συγκρίσεων διαφόρων σταθμών του δικτύου EARLINET με τα δεδομένα του CALIPSO, ενώ περιγράφεται και η στρατηγική της επεξεργασίας και της σύγκρισης των σύγχρονων μετρήσεων του THELISYS και των δεδομένων επιπέδου 2 του CALIΟP, για την περίοδο 2006-2009. Κατόπιν γίνεται σύγκριση των πρωινών και βραδινών σύγχρονων μετρήσεων μιας συγκεκριμένης ημέρας και αξιολόγηση των αποτελεσμάτων της. Επιπλέον γίνεται στατιστική ανάλυση δεδομένων που προκύπτουν από τη σύγκριση των σύγχρονων μετρήσεων του THELISYS και των δεδομένων επιπέδου 2 του CALIPSO. Συγκεκριμένα, αναλύεται κατακόρυφα το ποσοστό συμφωνίας του επίγειου και του δορυφορικού συντελεστή εξασθένησης (extinction coefficient), του συντελεστή οπισθοσκέδασης (backscatter coefficient) και του λόγου lidar (lidar ratio). Στη συνέχεια αναλύεται η εξάρτηση της συμφωνίας του επίγειου και του δορυφορικού συντελεστή εξασθένησης με την αντίστοιχη συμφωνία του λόγου lidar. Παράλληλα, γίνεται προσπάθεια εύρεσης του ύψους στο οποίο υπάρχει η καλύτερη συμφωνία, ενώ εξετάζεται και ο βαθμός εξάρτησης των αποτελεσμάτων της σύγκρισης των δύο συστημάτων από τη μεταξύ τους απόσταση. Τέλος ανακεφαλαιώνονται τα κυριότερα συμπεράσματα που προέκυψαν από την παραπάνω ανάλυση. 3

Abstract The subject of the current thesis is the comparison of coincident observations performed using the lidar (light detection and ranging) THELISYS (THEssaloniki LIdar SYStem) system, belonging to the Laboratory of Atmospheric Physics of the Aristotle University of Thessaloniki (Greece), with level 2 data obtained from the lidar CALIOP (Cloud-Aerosol LIdar with Orthogonal Polarization) onboard the CALIPSO (Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observations) satellite. The observations compared were collected from 2006 to 2009. Initially, the research objectives along with the significance of the aforementioned comparisons are presented. The THELISYS system and operation principles of the lidar systems are pertained, while information on EARLINET network of lidar stations, in which THELISYS participates, and a reference to their goals and actions is made. An extensive reference is also made to the CALIPSO satellite, which is a part of the A-Train constellation of satellites. Information regarding the aforementioned constellation is presented and the equipment onboard the CALIPSO are described. More information is provided about the satellite s lidar CALIOP system and the levels of data obtained from its measurements. Moreover, level 2 data retrieval algorithms and their confidence level are discussed. Subsequently results regarding the comparison of data obtained from EARLINET with CALIPSO measurements are presented, followed by an outline of the strategy for processing and comparing the THELISYS with level 2 CALIOP coincident observations for the time period 2006-2009. A comparison between daytime and nighttime coincident observations of a single day is made and its results are discussed in detail. Data resulted from the comparison of coincident observations from THELISYS and CALIPSO level 2 data are then subjected to statistical analysis. In more detail, the profile percent differences of the ground-based to satellite extinction and backscatter coefficients, as well as the lidar ratio are calculated. Subsequently, the altitude at which the least divergence can be depicted is sought. Finally, the level of influence of the systems horizontal distance on the comparison results is examined. Finally, the conclusions drawn from the preceding analysis are summarized. 4

Περιεχόμενα 1. Εισαγωγή... 6 2. LIDAR... 6 2.1Αρχή λειτουργίας... 7 2.2 Το σύστημα lidar THELISYS του Εργαστηρίου Φυσικής της Ατμόσφαιρας (ΕΦΑ)... 8 3. EARLINET... 13 4. CALIPSO... 15 4.1 Σκοπός... 15 4.2 Α-ΤRAIN... 16 4.3 Διάταξη CALIPSO... 17 4.3.1 CALIOP... 18 4.3.2 Υπέρυθρο Ραδιόμετρο Απεικόνισης (IRR)... 20 4.3.3 Κάμερα Ευρέος Οπτικού Πεδίου-WFC... 21 4.4 Συλλογή δεδομένων και επεξεργασία σήματος... 21 4.5 Επίπεδα δεδομένων που παράγονται από μετρήσεις CALIPSO (Data Products Levels)24 4.6 Αλγόριθμος... 25 4.6.1. Βαθμονόμηση επιπέδου 1... 26 4.6.2. Εξισώσεις... 27 4.6.3 Αλγόριθμος επιπέδου 2... 29 5. Αποτελέσματα συγκρίσεων μετρήσεων του CALIPSO και επίγειων σταθμών του EARLINET... 35 6. Στρατηγική σύγκρισης δεδομένων επιπέδου 2 CALIPSO και μετρήσεων THELISYS... 39 7. Συγκριτική μελέτη ταυτόχρονων μετρήσεων μιας ημέρας... 41 8. Στατιστική ανάλυση... 44 8.1 Κατακόρυφη κατανομή επίγειων και δορυφορικών μετρήσεων... 44 8.2 Σύγκριση στατιστικών κατακόρυφων κατανομών... 46 8.3 Συντελεστής εξασθένησης ως προς λόγο lidar... 52 8.4 Σύγκριση πρωινών και νυχτερινών μετρήσεων... 54 8.5 Σύγκριση ως προς το ύψος... 55 8.6 Οριζόντια απόσταση επίγειου και δορυφορικού συστήματος... 57 9. Συμπεράσματα... 58 Βιβλιογραφία... 60 Παραρτήματα... 63 Ευρετήριο εικόνων... 65 Ευρετήριο σχημάτων... 66 Ευρετήριο πινάκων... 68 5

Εισαγωγή Το δίκτυο επίγειων συστημάτων lidar σε όλο τον κόσμο συνεισφέρει στον προσδιορισμό της κατακόρυφης κατανομής του συντελεστή εξασθένησης (extinction coefficient), του συντελεστή οπισθοσκέδασης (backscatter coefficient) και του λόγου lidar (lidar ratio). Αυτό θα βοηθήσει στην καλύτερη κατανόηση του ρόλου των αιωρούμενων σωματιδίων στο ισοζύγιο της ακτινοβολίας καθώς από τη μία μπορούν να σκεδάσουν την ηλιακή ακτινοβολία πίσω στο διάστημα και έτσι να ψύξουν την ατμόσφαιρα, και από την άλλη μπορούν να απορροφήσουν την ηλιακή ενέργεια με αποτέλεσμα να θερμάνουν την ατμόσφαιρα [IPCC, 2007]. Παράλληλα ο δορυφόρος CALIPSO εξοπλισμένος με το σύστημα lidar CALIOP δίνει την ευκαιρία της παρατήρησης της κατακόρυφης κατανομής των σωματιδίων και των νεφών σε παγκόσμια κλίμακα [Winker et al., 2007]. Οι δορυφορικές παρατηρήσεις μπορούν να λειτουργήσουν συμπληρωματικά με τις αντίστοιχες επίγειες αλλά επιπλέον είναι απαραίτητο να αξιολογηθούν και να συγκριθούν με αυτές. Για το λόγο αυτό παράλληλες μετρήσεις με τις μετρήσεις του CALIOP γίνονται από το σύστημα lidar THELISYS (THEssaloniki LIdar SYStem), από τη στιγμή της εκτόξευση του CALIPSO το 2006, όποτε ο δορυφόρος διέρχεται από την περιοχής της Θεσσαλονίκης. Στόχος των παράλληλων μετρήσεων είναι η σύγκριση των ταυτόχρονων επίγειων και δορυφορικών δεδομένων στην περιοχή της Θεσσαλονίκης. Η σύγκριση αυτή έχει ήδη πραγματοποιηθεί για τις διαθέσιμες μετρήσεις του THELISYS ως τον Ιούλιο του 2007, με τα δεδομένα επιπέδου 1 του CALIPSO [Balis et al.,2008; Balis et al.,2007 ]. Στην παρούσα διπλωματική εργασία η σύγκριση θα γίνει με τα δεδομένα επιπέδου 2 του CALIPSO για τον συντελεστή εξασθένησης, οπισθοσκέδασης και το λόγο lidar. Για το χρονικό διάστημα 2006-2009 χρησιμοποιήθηκαν 42 ταυτόχρονες μετρήσεις για την σύγκριση του συντελεστή οπισθοσκέδασης και 14 για τον συντελεστή εξασθένησης και το λόγο lidar. Τελικά χρησιμοποιήθηκαν οι ταυτόχρονες μετρήσεις που πάρθηκαν σε ανέφελες συνθήκες. 2. LIDAR Το όργανο lidar, του οποίου το όνομα προκύπτει από το ακρωνύμιο Light detection and ranging, μας προσφέρει μια μέθοδο τηλεπισκόπησης, βάσει της οποίας μετράμε το αποτέλεσμα της αλληλεπίδρασης του φωτός με τα συστατικά της ατμόσφαιρας. Τα συστήματα lidar, λόγω της μεγάλης χωρικής και χρονικής ακρίβειάς τους, βρίσκουν πολλές εφαρμογές στη μελέτη της ατμόσφαιρας, όπως είναι η καταγραφή των μορίων και των σωματιδίων της ατμόσφαιρας, ο προσδιορισμός της υγρασίας και της θερμοκρασίας της ατμόσφαιρας, αλλά και η μέτρηση της ταχύτητας του ανέμου. Τα συστήματα lidar αποτελούνται από ένα σύνολο οργάνων που χρησιμοποιούνται για την εκπομπή δέσμης laser, την καταγραφή του σήματος καθώς και την επεξεργασία των μετρήσεων. Τα υποσυστήματα ενός lidar είναι μία πηγή laser, ως επί το πλείστον παλμικής λειτουργίας, μια διάταξη οπτικών για την εκπομπή και ευθυγράμμιση της δέσμης laser, ένα 6

