Sesión 4

Técnicas Instrumentales Aplicadas a la Vigilancia
Atmosférica
CURSO DE DOCTORADO
Programa: 04 013
Bienio 2005-07
FÍSICA – INFORMÁTICA
Sesión
4: Conceptos básicos
Curso
Doctorado
Técnicas Instrumentales aplicadas a la Vigilancia Atmosférica
Profesores:
Juan Carlos Guerra
Emilio Cuevas
Grupo de Física de la
Atmósfera
DEPARTAMENTO DE FÍSICA BÁSICA
CURSO DE DOCTORADO
Programa: 04 013
FÍSICA – INFORMÁTICA
Sesión 4: Conceptos básicos
Sesión 4:
Técnicas e instrumentación de
teledetección utilizadas en
observación atmosférica
Principios generales de la teledetección
Fuente de
radiación
Interacción de la
radiación con la
atmósfera
Interacción con
componentes
atmosféricos
Instrumento
Interacción de la
radiación con la
atmósfera
Elemento dispersivo
(puede ser también
una fuente de
radiación)
Procedimiento de obtención de información
Detectorde
radiación
Inversión del espectro de radiación
para obtener especies de interés
Modelo
InformaciónA
priori
Datos y
productos de
interés
Espectro
calibrados /
Radiancias
Sesión 4: Conceptos básicos
Conversor A/D
Procedimeinto de
calibración
Datos brutos no
calibrados
El espectro electromagnético
Sesión 4: Conceptos básicos
El rango espectral (UV-visible-NIR)
1 nm
γ
10 nm 100 nm
RayosX
EUV
Vacío UV
100 nm
280 nm
UV C
Sesión 4: Conceptos básicos
UV prox.
Visible
320 nm
UV B
5 µm
700 nm
400 nm
200 nm
NIR
400 nm
UV A
IR
λ
¿ Ventajas de la Teledetección ?
•
Medidas en regiones inaccesibles (océanos, desiertos, selvas,…)
•
No se perturba el volumen de aire observado
•
Facilita la obtención de series largas en regiones muy extensas
•
Las medidas desde satélite permiten observaciones globales
•
Las medidas se pueden normalmente automatizar
•
Medida de varios parámetros de forma simultánea
•
Normalmente es más económico que las medidas in-situ
Sesión 4: Conceptos básicos
¿ Desventajas de la Teledetección ?
• Las medidas de teledetección son siempre indirectas
• La señal electromagnética está amenudo afectada por varios factores y procesos y no solo
por el objeto de interés
• Los sensores abordo de satélite no pueden ser calibrados una vez que son puestos en órbita
→
La degradación de los instrumentos nos lleva a errores en la
determinación
• Normalmente se necesita suposiciones y modelos para la correcta interpretación de las
medidas
• A menudo se miden áreas o volúmens demasiado grandes
• La validación de medidas de teledetección se convierte en una tarea muy dura (engorrosa,
difícil y costosa) y algunas veces no es posible en un sentido estricto
• Es difícil estimar los errores asociados a las medidas de teledetección
Sesión 4: Conceptos básicos
Modos de interacción de la radiación con un medio
Sesión 4: Conceptos básicos
Procesos básicos en la transferencia radiativa
• Absorción por especies moleculares y partículas (aerosoles)
1) Ionización – disociación
γi
2) Transiciones electrónicas
3) Transiciones vibracionales
4) Transiciones rotacionales
• Scattering por especies moleculares y aerosoles (elástico/inelástico)
γs
1) Scattering Rayleigh (elastic)
γi
2) Scattering Mie (elastic)
ϕ
3) Scattering Raman (inelastic)
γe
• Emisión de la Radiación
• Reflexión de la Radiación
Sesión 4: Conceptos básicos
γi
θin
θout
γr
Interacción de la radiación solar con la atmósfera
Aunque la intensidad del sol en el tope de la atmósfera haya podido mantenerse constante a lo largo de
largos periodos de tiempo, la radiación y energía absorbida por la Tierra están moduladas por cambios en
la composición atmosférica Terrestre y en la nubosidad.
