Fagstoff

Observasjonsteknikker for studier av den midlere atmosfære

Publisert: 30.09.2010, Oppdatert: 03.03.2017
  • Innbygg
  • Enkel visning
  • Lytt til tekst
  • Skriv ut

I dette avsnittet skal vi konsentrere oss om den nøytrale, midlere atmosfære. Den midlere atmosfære er på mange måter vanskelig å studere fordi den er utilgjengelig for vanlige meteorologiske observasjonsmetoder. Med moderne teknikk kan man bringe instrumenter opp i ca. 40 km høyde ved hjelp av ballonger, mens satellitter kan foreta direkte målinger i selve mediet ned til ca. 250 km. I området mellom disse høyder er raketter det eneste middel til å bringe instrumenter i direkte kontakt med atmosfæren. Det finnes imidlertid en rekke metoder for fjernmåling fra bakken eller fra satellitter. Vi skal kort nevne noen av de viktigste metoder for eksperimentelle studier av den nøytrale luft.

Radarmåling

 

Forskjellige fjernmålingsteknikker som brukes til observasjon av den midlere atmosfæren fra bakken.Forskjellige fjernmålingsteknikker som brukes til observasjon av den midlere atmosfæren fra bakken.
Opphavsmann: Narom

 

 

Radar er forkortelse for “radio detecting and ranging”. Radarer brukes normalt til å lokalisere gjenstander ved hjelp av radiobølger.

Prinsippet for radarmålinger av den midlere atomsfære er at radiobølger, altså elektromagnetiske bølger, spres eller reflekteres fra irregulariteter eller skarpe gradienter i atmosfæren. Radiobølgene sendes mot atmosfæren. Radaren detekterer signalet som reflekteres tilbake. I troposfæren og stratosfæren skyldes de reflekterte signalene i det vesentlige forandringer i temperatur eller vanndampinnhold, mens i ionosfæren er det tettheten av frie elektroner som bestemmer intensiteten på det signalet som kommer tilbake.

Radarmålinger kan brukes til å studere dynamiske prosesser i luften. Fra målinger av dopplerforskyvningen av det reflekterte signalet får man informasjon om vindhastigheten i den lavere ionosfære under ca. 100 km, og temperaturen i mediet.

Spredning av radarbølgene kan skje ved forskjellige mekanismer. Om det er irregulariteter i atmosfæren får vi et lite tilbakespredt signal fra hver av disse. Om irregularitetene er av størrelsesorden halve bølgelengden til de utsendte bølgene (0,5 λ), vil bidragene summeres opp. Ved å variere frekvensen kan man derfor få informasjon om irregulariteter av forskjellige størrelser.

Lidarmålinger av atmosfæren

Ved å bruke en optisk radar, dvs. en radar som sender ut elektromagnetisk stråling med bølgelengder i eller nær den synlige delen av spekteret (λ < 10-6 m), kan man få informasjon om både tetthet, temperatur, og vindhastigheter i atmosfæren opp til ca. 125 km. Denne radartypen kalles lidar, som kommer fra “Light detection and ranging”. I sin enkleste form består en lidar av en sender og en mottaker enten plassert på samme sted (monostatisk konfigurasjon) eller på hvert sitt sted (bistatisk konfigurasjon). Ved en monostatisk konfigurasjon måler en refleksjoner som kommer tilbake langs senderstrålen, mens ved bistatiske anlegg måler mottakeren bølger som spres ut i vinkel med senderstrålen.

Senderen i lidaren kalles en laser, mens mottakeren er en detektor (for eksempel fotomultiplikator eller fotodiode) i kombinasjon med en teleskopkonstruksjon. For å redusere signal/støyforholdet i målingene kan senderen periodevis bli dekket til av et blendersystem, ofte en roterende skive med hull i. Den vil kun slipper i gjennom lys ved bestemte tidsintervaller. Laseren er da pulssynkronisert til å stemme overens med tidsintervallet. En lidar måler laserpulser spredt fra atmosfæren.

En laser (fra engelsk “light amplification by stimulated emission of radiation”) kjennetegnes først og fremst ved at den er kraftig (effektfull) og monokromatisk (har bare en bølgelengde hvilket vil si at den er ensfarget).