σύστημα υποδοχής της οπισθοσκεδαζόμενης ακτινοβολίας, ένας ανιχνευτής και ένα ηλεκτρονικό σύστημα για την επεξεργασία, απεικόνιση και αποθήκευση των μετρήσεων. Ανάλογα με την εφαρμογή του lidar τα χαρακτηριστικά των παραπάνω υποσυστημάτων διαφέρουν και προσαρμόζονται στην φύση της μετρούμενης παραμέτρου. 2.1 Αρχή λειτουργίας Η τεχνική lidar βασίζεται στην εκπομπή παλμικής ακτινοβολίας laser στην ατμόσφαιρα και ακολούθως στην καταγραφή της οπισθοσκέδασής της από τα μόρια και τα σωματίδια της ατμόσφαιρας καθώς και στην μέτρηση του χρόνου που μεσολαβεί ανάμεσα στην εκπομπή της δέσμης laser και τη λήψη του σήματος. Ο χρόνος αυτός προσδιορίζει την απόσταση μεταξύ του εκπομπού και του σκεδαστή. Τα βασικά φαινόμενα που λαμβάνουν χώρα κατά την αλληλεπίδραση του φωτός με τη δέσμη laser και τα συστατικά της ατμόσφαιρας είναι: απορρόφηση, φθορισμός, σκέδαση, εξασθένηση, οπισθοσκέδαση, ελαστική σκέδαση (σκέδαση Rayleigh, σκέδαση Mie), μη ελαστική σκέδαση (σκέδαση Raman), αποπόλωση. Τα οπτικά φαινόμενα στα οποία στηρίζεται η αρχή λειτουργίας του THELISYS και του lidar του δορυφόρου CALIPSO είναι η ελαστική σκέδαση Rayleigh, η ελαστική σκέδαση Mie και η αποπόλωση. Αποπόλωση είναι η μερική οπισθοσκέδαση γραμμικά πολωμένης δέσμης φωτός στο κάθετο ή στο παράλληλο επίπεδο πόλωσης στη διεύθυνση διάδοσης της δέσμης. Επιπλέον στις νυκτερινές μετρήσεις του lidar του THELISYS καταγράφεται το φαινόμενο της σκέδασης Raman (ανελαστική σκέδαση). Ο μαθηματικός φορμαλισμός που περιγράφει την απορρόφηση και την ελαστική σκέδαση του φωτός που προσπίπτει σε μια σφαίρα ορίζεται από τη θεωρία Mie. Ωστόσο έχει επικρατήσει ο όρος να αναφέρεται στην σκέδαση ακτινοβολίας με μήκος κύματος συγκρινόμενο με το μέγεθος της σφαίρας που την σκεδάζει. Επειδή στη θεωρία Mie σημαντικό ρόλο παίζει το μέγεθος του σκεδάζοντος σωματιδίου σε σχέση με το μήκος κύματος της ακτινοβολίας που προσπίπτει πάνω σε αυτό, ορίζεται η παράμετρος μεγέθους α του σωματιδίου που σκεδάζει: 7, όπου D p η διάμετρος του σωματιδίου και λ το μήκος κύματος. Η ένταση της σκεδαζόμενης ακτινοβολίας σε μία γωνία σκέδασης εξαρτάται από το παράμετρο, αλλά και από το μιγαδικό δείκτη διάθλασης,. Η σκέδαση από πολύ μεγάλα σωματίδια δεν εξαρτάται από το μήκος κύματος και ακολουθεί τους κανόνες της γεωμετρικής οπτικής της ανάκλασης, της διάθλασης και της περίθλασης. Στη σκέδαση Μie όπου η φασματική εξάρτηση της έντασης της σκεδαζόμενης ακτινοβολίας ποικίλει ανάλογα με το μέγεθος των σωματιδίων και των άλλων παραμέτρων της ατμόσφαιρας γεγονός που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να αντλήσουμε πληροφορίες σχετικά με αυτούς τους παράγοντες. Η σκέδαση Rayleigh που συμπεριλαμβάνεται στη θεωρία της σκέδασης Μie, είναι η ελαστική σκέδαση της ακτινοβολίας από σωματίδια που έχουν διάμετρο σχετικά πολύ μικρότερη από το μήκος κύματος της σκεδαζόμενης ακτινοβολίας, δηλαδή ισχύει. Για τα μήκη κύματος της πηγής laser ενός lidar ελαστικής οπισθοσκέδασης, η σκέδαση Rayleigh προέρχεται από τα μόρια της ατμόσφαιρας, δηλαδή από το άζωτο (Ν 2 ) και το οξυγόνο (Ο 2 ) που αποτελούν το 99% της γήινης ατμόσφαιρας. Η ένταση της σκεδαζόμενης ακτινοβολίας Rayleigh είναι αντιστρόφως ανάλογη της τέταρτης δύναμης του μήκους κύματος της ακτινοβολίας. Κατά τη σκέδαση Mie η κβαντική κατάσταση του μορίου που αλληλεπιδρά με την πηγή φωτός δεν μεταβάλλεται και γι αυτό δεν έχουμε αλλαγή του μήκους κύματος της σκεδαζόμενης ακτινοβολίας.

Από την άλλη μεριά, η σκέδαση Raman είναι η διαδικασία ανελαστικής σκέδασης η οποία περιλαμβάνει την αλλαγή του επιπέδου ενέργειας περιστροφής/ταλάντωσης του μορίου. Η αλλαγή αυτή του επιπέδου ενέργειας μεταξύ της αρχικής και της τελικής κατάστασης του μορίου αντιστοιχεί στην αλλαγή συχνότητας της σκεδαζόμενης ακτινοβολίας. Στην αλλαγή του ενεργειακού επιπέδου ταλάντωσης του μόριου, που προκαλεί σκέδαση Raman, αντιστοιχεί η αλλαγή της συχνότητας από μερικές εκατοντάδες μέχρι μερικές χιλιάδες κυματάρυθμους του σκεδαζόμενου φωτός. Εκμεταλλευόμενοι τις παραπάνω αλληλεπιδράσεις του φωτός με την ύλη υπολογίζουμε την κατακόρυφη κατανομή των σωματιδίων κάνοντας τη σύμβαση ότι η οπισθοσκεδαζόμενη ακτινοβολία που καταγράφεται προκύπτει από απλή σκέδαση. Στην πραγματικότητα όμως, ένα φωτόνιο μπορεί να σκεδαστεί πολλές φορές πριν φθάσει στο τηλεσκόπιο στου συστήματος, ειδικά όταν η συγκέντρωση των σωματιδίων είναι υψηλή και έχουν μεγάλο μέγεθος, όπως στην περίπτωση των νεφών. 2.2 Το σύστημα lidar THELISYS του Εργαστηρίου Φυσικής της Ατμόσφαιρας (ΕΦΑ) Το THELISYS είναι η πρώτη διάταξη lidar που λειτούργησε στην Ελλάδα και τέθηκε για πρώτη φορά σε λειτουργία το 1994. Ο σχεδιασμός της έγινε από τον Δρ. Α. Παπαγιάννη [Papayannis et al., 1994; Papayannis, 1995]. Η διάταξη εγκαταστάθηκε στην ταράτσα του κτιρίου της Σχολής Θετικών Επιστημών του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης (ΑΠΘ), με υψόμετρο 50m και γεωγραφικές συντεταγμένες: 40.5 ο Ν, 22.9 ο Ε. Σκοπός των μετρήσεων με τη διάταξη αυτή είναι η μελέτη των διαφόρων στρωμάτων της κατώτερης τροπόσφαιρας χρησιμοποιώντας τις ιδιότητες της ελαστικής σκέδασης από τα μόρια και τα αιωρούμενα σωματίδια της ατμόσφαιρας. Τον Ιανουάριο του 2001 η διάταξη αναβαθμίστηκε σε lidar οπισθοσκέδασης-raman, με διπλή δέσμη εκπομπής στα 355nm και στα 532nm και δυνατότητα ανίχνευσης των δύο ελαστικά οπισθοσκεδαζόμενων ακτινοβολιών στα 355nm και 532nm, καθώς και της ακτινοβολίας των 387nm η οποία προέρχεται από την οπισθοσκέδαση Raman της ακτινοβολίας των 355nm από το ατμοσφαιρικό άζωτο. Από τoν Απρίλιο του 2008, δόθηκε η δυνατότητα της μέτρησης της ακτινοβολίας των 607nm η οποία προέρχεται από την οπισθοσκέδαση Raman της δέσμης laser των 532nm από το ατμοσφαιρικό άζωτο. H πηγή laser του THELISYS είναι ένα παλμικό laser στερεάς κατάστασης Nd:Yag (Νeodymiumdoped Yttrium Aluminium Garnet) της Quanta-Ray GCR-150, το οποίο εκπέμπει ακτινοβολία στα 1064nm. Με την παρεμβολή στη δέσμη ενός μη γραμμικού κρυστάλλου KD*P (potassium dideuterium phosphate), έχουμε την ταυτόχρονη εκπομπή της δεύτερης αρμονικής συχνότητας στα 532nm (SHG, second harmonic generation) και εκπομπή της τρίτης αρμονικής συχνότητας στα 355nm (THG, third harmonic generation). Με αυτό τον τρόπο η εκπεμπόμενη ακτινοβολία laser αντιστοιχεί σε τρεις περιοχές του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος, το κοντινό υπέρυθρο, το ορατό και το υπεριώδες. Τα τεχνικά χαρακτηριστικά της πηγής του laser συνοψίζονται στον πίνακα 1. 8