Variaciones estimadas de la irradiancia solar entre 1750 y 2000
Sesión 4: Conceptos básicos
Fotón
θ
“Scattering” (difusión)
Absorción
θ
θ
Reflexión
θ
Sesión 4: Conceptos básicos
Refracción
I=
1
4
Interacciones de la radiación solar (VIS+UV) con la atmósfera
Absorción (principalmente en la alta atmósfera)
Oxígeno
Ozono
Oxidos de nitrógeno
Reflexión: Nubes y superficie de la Tierra
Sesión 4: Conceptos básicos
Interacciones de la radiación Terrestre (IR) con la atmósfera
Absorción:
Nubes (agua líquida)
Vapor de agua
CO2
CH4
CFC
La radiación absorbida es re-emitida en todas direcciones
Efecto invernadero natural: reduce (retrasa) las pérdidas de IR al espacio exterior
Sesión 4: Conceptos básicos
Absorción/emisión por gases atmosféricos
Sesión 4: Conceptos básicos
Sesión 4: Conceptos básicos
Sesión 4: Conceptos básicos
Absorción de la Radiación
La absorción de la radiación que viaja a través de un medio se puede describir
matemáticamente por la Ley de Lambert-Beer:
x
 x = I
I
e
,0
 x '  n  x'  d x'
−∫
0
Si n y σ son constantes a lo largo del trayecto:
I
 x =I ,0 e
−
nx
I0
I(x)
σ(λ,x)
dadas
n(x)
Intensidad inicial
Intensidad en x
Coef. Absorción a una Lambda y x
Densidad de absorvente en x
I(x)
I0
n constane a lo largo del trayecto
I(x1)
x1
El exponente τ = σ n x es adimensional y es llamado espesor óptico (densidad óptica)
If τ << 1, entonces el medio es ópticamente delgado
If τ >> 1, entonces el medio es ópticamente espeso u opaco
También se utiliza: Coeficiente de absorción α = σ n Unidad: [α] = m-1
Entonces: τ = α x
Sesión 4: Conceptos básicos
x
Principales características de scattering Rayleigh y Mie
Rayleigh
Mie
Radio / Lambda
r << λ
r >> λ
Función de fase
P11(Θ) ∝ (1 + cos2 Θ)
Altamente variable,
dependiente de α = 2πr / λ
Pico hacia adelante fuerte
Parámetro de
asimetría
g=0
g>0
Polarización
Θ = 0, π : LP = 0
Θ = ± π/2 : LP ≈ 1
Generalmente depolarizando,
pero variable
Dependencia
espectral
σR ∝ λ-4
σM ∝ λ-m
Sesión 4: Conceptos básicos
m : Exponente Ångstrom
(-1 < m < 4)
Instrumentación de teledetección en atmósfera
Los métodos de teledetección en atmósfera requieren medidas de
radiación con resolución espectral
→
Se necesitan
elementos que dispersen la radiación
Los dispositivos que dispersan la radiación son:
•Prismas
•Redes de difracción
•Interferómetros de Michelson
•Interferómetros de Fabry-Perot
Sesión 4: Conceptos básicos
Espectrómetro de prisma
Los prismas: refracción en un medio con diferentes índices de
refracción n para dispersión espectral
La Refracción se describe por la
Ley de Snell:
sin
sin
'
n
=
'
n
n = c0 / c es el índice de refracción
c0 es la velocidad de la luz en el vacío
Sesión 4: Conceptos básicos
ϕ
ϕ’
nprisma > nmedio
Difracción por una red de difracción
Las redes de difracción son los dispositivos más utilizados como
elementos dispersores en instrumentos de teledetección
g
α
g distancia entre ranuras de la red
α
g
∆ = mλ
m Orden de difracción
λ Longitud de onda
Para interferencia constructiva, la diferencia de trayecto óptico entre dos
ranuras vecinas de la red tiene que ser un múltiplo de la longitud de onda:
sin m =±
Sesión 4: Conceptos básicos
m
g
Poder de resolución de una red (λ/∆λ)
Consideremos una red con n rendijas y una distancia entre ellas g :
Criterio de Rayleigh:
Interferencia máxima de λ1 debe caer en el 1er mínimo de λ2
1
Máximo de 1er orden:
∆ = mnλ
Máximo de orden:
α
sin =±
Condición de Máximo:
g
n
mn
m
=±
ng
g
∆
Condición de mínimo:
Entonces:
∆ = nλ
∆ = mnλ + λ = mnλ‘
con λ’ = λ + ∆λ
∆ = mnλ + λ = mnλ + mn∆λ
λ = mn∆λ or
Sesión 4: Conceptos básicos
λ/∆λ = mn
El poder de resolución depende del
número de rendijas y el orden, pero
no de la distancia entre rendijas
Espectrómetros por Transformada de Fourier (FTS o FTIR)
FTS = Fourier Transform Spectrometer / FTIR = Fourier Transform InfraRed Spectrometer
Interferómetro de Michelson
Espejo fijo
x
L2/2
Fuente
Divisor del
haz
Espejo
móvil
L1/2
I(x)
Detector
Se mide la intensidad de dos haces de luz que interfieren en función de la distancia X del espejo móvil:
I(x) es denominado interferograma
El espectro S(λ) es la Transformada de Fourier de I(x)
Sesión 4: Conceptos básicos
Monocromadores y espectrómetros (I)
Monocromadores
son fltros monocromáticos paso banda ópticos ajustables
Espectrómetros
Miden un rango espectral continuo simultáneamente
Nota: Dependiendo del tipo de detector, un instrumento de prisma o de red de
difracción puede ser bien un monocromador o un espectrómetro
Sesión 4: Conceptos básicos
Detectores de radiación
Un sensor de radiación debería cumplir los siguientes requerimientos:
• Linearidad: Señal de salida e intensidad
• Respuesta rápida
• Rango dinámico amplio
• Bajo nivel de ruido
Sesión 4: Conceptos básicos
Detectores de Radiación I: Fotomultiplicadores (PMTs)
Ventajas:
• Alta sensibilidad
• Respuesta rápida
Desventajas:
• Se requieren voltajes altos
• Solo se mide una longitud de onda
Sesión 4: Conceptos básicos
Detectores de Radiación II: Fotodiodos (PD)
PD = Photomultiplier Diode
Ventajas:
• Baratos
Desventajas:
• Solo miden una solo longitud de onda
Sesión 4: Conceptos básicos
Detectores de Radiación III: Matriz de Fotodiodos (PDA)
PDA = Photomultiplier Diode Array
• Tamaños: 256 - 2048 pixels
• Integración de señal en el tiempo
Ventajas:
• Miden muchas longitudes de onda simultáneamente
Desventajas:
• Menor sensibilidad que los fotomultiplicadores
Sesión 4: Conceptos básicos
Detectores de Radiación IV: “Charge Coupled Devices” (CCDs)
• Tamaños: 256 × 256 to 4096 × 4096 pixels
Ventajas:
• Alta sensibilidad
• 2D →
Espectrómetros de imágenes
Desventajas:
• Baja capacidad  necesario frecuentes lecturas
• Largos tiempos de lectura (hasta varios segundos)
Sesión 4: Conceptos básicos
Definiciones básicas interesantes (I)
INCERTIDUMBRE ABSOLUTA
Parámetro asociado al resultado de una medida, que caracteriza la dispersión de
los valores razonables obtenidos de las observaciones. Las incertidumbres
pueden ser atribuidas a diversas causas y no implica que los resultados sean
falsos. Por ejemplo, hay una incertidumbre debida al espectro estándar absoluto
de irradiancias espectrales usado en las calibraciones porque no hay definido un
único estándar.
INCERTIDUMBRE ESTIMADA
Algunas incertidumbres en las medidas de radiación dependen de las
características del instrumento y de las condiciones medioambientales en el
instante de la medida. Se suelen diseñar una serie de algoritmos con el fin de
calcular correciones usando la caracterización el instrumento y un set de
condiciones estándar.
Sesión 4: Conceptos básicos
Definiciones básicas interesantes (II)
ERROR
La desviación de la medida del valor verdadero al valor medido. Como el valor
verdadero es usualmente desconocido, el error es igualmente desconocido.