Lidarer på Andøya – ALOMAR

 

ALOMARALOMAR-observatoriet på Andøya
Opphavsmann: Narom

 

 

 

LidarsystemEn skisse av et lidar-system. Laseren sender ut korte, sterke lyspulser med en bestem frekvens (farge). Lyspulsene vil eksitere molekyler av et bestemt kjemisk stoff i atmosfæren slik at dette sender ut lys. Ved hjelp av et teleskop med følsomme detektorer registreres lys utsendt fra eksiterte atomer. Man kan bestemme atmosfære-tettheten, temperatur, vindstyrke og vindretning i høydeintervallet 10-100 km.
Opphavsmann: Narom

 

 

 

 

Fotografiet viser ALOMAR-observatoriet. ALOMAR (forkortelse for "Arctic Lidar Observatory for Middle Atmospheric Research") er et observatorium for atmosfærestudier basert på en rekke forskjellige instrumenter, først og fremst lidarer. De første observasjonene ble utført i 1994.

En lidar sender ut lyssignaler som spres tilbake fra atomer, molekyler og partikler i atmosfæren. Antall fotoner som spres tilbake til mottakeren er proporsjonalt med spredningstverrsnittet σ og konsentrasjonen av de partikler som sprer lyset. Figuren under gir et skjematisk bilde av metoden. Ved å måle styrken til det tilbakespredte signal samt tiden det tar fra en lyspuls sendes ut til et signal kommer tilbake, kan man for eksempel måle lufttetthet som funksjon av høyden over bakken. Dersom en også klarer å måle dopplerforbredningen og dopplerforskyvningen av det mottatte signal, vil man få informasjon om henholdsvis temperaturen (til de spredende gasser) og hastigheten av partiklene langs lyssignalets bane.

De tilbakespredte signaler er meget svake, og eksperimentene kan bare utføres med kraftige lasere som lyskilder og med store speilteleskoper og følsomme detektorer på mottakersiden. Selve spredningsmekanismen avhenger av bølgelengden (dvs. fargen) på laserlyset og av om det er partikler eller molekyler/atomer som sprer lyset. De viktigste spredningsmekanismene for atmosfærestudier vil være

  • Mie-spredningen fra partikler som har omtrent samme størrelse som lysets bølgelengd
  • Rayleigh-spredningen fra partikler som er mye mindre enn bølgelengden
  • resonans-spredning fra spesielle gasser

 

Lidarer blir tradisjonelt brukt til å måle vindretning, temperatur, tetthet, påvisning av sporstoffer i atmosfæren som natrium (Na), ozon (O3) og menneskeproduserte kjemikalier.

Som målesystem er lidarer kompliserte konstruksjoner som krever mye tilsyn og ettersyn, samt stor energitilførsel. De er fremdeles relativt uprøvd teknologi (for eksempel i forhold til Dobsoninstrument og spektroskoper). Siden lysmengden som reflekteres tilbake i fra spredningsprosessene er svært små, er det mest hensiktsmessig å telle antall fonter som funksjon av avstanden til målevolumet.

Fordelen med en lidar er blant annet at den kan måle både dag og natt, at den kan måle atmosfæremolekyler, partikler og atomer direkte og at den har meget god oppløsning i tid og rom.
Dette siste er en fordel i forhold til Brewer- og Dobson-instrumentene, som bare gir den integrerte ozonmengden.

Ozon-lidaren

Ozonlidaren representerer det viktigste norske bidraget til instrumenteringen av ALOMAR. Den er en “Differential Absorption Lidar” (DIAL) som opererer i det ultrafiolette området på to linjer, 308 og 353 nm, med en pulseffekt på 150 mJ. Prinsippet er at den ene linjen, 353 nm, spres fra luftmolekylene uten å absorberes vesentlig i ozonlaget, mens lyset på 308 nm både absorberes og spres. Ved å sammenligne de to mottatte signalene på de to linjene, kan man utlede ozonkonsentrasjonen som funksjon av høyden. Med et teleskop med 1 meter i diameter, får man ozonprofiler fra ca. 8 til 40 km høyde, dvs. gjennom det meste av stratosfæren.