Παράμετρος 1064 nm 532 nm 355 nm 1064 nm 532 nm 355 nm 1064 nm 532 nm 355 nm Συχνότητα επανάληψης Διάμετρος δέσμης Απόκλιση δέσμης Τιμές Εκπεμπόμενη Ενέργεια [mj] 320 200 120 Εύρος παλμού [ns] 8-9 6-7 5-6 Επίπεδο πόλωσης Οριζόντιο Κατακόρυφο Οριζόντιο 10 Ηz 9 mm <0.5 στο 86% της ενέργειας Πίνακας 1: Τεχνικά χαρακτηριστικά του Nd:Yag laser, Quanta-Ray GRC-150. [Πηγή: Γιαννακάκη, 2009] Στο THELISYS χρησιμοποιούνται για την τηλεπισκόπηση των αιωρούμενων σωματιδίων μόνο η πρώτη και η δεύτερη αρμονική της πηγής laser. Οι εκπεμπόμενες δέσμες διαχωρίζονται με την βοήθεια ειδικών διατάξεων διαχωρισμού δέσμης (beam plitters) που αποτελούνται από ένα σύνολο διχρωϊκών καθρεφτών με συγκεκριμένες ιδιότητες ως προς την ανακλαστικότητα και την διαπερατότητά τους όπως φαίνεται στην εικόνα 1. Οι εξερχόμενες δέσμες εκπέμπονται κατακόρυφα στην ατμόσφαιρα και παράλληλα με τον άξονα του τηλεσκοπίου. Μία τέτοιου τύπου διάταξη ονομάζεται διαξονική. Η τελική ευθυγράμμιση των δεσμών στα 532nm και στα 355nm, για την επίτευξη της παραλληλίας ανάμεσα στον οπτικό τους άξονα και τον μηχανικό άξονα του τηλεσκοπίου, γίνεται με προσαρτημένους οδηγούς ελέγχου της κλίσης των καθρεφτών 11 και 12 της εικόνας 1. 9

Εικόνα 1: Οπτική τράπεζα για την εκπομπή των δεσμών 355 και 532nm. [Πηγή: Γιαννακάκη, 2009] Για την συλλογή της οπισθοσκεδαζόμενης ακτινοβολίας χρησιμοποιείται ένα Νευτώνειο τηλεσκόπιο με παραβολικό κάτοπτρο. Το κάτοπτρο αυτό έχει διάμετρο 0.5m και είναι επιστρωμένο με διφθορούχο μαγνήσιο (MgF2), στο οποίο οφείλεται η ανακλαστικότητα τού, καθώς και με διοξείδιο του πυριτίου (SiΟ2) με το οποίο προστατεύεται. Η τελική ανακλαστικότητά του τηλεσκοπίου στα 355nm είναι ίση με 98.3%, στα 387nm ίση με 96.2% και στα 532nm ίση με 90.5 %. Η συλλεγόμενη ακτινοβολία κατευθύνεται προς την διάταξη ανίχνευσης του lidar με τη βοήθεια ενός παρεμβαλλόμενου επίπεδου κάτοπτρου. Η ακτινοβολία που συλλέγεται από το οπτικό τηλεσκόπιο οδηγείται στο κιβώτιο ανίχνευσης μέσω ενός διαφράγματος διαμέτρου 5mm και ενός φακού για τη δημιουργία παράλληλης φωτεινής δέσμης. Τελικά, το γωνιακό άνοιγμα του τηλεσκοπίου υπολογίζεται από το πηλίκο της διαμέτρου τού παραπάνω διαφράγματος (5mm) και της εστιακής απόστασης του τηλεσκοπίου (5000mm), ίσο με 1mrad. Αφού η συλλεγόμενη ακτινοβολία φτάσει στο κιβώτιο ανίχνευσης, διαχωρίζεται φασματικά στα 355nm και 532nm, καθώς και στην ακτινοβολία Raman στα 387nm και 607nm μέσω ενός συστήματος διχρωϊκών κάτοπτρων. Κάθε φασματικά διαχωρισμένη ακτινοβολία φιλτράρεται από μία συστοιχία, πριν οδηγηθεί στον αντίστοιχο φωτοανιχνευτή. Κάθε συστοιχία αποτελείται από έναν φακό εστίασης, ένα φίλτρο συμβολής και δύο φασματικά φίλτρα (δεν συμπεριλαμβάνονται στη συστοιχία των 387nm και των 607nm). Το φασματικό εύρος και το κεντρικό μήκος κύματος των φίλτρων συμβολής είναι ειδικά επιλεγμένα ώστε να αποκόπτονται όλα τα μήκη κύματος εκτός του επιθυμητού και έτσι να αυξάνεται σημαντικά ό λόγος σήματος προς θόρυβο [Signal to Noise Ratio SNR]. 10

Μήκος Κύματος [nm] Διαπερατότητα [%] 355 12.5 1.0 387 78.0 3.0 532 44.6 0.15 607 77.2 3.0 Φασματικό Εύρος [nm] Πίνακας 2: Οπτικά χαρακτηριστικά φίλτρων συμβολής. [Πηγή: Γιαννακάκη, 2009] Για την ανίχνευση των σημάτων χρησιμοποιούνται τέσσερις φωτοπολλαπλασιαστές (R7400U της Hamamatsu, www.hamamatsu.com). Η φωτοκάθοδος των φωτοπολλαπλασιαστών είναι πολυαλκαλική [Na K Sb Cs] και έχει γρήγορη απόκριση στα αντίστοιχα μήκη κύματος. Ο ολικός πολλαπλασιαστικός παράγοντας των φωτοπολλαπλασιαστών είναι της τάξεως των 800V. Η πλέον ενδεδειγμένη τάση λειτουργίας τους, βάσει πειραματικών δοκιμών, είναι 700V για τα 355nm, 850V για τα 532nm και 870V για τα 387nm και τα 607nm, όταν το laser λειτουργεί σε ένταση l = 9.0. Τα σήματα lidar καταγράφονται με δύο μεθόδους. Η πρώτη είναι η αναλογική μέθοδος (analog detection mode) στην οποία ο παλμός εξόδου του φωτοπολλαπλασιαστή καταγράφεται σαν ρεύμα εξόδου. Η δεύτερη μέθοδος είναι η τεχνική της καταμέτρησης φωτονίων (photon counting detection mode) στην οποία καταγράφονται τα παραγόμενα από τον φωτοπολλαπλασιαστή φωτοηλεκτρόνια. Η τεχνική καταμέτρησης φωτονίων είναι πιο αξιόπιστη από την αναλογική μέθοδο ως προς τον λόγο ρεύματος-θορύβου (SNR) και τη σταθερότητά του παραγόμενου σήματος. Όμως η εφαρμογή της τεχνικής καταμέτρησης φωτονίων είναι εφικτή μόνο στην περίπτωση που τα προσπίπτοντα φωτόνια στη φωτοκάθοδο του φωτοπολλαπλασιαστή καταφθάνουν με χαμηλούς σχετικά ρυθμούς, ώστε τα παραγόμενα φωτοηλεκτρόνια να είναι χρονικά διακριτά και ανιχνεύσιμα ένα προς ένα. Το καταγραφικό του THELISYS έχει τη δυνατότητα να εκτελεί ταυτόχρονα την αναλογική καταγραφή στα 355 και 532nm, και την καταμέτρηση φωτονίων στα 355, 387, 532 και 607nm. Το πλεονέκτημα αυτό δίνει τη δυνατότητα να αποφεύγεται ο κορεσμός του σήματος στις κοντινές αποστάσεις, έως περίπου τα 2km, όπου το σήμα είναι μεγάλης έντασης και προτιμάται η αναλογική καταγραφή, ενώ διατηρείται η ευαισθησία του συστήματος στην καταγραφή πιο αδύναμων σημάτων από μεγάλες αποστάσεις, στα 10-12km, όπου και προτιμάται η καταγραφή φωτονίων. Η βέλτιστη χωρική ανάλυση που επιτυγχάνεται κατά την αναλογική καταγραφή είναι 7.5m, ενώ κατά την καταγραφή φωτονίων 15m. Το κατώτερο όριο διακριτότητας, το οποίο καθορίζει την ένταση του σήματος που αναμένεται να προέρχεται από την οπισθοσκέδαση των παλμών laser και όχι από ηλεκτρονικό θόρυβο, καθορίστηκε ίσο με 9 σε όλα τα κανάλια λήψης. Τέλος, κατά την λειτουργία του ανιχνευτικού συστήματος καταμέτρησης φωτονίων, πρέπει να ληφθεί υπόψη η χρονική διακριτική ικανότητα του συστήματος φωτοπολλαπλασιαστή-καταγραφικού, που για το THELISYS είναι της τάξης των 8nsec. Ο χρόνος αυτός αντιστοιχεί σε ρυθμό ανίχνευσης 125MHz. Στην περίπτωση ανίχνευσης μεγάλης ροής φωτονίων θα πρέπει να διορθωθεί το σήμα λόγω του φαινομένου του «νεκρού χρόνου». Στο THELISYS η διόρθωση του σήματος που λήφθηκε με 11