ERRORES INHERENTES AL DISEÑO DEL INSTRUMENTO
Estos errores son en general de difícil cuantificación y se ponen de manifiesto
al intercomparar instrumentos de diferentas características. Por ejemplo,
dependencias con la temperatura, el equipo no responde idealmente a la
radiación procedente de diferentes ángulos, saturaciones del detector, etc.
ERRORES INHERENTES A SU INSTALACIÓN
Resulta especialmente importante la precisa nivelación del instrumento, la
caracterización de posibles obstáculos y de las reflexiones en la superficie
(albedo).
Sesión 4: Conceptos básicos
Definiciones básicas interesantes (III)
ERRORES INHERENTAS A SU OPERACIÓN
La calidad de los datos obtenidos con espectrorradiómetros depende de la
calidad del equipo así como del mantenimiento y la supervisión de éste. Igual
importancia tiene la información auxiliar, relevante para el análisis de los datos
registrados
HORIZONTE
Se especifica en una tabla de acimut y coordenadas de elevación para los
obstáculos que pueden ser vistos desde el plano receptor del instrumento.
Sesión 4: Conceptos básicos
Definiciones básicas interesantes (IV)
RESPUESTA ANGULAR
Es la razón de la respuesta del instrumento a la radiación recibida a un ángulo θ
frente a la respuesta del instrumento a la radiación recibida con incidencia
normal. Este error es sistemático y no es constante con θ. La incertidumbre en la
medida de irradiancia global debida a la desviación de la respuesta angular de la
respuesta ideal coseno, depende del estado del cielo, de la hora de la medida y
de la longitud de onda que estamos midiendo.
REPETITIVIDAD
La repetitividad de un instrumento es una medida de su capacidad para
reproducir medidas a partir de una fuente estable durante un corto periodo de
tiempo. Por ejemplo, 5 scans de una lámpara estándar durante una calibración.
Se calcula la incertidumbre de 2σ de dicha serie de scans a diferentes
longitudes de onda.
Sesión 4: Conceptos básicos
Definiciones básicas interesantes (V)
RANGO DINÁMICO
Expresa la mínima y máxima señal que el instrumento puede medir, la calibración
debe realizarse para el rango de irradiancias en el que trabaja el instrumento y
documentar los detalles sobre la determinación de linealidad para cada
instrumento específico.
UMBRAL DE DETECCIÓN
Es la señal más pequeña que el instrumento puede medir; depende de la salida
que exijamos al instrumento, del nivel de ruido, de la estabilidad de la corriente
oscura y de cómo esta es filtrada en el procesado de la señal.
Sesión 4: Conceptos básicos
Definiciones básicas interesantes (VI)
DEPENDENCIA CON LA TEMPERATURA
Es importante hacer notar que la incorrecta corrección y caracterización de las
variaciones de temperatura en un instrumento pueden producir incertidumbres
muy grandes en las medidas, especialmente en el alineamiento de las longitudes
de onda. Es importante tener bien caracterizado el sistema, registrar la
temperatura del instrumento con el sensor de temperatura localizado a fin de que
los registros de temperatura sean representativos y si se hacen correcciones, el
método utilizado debe de estar bien descrito.
Sesión 4: Conceptos básicos
Definiciones básicas interesantes (VII)
PRECISIÓN EN LONGITUD DE ONDA (wavelength precision):
Indica el grado en que fluctúa el posicionamiento de las longitudes de onda del
monocromador respecto a la posición nominal en la escala de longitudes de
onda del instrumento. Esto supone una incertidumbre aleatoria en la escala de
longitudes de onda respecto a las λ verdaderas especificadas. Estas
fluctuaciones pueden ser debidas a limitaciones físicas del instrumento o
errores en el método usado para determinar el centro de líneas espectrales
empleadas para en el alineamiento. Así pues, la magnitud de esta fluctuación
determina la precisión en la longitud de onda.
EXACTITUD EN LONGITUD DE ONDA (wavelength accuracy):
Es una medida entre la posición actual de longitud de onda (λ) del
monocromador y la longitud de onda verdadera (λ0) que el instrumento ha
posicionado para la medida. La escala de longitudes de onda verdaderas en la
práctica proviene de la posición de una serie de líneas espectrales
procedentes, por ejemplo, de una lámpara de mercurio.