τη μέθοδο της καταμέτρησης φωτονίων, γίνεται σύμφωνα με την επαναληπτική μέθοδο διόρθωσης του νεκρού χρόνου, βάσει της σχέσης:, όπου, ο καταγεγραμμένος αριθμός φωτονίων,, ο πραγματικός αριθμός φωτονίων, και, ο «νεκρός χρόνος» κατά τη καταμέτρηση [Γιαννακάκη, 2009]. Μετά την καταγραφή των μετρήσεων lidar, τα πρωτογενή δεδομένα αποθηκεύονται σε έναν ηλεκτρονικό υπολογιστή για περαιτέρω χρήση και επεξεργασία. Στη συνέχεια ο προσδιορισμός των οπτικών ιδιοτήτων των αιωρούμενων σωματιδίων βασίζεται στην επίλυση των δύο εξισώσεων lidar: ( λ ) Ε λ ( λ )β( λ ) ( λ ) [1] ( λ ) Ε ( λ )β ( λ ) ( λ ) ( λ ) [2] Η εξίσωση [1] περιγράφει το επιστρεφόμενο σήμα εξαιτίας της ελαστικής οπισθοσκέδασης από τα μόρια και τα σωματίδια του αέρα [Fernald et al., 1972] ενώ η εξίσωση [2] περιγράφει το επιστρεφόμενο σήμα εξαιτίας της ανελαστικής οπισθοσκέδασης Raman από τα μόρια [Ansmann et al., 1992]. Ο όρος P (z,λ 0 ) είναι το σήμα εξαιτίας της σκέδασης Rayleigh και της σκέδασης από τα αιωρούμενα σωματίδια που λαμβάνεται από το ύψος z και στο μήκος κύματος λ 0. Ο όρος P(z, λ Ra ) είναι το σήμα εξαιτίας της σκέδασης Raman των μορίων στο μήκος κύματος λ Ra. Το μήκος κύματος λ Ra περιγράφει την αλλαγή του μήκος κύματος που συμβαίνει εξαιτίας της ανελαστικής σκέδασης της ακτινοβολίας από τα μόρια (άζωτο ή οξυγόνο). Ο όρος E 0 είναι η εκπεμπόμενη ισχύς του παλμού του laser. Οι όροι και περιέχουν παραμέτρους που αφορούν την διάταξη lidar και περιγράφουν την αποδοτικότητα των οπτικών και ανιχνευτικών διατάξεων στα μήκη κύματος λ 0 και λ Ra, αντίστοιχα. Οι όροι O (z,λ 0 )και O(z, λ Ra ) περιγράφουν την συνάρτηση αλληλεπικάλυψης της εξερχόμενης δέσμης. Ο συντελεστής ( ) ( ) ( ) εκφράζει την ελαστική οπισθοσκέδαση από τα μόρια και τα σωματίδια της ατμόσφαιρας στο μήκος κύματος λ 0. Ο όρος β Ra (z, λ Ra ) περιγράφει την ανελαστική σκέδαση από τα μόρια. Οι όροι a(z, λ 0 ) = [a par (z, λ 0 ) + a mol (z,λ 0 )] και a(z, λ Ra ) = [a par (z, λ Ra ) + a mol (z,λ Ra )] είναι οι συντελεστές εξασθένησης στα μήκη κύματος λ 0 και λ Ra αντίστοιχα. Ο όρος a(z,λ 0 ) περιγράφει την εξασθένηση της ακτινοβολίας κατά την διαδρομή της μέσα στην ατμόσφαιρα από κάτω προς τα πάνω. Η ίδια εξασθένηση λαμβάνει χώρα και κατά την επιστροφή της ακτινοβολίας από πάνω προς τα κάτω όπως φαίνεται στην εξίσωση [1]. Στην περίπτωση της εξίσωσης [2], ο όρος a(z,λ Rα ) περιγράφει την εξασθένηση του φωτός κατά την επιστροφή στο σύστημα λήψης. Ο συντελεστής εξασθένησης των αιωρούμενων σωματιδίων υπολογίζεται από την εξίσωση [2] χρησιμοποιώντας το οπισθοσκεδαζόμενο σήμα από τα μόρια της ατμόσφαιρας. Ο συντελεστής οπισθοσκέδασης β par (z,λ 0 ) μπορεί να υπολογισθεί βάσει της μεθόδου Raman με τη συνδυαστική χρήση του ολικού (μόρια και σωματίδια) και ανελαστικού (μόρια) οπισθοσκεδαζόμενου σήματος. Αν πάρουμε τον λόγο του ελαστικά οπισθοσκεδαζόμενου 12

σήματος από τα σωματίδια της ατμόσφαιρας προς το ανελαστικά οπισθοσκεδαζόμενο σήμα από το άζωτο σύμφωνα με τις δύο διαφορικές εξισώσεις lidar [1] και [2] μπορούμε να υπολογίσουμε τον συντελεστή οπισθοσκέδασης στο μήκος κύματος εκπομπής. Στην περίπτωση όπου είναι γνωστή η ολικά οπισθοσκεδαζόμενη ακτινοβολία χωρίς να γίνεται διάκριση μεταξύ της συνεισφοράς των μορίων και σωματιδίων εφαρμόζουμε την μέθοδο κατά klett [Fernald, 1972; Klett, 1981; Fernald, 1984; Sasano et al., 1985; Bösenberg, 1997]. Η πιο κρίσιμη παράμετρος κατά την επίλυση με την μέθοδο klett είναι η σωστή υπόθεση της σχέσης μεταξύ του συντελεστή εξασθένησης και οπισθοσκέδασης. 3. EARLINET Το THELISYS συμμετέχει στο ευρωπαϊκό δικτύο lidar EARLINET (European Aerosol Research LIdar NETwork) [Bösenberg et al., 2003] που είναι το πρώτο δίκτυο lidar σε ηπειρωτική κλίμακα και στοχεύει στην καταγραφή της χωρικής και χρονικής κατανομής των αιωρούμενων σωματιδίων στην Ευρώπη, με τη χρήση τεχνικών lidar (http://www.earlinet.org). Το πρόγραμμα αυτό ξεκίνησε τον Μάιο του 2000 με στόχο τη δημιουργία μιας ευρείας βάσης δεδομένων, με περιεκτικά, ποσοτικά και στατιστικά στοιχεία για τη διασπορά των σωματιδίων σε ηπειρωτική κλίμακα. Αποτέλεσμα των μακροχρόνιων μετρήσεων είναι η δημιουργία της μεγαλύτερης βάσης δεδομένων για τη διασπορά αιωρούμενων σωματιδίων και του lidar ratio σε ηπειρωτικό επίπεδο [Pappalardo et al, 2010]. Στο πλαίσιο λειτουργίας του EARLINET, έχουν αναπτυχθεί αλγόριθμοι ανάκτησης για τις μικροφυσικές ιδιότητες των αιωρούμενων σωματιδίων, όπως η ενεργός ακτίνα, η συγκέντρωση επιφάνειας και όγκου, το πραγματικό και φανταστικό μέρος του δείκτη διάθλασης. Πλέον συμμετέχουν 27 σταθμοί lidar στο δίκτυο EARLINET που ακολουθούν τη στρατηγική λειτουργίας του και συνεισφέρουν στη βάση δεδομένων. Οι σταθμοί αυτοί ακολουθούν εβδομαδιαίο πρόγραμμα, βάσει του οποίου πραγματοποιούν δυο βραδινές μετρήσεις στις οποίες η φωτεινότητα είναι χαμηλή και μία μεσημεριανή στην οποία το οριακό στρώμα είναι πλήρως ανεπτυγμένο. Επιπλέον μετρούν κατά τη διάρκεια ειδικών γεγονότων, όπως ενός επεισοδίου Σαχάρας, μίας δασικής πυρκαγιάς, μίας ηφαιστειακής έκρηξης και της εμφάνισης φωτοχημικού νέφους. 13

Εικόνα 2: Οι σταθμοί του Ευρωπαϊκού δικτύου EARLINET. [Πηγή: Pappalardos, 2010] Η διασφάλιση της ποιότητας των δεδομένων από τους σταθμού lidar του EARLINET, γίνεται με την σύγκριση των οργάνων με μεταφερόμενο σύστημα [Matthias et al., 2004]. Στο πλαίσιο της διασφάλισης της ποιότητας γίνεται σύγκριση των λογαρίθμων ανάκτησης για τα δεδομένα του συντελεστή οπισθοσκέδασης και τα δεδομένα Raman [Βοckmann et al., 2004; Pappalardo et al., 2004]. Με αυτό τον τρόπο τα δεδομένα που προκύπτουν από τους σταθμούς lidar είναι ομοιογενή και με τη μέγιστη δυνατή αξιοπιστία βάσει κοινών προτύπων. Επιπρόσθετος στόχος του δικτύου EARLINET είναι η αξιολόγηση των μετρήσεων lidar του δορυφόρου CALIPSO, μέσω της παραγωγής στατιστικών δεδομένων που προκύπτουν από την σύγκριση ταυτόχρονων επίγειων και δορυφορικών μετρήσεων lidar, σε κοντινές αποστάσεις. Το ερευνητικό αυτό πρόγραμμα (EARLINET-ASOS) γίνεται σε συνεργασία με τον Ευρωπαϊκό Σταθμό Διαστήματος (ESA-European Space Agency). Η σύγκριση των δορυφορικών και των επίγειων μετρήσεων έχει ως σκοπό την βελτίωση των δορυφορικών μετρήσεων και τη μελέτη των αιωρούμενων σωματιδίων και των νεφών χωρικά και χρονικά. Μια τέτοια μελέτη επιτρέπει την γεωγραφική συσχέτιση των ιδιοτήτων των αερολυμάτων και των νεφών. Οι επίγειοι σταθμοί του δικτύου που συμμετέχουν στο παραπάνω εγχείρημα, κάνουν μετρήσεις μια ώρα πριν και μία ώρα μετά από τη στιγμή που ο δορυφόρος περάσει από το κοντινότερο σημείο του σταθμού, μέσα σε μία ακτίνα 100km γύρω από αυτόν. Οι μετρήσεις αυτές χαρακτηρίζονται ως case A και επιτρέπουν την επιτόπου σύγκριση επίγειων και δορυφορικών μετρήσεων. Επιπλέον, χαρακτηρίζουμε ως case Β τις μετρήσεις που 14

καταγράφονται, όταν ο δορυφόρος περάσει σε απόσταση μικρότερη από 100km από γειτονικό σταθμό. Με τις case Β μετρήσεις ερευνούμε ένα ευρύ φάσμα τύπων σωματιδίων και σενάρια μεταφοράς σωματιδίων. Στην περίπτωση του σταθμού lidar της Θεσσαλονίκης του εργαστηρίου ΕΦΑ, case B μετρήσεις παίρνουμε όταν ο CALIPSO περάσει από τους γειτονικού σταθμούς της Αθήνας και της Σόφιας. Οι τρεις αυτοί σταθμοί καλύπτουν την περιοχή της ανατολικής μεσογείου. Τέλος, στην περίπτωση έκτακτων γεγονότων, όπως μίας πυρκαγιά ή ενός επεισοδίου Σαχάρας, γίνονται μετρήσεις που χαρακτηρίζονται case C, ώστε να μελετηθούν συγκεκριμένοι τύποι σωματιδίων. Σε κάθε περίπτωση ο σταθμός ειδοποιείται με e-mail από το δίκτυο. Επιπρόσθετα με τις μετρήσεις, μία σειρά μοντέλων, προγραμμάτων (πχ ΕΜΕP) και παρατηρήσεων από αλλά δορυφορικά όργανα (πχ ΜΟDIS) χρησιμοποιούνται για την ταυτοποίηση του τύπου των σωματιδίων και την πηγή προέλευσής τους. Χαρακτηριστικό της προσπάθειας είναι πως ο Γερμανικός Μετεωρολογικός Σταθμός, εκτιμά δύο φορές την ημέρα τις τετραήμερες οπισθοτροχιές που καταφτάνουν σε έξι ύψη, σε κάθε σταθμό EARLINET και πως το μοντέλο DREAM προβλέπει για τις επόμενες 72 ώρες τη μεταφορά σκόνης από Σαχάρα και την κατακόρυφη κατανομή της σκόνης σε 20 σταθμούς EARLINET. 4. CALIPSO 4.1 Σκοπός Ο δορυφόρος CALIPSO (Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observation), εξοπλισμένος με σύστημα lidar μπήκε σε τροχιά τον Απρίλιο του 2006 και είναι μια κοινή δορυφορική αποστολή των: NASA Larc (Langley Research Center), CNES (Centre National D Etudes Spatiales), Hampton University, IPSL (Institut Pierre Simon Laplace) και BATC (Ball Aerospace and Technologies Corporation). H αποστολή του CALIPSO βασίστηκε πάνω στην εμπειρία της επανδρωμένης δεκαήμερης αποστολής LITE (Lidar In Space Technology Experiment), που ήταν εξοπλισμένη με ένα lidar τριών μηκών κύματος (1064nm, 532nm, 355nm). Το σύστημα LIDAR και το σύνολο των οργάνων του CALIPSO συνδυάζονται και δίνουν δεδομένα για την κατακόρυφη κατανομή των νεφών και των αερολυμάτων στην ατμόσφαιρα, καθώς και των οπτικών και φυσικών τους ιδιοτήτων. Μέσω αυτών των δεδομένων γίνεται ο προσδιορισμός των τύπων των αιωρούμενων σωματιδίων πάνω από ένα μεγάλο εύρος επιφάνειας της γης, ενώ επίσης μπορεί να παρατηρηθεί η εξέλιξη της διασυνοριακής ρύπανσης. Επιπλέον, τα δεδομένα που συλλέγονται από τους δορυφόρους του σχηματισμού A-TRAIN, στον οποίο συμμετέχει ο CALIPSO, δίνουν μια σφαιρική εικόνα της ατμόσφαιρας και των διεργασιών που συμβαίνουν σε αυτή, ενώ οι μετρήσεις από τον CALIPSO μπορεί να βοηθήσουν στη βαθμονόμηση άλλων οργάνων των δορυφόρων του σχηματισμού Α-ΤRAIN. Σκοπόs των μετρήσεων του CALIPSO είναι η σύγκρισή τους και ο συνδυασμός τους με επίγειες μετρήσεις από όργανα lidar και γενικότερα από όργανα που μετρούν τον εξαναγκασμό ακτινοβολίας (Radiative Forcing). Επιπλέον οι μετρήσεις στοχεύουν στο καλύτερο προσδιορισμό της ροής ακτινοβολίας στην επιφάνεια της γης και το ρυθμό 15

θέρμανσης της ατμόσφαιρας καθώς και στη βελτίωση της παραμετροποίησης των μοντέλων που αφορούν την ανάδραση νεφών-κλίματος. 4.2 Α-ΤRAIN Στις 28 Απριλίου του 2006 ο πύραυλος DELTA, στον οποίο ήταν προσαρτημένοι οι δορυφόροι CALIPSO και CloudSat, εκτοξεύτηκε προκειμένου να μπουν στην τροχιά του σχηματισμού Α-ΤRAIN (The Afternoon or "A-TRAIN" satellite constellation). Ο CALIPSO και ο CloudSat είναι ιδιαίτερα συμπληρωματικοί μεταξύ τους και παρέχουν μαζί τρισδιάστατες προοπτικές απεικονίσεις για την εξέλιξη της μορφής των νεφών. Στο σχηματισμός A-TRAIN εκτός από τον CALIPSO και τον CloudSat συμμετείχαν ο Aqua, ο Aura και ο PARASOL, που ήταν ήδη σε τροχιά. Τώρα ο PARASOL έχει μπει σε άλλη τροχιά, μετά από πέντε χρόνια συμμετοχής του στο σχηματισμό Α-ΤRΑΙΝ, και έχουν παραμείνει οι υπόλοιποι τέσσερις δορυφόροι. Αναμένεται να συμμετάσχουν στον A-TRAIN άλλοι τρεις δορυφόροι: ο Glory που προβλεπόταν για το 2011, αλλά απέτυχε προς το παρόν να μπει σε τροχιά (http://glory.gsfc.nasa.gov/), ο GCOM-W1 το 2012 και ο OCO-2 το 2013. Ο OCO απέτυχε να μπει σε τροχιά σε προσπάθεια που έγινε στις αρχές του 2009. Εικόνα 3: Σχηματισμός δορυφόρων Α-Train όπως αναμένεται να διαμορφωθεί μαζί με τους δορυφόρους που δεν έχουν μπει ακόμα σε τροχιά [Πηγή: http://atrain.nasa.gov/intro.php] Κάθε δορυφόρος του A-TRAIN έχει μοναδικές ικανότητες μέτρησης ώστε να συμπληρώνει ο ένας τον άλλον. Ο σχηματισμός έχει τροχιακό ύψος 705 km και κλίση 98 μοιρών. Το Aqua «ηγείται» στον σχηματισμό και διασχίζει τον ισημερινό περίπου στη 1:30ΡΜ. Ο CALIPSO και ο CloudSat παρεμβλήθηκαν στην τροχιά πίσω από το Aqua και απέχουν από αυτόν 1 έως 2 λεπτά, ενώ μεταξύ τους απέχουν από 10 έως 15 δευτερόλεπτα. Έτσι οι ακολουθίες οργάνων σαρώνουν την ίδια περιοχή σχεδόν στην ίδια στιγμή. Αυτή η ικανότητα είναι σημαντική για τη μελέτη των νεφών, τα οποία έχουν διάρκεια ζωής συχνά λιγότερο από 15 16