Sesión 4: Conceptos básicos
Definiciones básicas interesantes (VIII)
RESPUESTA ESPECTRAL
Es la razón entre la salida del instrumento y la entrada (irradiancia a una
longitud de onda dada), determinada sobre el rango en que el instrumento es
sensible. Muchos instrumentos tienen su respuesta espectral adaptada al
espectro de acción biológica (the CIE action spectrum for erythema).
RESOLUCIÓN ESPECTRAL
Es el mínimo intervalo de longitudes de onda que puede ser resuelto por el
aparato. Este término está obviamente ligado a la función aparato (“slit
function”).
Sesión 4: Conceptos básicos
Definiciones básicas interesantes (IX)
STRAYLIGHT
Constituye un error sistemático del instrumento y actúa incrementando la
irradiancia registrada por el instrumento debido a la luz procedente de fuentes
secundarias y que son contabilizadas por el instrumento.
FUNCIÓN APARATO (slit function):
Es la respuesta en irradiancia que el instrumento da al iluminar su rendija de
entrada con un haz de luz suficientemente más monocromático que la
resolución del instrumento. Representa la transmitancia relativa de un
instrumento a longitudes de onda próximas a λ0 cuando el instrumento está
posicionado para medir λ0. La fuente utilizada para la determinación de la “slit
fuction” debe tener suficiente rango dinámico.
Sesión 4: Conceptos básicos
Definiciones básicas interesantes (X)
ALTURA A ANCHURA MITAD (FWHM, Full Width at Half
Maximum):
Una forma de caracterizar la resolución espectral del instrumento es determinar
la anchura a la altura mitad de la función aparato, que en el caso del Brewer
viene a ser alrededor de 0.5 ó 0.6 nm.
Sesión 4: Conceptos básicos
Ejemplos de algunos sistemas de teledetección atmosférica en el
Observatorio Atmosférico de Izaña
Sesión 4: Conceptos básicos
Espectrofotómetro UV Brewer
El espectrofotómetro Brewer está diseñado para la medida del contenido total del ozono y SO2
(NO2 opcional), determinar perfiles verticales de ozono en la atmósfera por el método Umkehr y el
espectro de irrradiancia ultravioleta. Este sistema funciona de forma totalmente automática
atendiendo a una serie de comandos prefijados en una rutina de trabajo (schedule) atendiendo al
criterio de ángulos cenitales y está diseñado para trabajar a la intemperie.
Sesión 4: Conceptos básicos
Espectrofotómetro UV Brewer
El espectrofotómetro Brewer mide la intensidad de la luz en el espectro de absorción del ozono
en cinco longitudes de onda con una resolución de 0.6 nm: λ1=306.3 nm, λ2=310.1 nm,
λ3=313.5 nm, λ4=316.8 nm y λ5=320.1 nm. El SO2 presenta una fuerte absorción en esta
región solapada en parte con la absorción por el ozono. La primera (λ1) está localizada en un
máximo de absorción del SO2, mientras que λ2 y λ5 presentan una absorción
considerablemente inferior.
Sesión 4: Conceptos básicos
Espectrofotómetro UV Brewer
La medida de la intensidad de la radiación solar directa a estas cinco longitudes de onda la podemos
expresar conforme a la ley de Beer como:
logI
=logI 0
−
m−
sec
−
O3
Donde:
Iλ= es la intensidad de la luz medida en la longitud de onda λ
I0λ= es la intensidad extraterrestre (en el techo de la atmósfera) en λ
βλ= es el coeficiente de scatttering de Rayleigh en λ
m= es el número de atmósferas que recorre la luz a través de la atmósfera
δλ= es el coeficiente de scatteting del aerosol en λ
secθ= es la secante del ángulo cenital solar
αλ= es el coeficiente de absorción del ozono en λ
O3= es el contenido total de ozono
µ= es el incremento geométrico efectivo del camino óptico a través de la capa de ozono.
α1λ= es el coeficiente de absorción del SO2.