λεπτά. Κάθε δορυφόρος ολοκληρώνει 14.55 περιστροφές ανά ημέρα με μια διαφορά 24.7 βαθμών γεωγραφικού μήκους μεταξύ κάθε διαδοχικής περιστροφής στον ισημερινό. Τα δεδομένα που συλλέγονται από μια σειρά αισθητήρων που βρίσκονται στο σχηματισμό αυτό επιτρέπουν μεγαλύτερη κατανόηση των διεργασιών που επιδρούν στο κλίμα. Για πρώτη φορά, μετρήσεις των αερολυμάτων, των νεφών, της θερμοκρασίας, της σχετικής υγρασίας και των ροών ακτινοβολίας λαμβάνονται σχεδόν ταυτόχρονα κατά τη διάρκεια όλων των εποχών. Αυτό το σύνολο παρατηρήσεων θα μας επιτρέψει να αντιληφθούμε σε μεγάλη κλίμακα πώς οι ιδιότητες των αερολυμάτων και των νεφών αλλάζουν σε σχέση με τις μεταβαλλόμενες περιβαλλοντικές συνθήκες. Επιτρέπει επιπλέον να αντιληφθούμε το πώς οι μεταβολές των νεφών και των αερολυμάτων επηρεάζουν το κλίμα μας με μεγαλύτερη σαφήνεια από πριν. 4.3 Διάταξη CALIPSO Τα όργανα με τα οποία είναι εξοπλισμένος ο CALIPSO, εκτός από το σύστημα LIDAR που ονομάζεται CALIOP (Cloud Aerosol Lidar with Orthogonal Polarization), είναι ένα υπέρυθρο ραδιόμετρο-iir (Imaging Infrared Radiometer) και μία κάμερα ευρέως οπτικού πεδίου-wfc (Wide Field Camera). Και τα τρία όργανα είναι ευθυγραμμισμένα και προσανατολισμένα στο ναδίρ και σχεδιασμένα ώστε να λειτουργούν αυτόνομα. Τα δεδομένα αποστέλλονται στους επίγειους σταθμούς με τον πομπό X-Band με τον οποίο είναι εξοπλισμένος ο δορυφόρος. Ο έλεγχος λειτουργίας των τριών κύριων οργάνων του δορυφόρου και του πομπού X-BAND καθώς και η επεξεργασία των δεδομένων γίνονται από τον ελεγκτή του συστήματος (Payload Controller). Εικόνα 4: Aπεικόνιση του εξοπλισμού του CALIPSO. [Πηγή: http://www.nasa.gov/mission_pages/calipso/spacecraft/index.html] Το CALIOP μας δίνει πληροφορίες για την χωρική διασπορά των σωματιδίων με κατακόρυφη ανάλυση σε όλη την υδρόγειο καθώς και κατακόρυφη κατανομή του συντελεστή εξασθένησης. Επιπλέον δίνει τη δυνατότητα καθορισμού και διάκρισης των αερολυμάτων σε τύπους σωματιδίων καθ ύψος. Το CALIOP επίσης δίνει την κατακόρυφη κατανομή ενιαίων 17

και πολλαπλών στρώσεων διαπερατών σύννεφων και πληροφορίες για το αν αποτελούνται από σταγονίδια νερού ή σωματίδια πάγου. Το Υπέρυθρο Ραδιόμετρο Απεικόνισης IRR και η Κάμερα Ευρέος Οπτικού Πεδίου βοηθούν στον προσδιορισμό της εκπομπής της ακτινοβολίας των νεφών και το ενεργό μέγεθος σωματιδίων. 4.3.1 CALIOP Το σύστημα εκπομπής laser του CALIOP αποτελείται από το υποσύστημα εκπομπής και το υποσύστημα λήψης σήματος. Το υποσύστημα εκπομπής laser του CALIOP περιλαμβάνει δύο Q-switched Nd:YAG laser που λειτουργούν με συχνότητα 20.16Hz και με διάρκεια παλμού 20ns. Κάθε laser εκπέμπει παλμούς ενέργειας 220mJ στα 1064nm και είναι ικανό να παράγει παλμούς ενέργειας 110mJ στα 532nm και στα 1064nm, ταυτόχρονα. Οι εκπεμπόμενες δέσμες εξέρχονται με μεγάλο βαθμό γραμμικής πόλωσης. Για να μειωθεί η γωνιακή απόκλιση της εκπεμπόμενης δέσμης laser χρησιμοποιούνται διευρυντές δέσμης (beam expander), έτσι ώστε τελικά να παράγεται μία δέσμη διαμέτρου 70m στην επιφάνεια της γης. Από τα δύο laser λειτουργεί ένα τη φορά. Κάθε laser είναι τοποθετημένο σε σφραγισμένο μεταλλικό κουτί γεμάτο με ξηρό αέρα σε πίεση ελαφρώς μεγαλύτερη από την ατμοσφαιρική. Μέσα σε αυτό το κουτί υπάρχουν επίσης μετρητές της ενέργειας των παλμών και των δύο laser. Τα χαρακτηριστικά του υποσυστήματος εκπομπής του CALIOP περιγράφονται στο πίνακα 3: Πηγή laser Μήκη κύματος Ενέργεια Παλμού Συχνότητα Επανάληψης Διάμετρος τηλεσκοπίου Αποπόλωση Απόκλιση δέσμης Διάμετρος ίχνους Μήκος παλμού Οριζόντια ανάλυση Κατακόρυφη ανάλυση Χαρακτηριστικά CALIOP Nd: YAG, diode-pumped, Q-switched 1064 nm, 532 nm 110 mj / κανάλι 20.25 Hz 1 m 532 nm 130mrad 100 m 20nsec 333 m 30-60 m Πίνακας 3: Χαρακτηριστική του υποσυστήματος εκπομπής του http://www-calipso.larc.nasa.gov/about/payload.php] CALIOP. [Πηγή: Εκτός από το υποσύστημα εκπομπής δέσμης laser η διάταξη του CALIOP αποτελείται και από το υποσύστημα λήψης σήματος το οποίο απαρτίζεται από τηλεσκόπιο, οπτικό σύστημα καθοδήγησης, ανιχνευτές, ενισχυτές και ευθυγραμμιστές, όλα τοποθετημένα σε μία σταθερή βάση. Το τηλεσκόπιο είναι θερμικά μονωμένο από την βάση, είναι κατασκευασμένο από βηρύλλιο και έχει διάμετρο 1m. Επίσης τα οπτικά μέρη του συστήματος αποτελούνται όλα από βηρύλλιο προκειμένου να είναι ελαφρά και για να 18

ελαχιστοποιηθεί η επίδραση των θερμοκρασιακών διαφορών. Μία λεπτή επίστρωση αποτρέπει τον άμεσο ηλιακό φωτισμό των καθρεφτών. Ένα διάφραγμα στην εστίαση του τηλεσκοπίου καθορίζει το οπτικό πεδίο των δεκτών στα 130 mrad (πλήρης γωνία) και απορρίπτει το περιπλανώμενο φως. Ένα διάφραγμα με κινητό μηχανισμό μπλοκάρει το φως ώστε να μετρηθεί το ρεύμα σκότους και επιτρέπει στον αποπολωτή να τοποθετηθεί κάθετα στη δέσμη των 532nm ώστε να μετρηθεί η αποπόλωση της δέσμης laser. Ένας διαχωριστής δέσμης διαχωρίζει την οπισθοσκεδάζουσα δέσμη των 532nm σε κάθετη και οριζόντια πόλωση. Ένα στενού φασματικού εύρους etalon χρησιμοποιείται, σε συνδυασμό με ένα διηλεκτρικό φίλτρο παρέμβασης στο κανάλι 532nm, για να μειώσει το υπόβαθρο του ηλιακού φωτός, ενώ ένα φίλτρο παρέχει την ικανοποιητική ηλιακή απορρόφηση για το κανάλι των 1064nm. Οι διατάξεις φωτοπολλαπλασιαστών (PMTs), που χρησιμοποιούνται για την ανίχνευση των 532nm, παρέχουν μεγάλη γραμμική δυναμική περιοχή, πολύ χαμηλό θόρυβο σκότους, καθώς και λογικές κβαντικής απόδοσης. Μία φωτοδίοδος χιονοστιβάδας χρησιμοποιείται (APD) στα 1064nm καθώς οι φωτοπολλαπλασιαστές έχουν χαμηλή κβαντική απόδοση γι αυτό το μήκος κύματος. Μία φωτοδίοδος χιονοστιβάδας έχει καλή δυναμική περιοχή και κβαντική απόδοση, αλλά ο θόρυβος σκότους είναι μεγαλύτερος από ό τι στις διατάξεις φωτοπολλαπλασιαστών. Επομένως, το κανάλι καταγραφής των 532nm είναι πιο ευαίσθητο. Η διάταξη του CALIOP φαίνεται και στο παρακάτω σχήμα της εικόνας 5: Εικόνα 5: Σχηματική απεικόνιση των υποσυστήματος λήψης σήματος του CALIOP [Πηγή: Winker et al., 2006] Ο μηχανισμός του CALIOP βρίσκεται πάνω σε μία βάση σε σχήμα T, όπως φαίνεται και στην εικόνα 6 που διασφαλίζει τη σταθερότητα της συσκευής. Το υλικό της βάσης αποτελείται 19

από γραφίτη και άνθρακα που παρέχει μια μηχανικά και θερμικά σταθερή δομή. Το laser βρίσκεται στη κορυφή της μιας πλευράς της βάσης ενώ το τηλεσκόπιο λήψης οπισθοσκεδαζόμενου σήματος βρίσκεται στην άλλη πλευρά της. Τo σύστημα εκπομπής της ακτίνας laser είναι προσαρτημένο πάνω στη βάση με ένα μηχανισμό που μπορεί με ακρίβεια να στοχεύει. Εικόνα 6: Μηχανισμός διάταξης CALIOP. [Πηγή: Winker et al., 2006] 4.3.2 Υπέρυθρο Ραδιόμετρο Απεικόνισης (IRR) Ο CALIPSO είναι επίσης εξοπλισμένος με ένα υπέρυθρο ραδιόμετρο απεικόνισης τριών καναλιών (IIR) κατασκευασμένο από τη CNES ενώ η ανάπτυξη του αλγορίθμου γίνεται από το ίδρυμα Pierre Simon Laplace (IPSL) στο Παρίσι. Το υπέρυθρο ραδιόμετρο είναι ένας σταθερός απεικονιστής στο ναδίρ και έχει πεδίο όρασης με έκταση 64km επί 64km. Κάθε 1km της έκτασης αντιστοιχεί σε ένα pixel. Η ακτίνα του CALIOP ευθυγραμμίζεται με το κέντρο της εικόνας του IIR. Το όργανο χρησιμοποιεί μια ενιαία σειρά ανιχνευτών χαμηλής τάσης και μια περιστρεφόμενη ρόδα φίλτρων που παρέχει μετρήσεις σε τρία κανάλια στη θερμική υπέρυθρη περιοχή με μήκη κύματος 8.7mm, 10.5mm και 12.0mm. Αυτά τα μήκη κύματος επιλέχτηκαν για την καλύτερη παράλληλη αποτύπωση του ρυθμού εκπομπής ενέργειας των λεπτών νεφών και των σωματιδίων, από το υπέρυθρο ραδιόμετρο και τον CALIOP. Characteristics IIR wavelengths: 8.65 µm, 10.6 µm, 12.0 µm spectral resolution: 0.6 µm - 1.0 µm IFOV/swath: 1 km/64 km NETD at 210K: 0.3K calibration: +/- 1K data rate: 44 kbps Πίνακας 4: Χαρακτηριστικά που υπέρυθρου ραδιόμετρου. [Πηγή: http://wwwcalipso.larc.nasa.gov/about/payload.php] 20

4.3.3 Κάμερα Ευρέος Οπτικού Πεδίου-WFC Η κάμερα ευρέος οπτικού πεδίου (WFC) είναι μια τροποποιημένη έκδοση της εμπορικής Ball Aerosopace CT-633 (φωτογραφική μηχανή παρακολούθησης αστεριών). Είναι σταθερή στο ναδίρ σε ένα ενιαίο φασματικό κανάλι που καλύπτει την περιοχή 620-670nm. Η περιοχή αυτή έχει επιλεγεί για να ταιριάξει με τη ζώνη 1 του οργάνου MODIS (MODerate resolution Imaging Spectroradiometer) του δορυφόρου Aqua. Η WFC παρέχει το μετεωρολογικό πλαίσιο για τις μετρήσεις lidar και επιτρέπει ακριβή χωρική καταγραφή των νεφών. Η κάμερα ευρέος οπτικού πεδίου παίρνει δεδομένα μόνο υπό το φως της ημέρας. wavelength: spectral bandwidth: IFOV/swath: data rate: Characteristics WFC 645 nm 50 nm 125 m/61 km 26 kbps Πίνακας 5: Χαρακτηριστικά της κάμερας ευρέος οπτικού πεδίου. [Πηγή: http://wwwcalipso.larc.nasa.gov/about/payload.php] 4.4 Συλλογή δεδομένων και επεξεργασία σήματος Μια σειρά από λειτουργίες πραγματοποιούνται από το όργανο για την μετατροπή του αναλογικού σήματος σε δεδομένα που μπορούν να ληφθούν από τους επίγειους σταθμούς. Οι διαδικασίες αυτές περιλαμβάνουν τον καθορισμό της κατακόρυφης χωρικής πληροφορίας, την αφαίρεση υποβάθρου, την ψηφιοποίηση και τον υπολογισμό μέσων όρων. Η επεξεργασία αυτή έχει δύο αντικρουόμενους στόχους: Ο ένας είναι η αύξηση της χωρικής ανάλυσης και του δυναμικού εύρους του σήματος και ο άλλος η μείωση του όγκου τηλεμετρικών δεδομένων. Εξαιτίας της πλάτυνσης της γης στους πόλους, το ύψος του δορυφόρου από το μέσο ύψος της θάλασσας δεν είναι σταθερό. Το μέγιστο από το ελάχιστο ύψος μπορεί να διαφέρει 21km και η ταχύτητα μεταβολής του μπορεί να φθάσει τα 22m/sec. Προκειμένου να υπολογιστεί ο μέσος όρος των κατακόρυφων κατανομών των δεδομένων επί τόπου στον δορυφόρο, χωρίς παράλληλα να χαθεί η χωρική ανάλυση των 30m, πρέπει να προσαρμοστεί στα δεδομένα χρονομέτρησης, ώστε να διαπιστώνονται οι μεταβολές της απόστασης του δορυφόρου και του μέσου ύψους της θάλασσας. Ο ελεγκτής του συστήματος (payload controller) κάνει επί τόπου εκτίμηση της απόστασης του δορυφόρου από την επιφάνεια της θάλασσας για κάθε παλμό laser που εκπέμπεται. Αυτό πραγματοποιείται με την βοήθεια ενός μοντέλου προσδιορισμού του γεώδους και με την εύρεση της τροχιάς που πραγματοποιείται με σύστημα GPS. Ο χρόνος καταγραφής των δεδομένων στη συνέχεια προσαρμόζεται έτσι ώστε κάθε κατακόρυφη κατανομή να έχει την ίδια υψομετρική καταχώριση σε σχέση με το γεωειδές. 21

Ένα χρονόμετρο ξεκινάει να μετράει όταν εκπέμπεται ο παλμός laser, όπως φαίνεται και στην εικόνα 7. Όταν ο παλμός φθάσει σε ύψος 115km πάνω από το μέσο ύψος της θάλασσας, οι φωτοπολλαπλασιαστές ανίχνευσης ξεκινούν να λειτουργούν για να καταγραφεί το σήμα και στα τρία κανάλια καταγραφής και σταματούν όταν φθάσει 18,5km κάτω από το επίπεδο της θάλασσας. Η συχνότητα καταγραφής του αναλογικού σήματος είναι 10MHz που αντιστοιχεί σε χωρικό διάστημα 15m. Η φωτοδίοδος χιονοστιβάδας στα 1064nm είναι συνεχώς σε λειτουργία. Το δείγμα μετρήσεων που πάρθηκε μεταξύ των 40km και -2km από το μέσο ύψος της θάλασσας στα 532nm και αντίστοιχα μεταξύ 30km και -2km στα 1064km, καταγράφεται και μετατρέπεται σε δεδομένα που μπορούν σταλθούν στους επίγειους σταθμούς. Οι μετρήσεις που καταγράφονται για ύψος πάνω από 60km και κάτω από -11km χρησιμοποιούνται για υπολογισμούς του επιπέδου του DC σήματος. Εικόνα 7: Απεικόνιση της κατακόρυφης καταγραφής δειγμάτων σήματος συναρτήσει του χρόνου. Κάθε δείγμα (samples) αναφέρεται σε κατακόρυφη απόσταση 15 μέτρων [Πηγή: Hostetler et al., 2006] Το ηλιακό υπόβαθρο που μετράται από το όργανο, μπορεί να υπολογιστεί παίρνοντας το σήμα που προέρχεται από τις περιοχές όπου η ατμόσφαιρα είναι καθαρή, οπότε και η οπισθοσκεδαζόμενη ακτινοβολία του laser είναι αμελητέα. Μια τέτοια περιοχή, όπου το 22

σήμα DC μπορεί να μετρηθεί, βρίσκεται μεταξύ 112km και 97km. Το σήμα DC στη συνέχεια αφαιρείται από τις μετρήσεις πριν αυτές ψηφιοποιηθούν. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα στις μετρήσεις όπου το καταγεγραμμένο σήμα είναι πολύ μικρό, να έχουμε αρνητικές τιμές. Γι αυτό το λόγο έχει τεθεί ηλεκτρικό κατώφλι για τις τιμές που προέρχονται από ύψος πάνω από 97km. Το κατώφλι αυτό υπολογίζεται κάθε φορά από το μέσο όρο των μετρήσεων σε ύψος από 75.3km έως 60.3km. Τιμή κατωφλίου μπορούμε να πάρουμε και από το μέσο όρο των μετρήσεων μεταξύ -11km και -18.5km. Σε κάθε κανάλι λήψης σήματος χρησιμοποιούνται δύο μετατροπείς αναλογικού σήματος σε ψηφιακό (ADCs) των 10ΜHz, με διαφορετικό κέρδος μετατροπής. Ο ADCs υψηλού κέρδους χρησιμοποιείται για την μετατροπή χαμηλού σήματος, ενώ τα σήματα που θα κορεστούν μετά την μετατροπή με ADCs υψηλού κέρδους, τελικά μετατρέπονται με ADCs χαμηλού κέρδους. Αρχικά, η κατακόρυφη κατανομή του συντελεστή οπισθοσκέδασης προκύπτει από τη σύνθεση των μετατρεμμένων ψηφιακών δειγμάτων που προέκυψαν από τον ADC υψηλού κέρδους. Ωστόσο εάν κάποιο σήμα κορεστεί από τον μετατροπέα υψηλού κέρδους, αντικαθίσταται από το σήμα που έχει μετατραπεί με τον χαμηλού κέρδους μετατροπέα (ADC). Τα αποτελέσματα των δύο μετατροπέων ADCs στη συνέχεια συνδυάζονται σε μία κατακόρυφη κατανομή πριν ληφθούν από τους επίγειους σταθμούς. Η θεμελιώδης ανάλυση δείγματος του lidar είναι 30m κάθετα και 333m οριζόντια και καθορίζεται από το ηλεκτρικό εύρος ζώνης του δέκτη και από τη συχνότητα των παλμών του laser. Γι αυτό υπολογίζεται ο μέσος όρος κάθε ζεύγους παρακείμενων δειγμάτων των 15 μέτρων και προκύπτουν 1400 δείγματα των 30 μέτρων από τα 40 km πάνω από το μέσο ύψος της θάλασσας μέχρι τα 2km κάτω από το μέσο ύψος της θάλασσας. Στα 1064nm το σήμα πάνω από τα 30km είναι αμελητέο, οπότε δείγματα μετρήσεων έχουμε για το ύψος αυτό και κάτω. 23

Εικόνα 8: Χωρική ανάλυση σήματος CALIOP. [Πηγή:http://eosweb.larc.nasa.gov/PRODOCS/calipso/Quality_Summaries/CALIOP_L2 VFMProducts_2.01.html] Η ατμόσφαιρα είναι πιο ομοιόμορφη χωρικά όσο αυξάνεται το ύψος. Παράλληλα το σήμα σε αυτά τα ύψη είναι πιο εξασθενημένο οπότε χρειαζόμαστε περισσότερα δείγματα για να υπολογίσουμε τους μέσους όρους. Συνεπώς προβλέπεται υψηλότερη ανάλυση χαμηλότερα στην τροπόσφαιρα και χαμηλότερη ανάλυση στα υψηλότερα ύψη, όπως περιγράφεται στον πίνακα 6 και στην εικόνα 8: Περιοχή Ύψους Βάση (km) Κορυφή(km) Κάθετη Ανάλυση Οριζόντια Ανάλυση Profiles ανά 5Km Δείγματα ανά Profile 30.1 40.0 300m 5000m 1 33 20.2 30.1 180m 1667m 3 55 8.2 20.2 60m 1000m 5 200-0.5 8.2 30m 333m 15 290-2.0-0.5 300m 333m 15 5 Πίνακας 6: Χωρική ανάλυση σήματος του CALIPSO, σε διάφορα ύψη. [Πηγή:Wrinker et al., 2006] 4.5 Επίπεδα Δεδομένων που παράγονται από μετρήσεις CALIPSO (Data Products Levels) Τα δεδομένα που προέρχονται από τις μετρήσεις του CALIOP παράγονται σε μεγάλο βαθμό βάσει του πρωτοκόλλου που καθορίστηκε από το Σύστημα Παρατήρησης της Γης (Earth 24

Observing System-EOS) της NASA. Τα παραγόμενα επίπεδα δεδομένων του CALIPSO ορίζονται σε: Level 0: Ανεπεξέργαστα δεδομένα όπως προκύπτουν από τα όργανα, σε πλήρη ανάλυση, χωρίς να έχει γίνει αφαίρεση των σφαλμάτων μεταφοράς Level 1A: Ανεπεξέργαστα δεδομένα όπως προκύπτουν από τα όργανα, σε πλήρη ανάλυση, στα οποία αναφέρεται ο χρόνος και η γεωγραφική περιοχή. Τα σφάλματα των οργάνων αφαιρούνται από τις μετρήσεις και προστίθενται επιπλέον πληροφορίες. Τα δεδομένα είναι εσωτερικά προϊόντα και δεν αρχειοθετούνται. Level 1B: Τα δεδομένα επιπέδου 1Α έχουν επεξεργαστεί σε μονάδες αισθητήρα και έχουν αρχειοθετηθεί ως Level1. Level 2: Αποτελούνται από γεωφυσικές μεταβλητές που προκύπτουν από τα δεδομένα του επιπέδου 1 (level 1), στις οποίες συμπεριλαμβάνονται μετρήσεις και από τα άλλα όργανα του CALIPSO εκτός από το CALIOP. Level 3: Δεδομένα όπου οι γεωφυσικές μεταβλητές έχουν αντιστοιχηθεί σε ομοιογενές πλέγμα χώρου και χρόνου. Level 4: Δεδομένα που προκύπτουν από μετρήσεις πολλών δορυφόρων Στη συγκεκριμένη διπλωματική εργασία χρησιμοποιήθηκαν τα δεδομένα επιπέδου 2 (level 2) ενώ πλέον από το Νοέμβριο του 2011 διατίθενται και τα δεδομένα επιπέδου 3. 4.6 Αλγόριθμος Υπάρχουν πολλοί αποτελεσματικοί μέθοδοι για την εξαγωγή του συντελεστή εξασθένησης και οπισθοσκέδασης των σωματιδίων από τα βαθμονομημένα και κανονικοποιημένα ως προς την απόσταση σημάτα lidar. Mέθοδοι που χρησιμοποιούνται ευρέως είναι η Klett- Fernald καθώς επίσης και η πιο απλή αριθμητική μέθοδος που εμφανίστηκε την δεκαετία του 1960 με την ονομασία γραμμική επαναληπτική μέθοδος (linear iterative method). Οι αλγόριθμοι Klett-Fernald, αρχικά αναπτύχθηκαν βάσει της απλής σκέδασης, στη συνέχεια εξελίχθηκαν και για την πολλαπλή σκέδαση, εφαρμόζοντας έναν διορθωτικό παράγοντα στις κατακόρυφες κατανομές των συντελεστών εξασθένησης. Ο αλγόριθμος CALIPSO προβλέπει την πολλαπλή σκέδαση εφαρμόζοντας διορθωτικό συντελεστή. Ο συντελεστής αυτός προκύπτει από την συνάρτηση φάσης που δίνουν μοντέλα αιωρούμενων σωματιδίων για τον CALIPSO, και εφαρμόζεται στο ολοκλήρωμα του οπτικού βάθους. [Omar et al., 2004; Omar et al., 2005]. Τα περισσότερα στοιχεία του αλγορίθμου του επιπέδου 2 του CALIPSO, προέρχονται από την εμπειρία της αποστολής LITE, που όμως έχουν ενισχυθεί. Ωστόσο τα όργανα των δύο αποστολών έχουν αρκετές σχεδιαστικές διαφορές και γι αυτό χρειάστηκε προσαρμογή στους αλγορίθμους. Η βασικότερη διαφορά είναι πως το lidar του LITE λειτουργούσε σε τρία μήκη κύματος (355nm, 532nm, και 1064nm), ενώ το CALIOP σε δύο (532nm και 1064nm) και ότι ο ανιχνευτής του CALIOP στα 532nm επιτρέπει τη μέτρηση του κάθετου και οριζόντιου επίπεδου πόλωσης του οπισθοσκεδαζόμενης ακτινοβολίας. 25