SO2= es el contenido total de SO2
µ1= es el incremento geométrico efectivo del camino óptico a través de la capa de SO2.
Sesión 4: Conceptos básicos
−
1
SO 2
1
Espectrofotómetro UV Brewer
De la ecuación anterior podemos formular la siguiente expresión para las longitudes de onda de λ2 a λ5 del
Brewer:
F=F 0− m−
sec
− O3
1
−
1
SO 2
Donde:
F=log I 2 −0.5log I 3−2.2log I 41.7log I 5
F 0=log I 02−0.5log I 03−2.2log I 041.7log I 05
=
2
−0.5
3
−2.2
4
1.7
5
=
2
−0.5
3
−2.2
4
1.7
5
=0
=
2
−0.5
3
−2.2
4
1.7
5
≠0
1
Sesión 4: Conceptos básicos
=
1
2
−0.5
1
3
−2.2
1
4
1.7
1
5
=0
Espectrofotómetro UV Brewer
Para la medida del contenido total de ozono con el Brewer se ha supuesto que el scattering por aerosoles
presenta una variación lenta y monótona con la longitud de onda con lo que hemos podido eliminar este
término según se describe en las ecuaciones anteriores. Si reescribimos la ecuación ignorando los términos
que hemos despreciado, nos queda:
F
=F 0− O3
Una vez conocidos los valores de F0 y ∆α, es posible determinar el contenido total de ozono
sustituyendo la medida de F dentro de la expresión.
Sesión 4: Conceptos básicos
Espectrofotómetro UV Brewer
Sesión 4: Conceptos básicos
Espectrofotómetro UV Brewer
Precisión
1% (en medida de ozono a sol directo)
Resolución
0.6 nm @ 303.2, 306.3, 310.1, 313.5, 316.8, 320.1 nm
Dimensiones
70 × 46 × 21 cm para los MK-II y MK-IV
70 × 46 × 34 cm para el MK-III
Peso
25 kg (90 kg el sistema total) para los MK-II y MK-IV
34 kg (90 kg el sistema total) para el MK-III
Alimentación
100 VAC @ 1ª (2ª con calentadores), 50/60Hz
240 VAC @ 1ª (2ª con calentadores), 50/60Hz
Temperatura de
operación
De –50ºC a 50ºC (equipado con cubierta y calentadores)
Rango de λ
Precisión: 0.005nm
Estabilidad: 0.01 nm sobre la temperatura de operación
Rango: 290-325nm para el MK-II
Rango: 286.5-363nm para el MK-III
Rango: 286.5-363nm y 430-540nm para el MK-IV
Microprocesador de
control
RCA COSMAC
Interface
RS232C, distancia límite PC/Brewer ≈ 15m
Sesión 4: Conceptos básicos
Espectrofotómetro UV Brewer
Optica
•Espectrofotómetro Elbert modificado, distancia focal 16cm, ancho 11cm
y apertura F/6. MK-II y MK-IV
•Doble espectrofotómetro Elbert modificado, distancia focal 16cm, ancho
11cm, apertura F/6, 3600 líneas en la red holográfica MK-III
Lámpara Standard
Lámpara halógena interna de Tungsteno, 20W, 12V
Calibración en λ
Lámpara interna de Mercurio
Calibración en UV
Lámpara halógena de Tungsteno, 50W, 12V montadas a 5cm del difusor
Obturador cíclico
0.112 segundos para la rendija 1, y 1.6 s, para un ciclo completo de las 6
rendijas
Tracking de
azimuth
Altura total 91cm, caja del motor 30×30×35cm, alimentación
100VAC/240VAC, 50/60Hz, resolución 0.02º/paso
Traking de Zenith
Resolución: 0.13º/paso
Scan de UV
Domo de cuarzo y difusor de Teflón con una buena respuesta coseno
Sesión 4: Conceptos básicos
Espectrómetro EVA: UV-VIS (Técnica DOAS)
Es un espectrómetro de barrido, controlado por un motor paso a paso que opera en el UVVisible y que utiliza la técnica DOAS (Espectroscopía de Absorción Diferencial) durante los
crepúsculos para obtener las columnas totales del dióxido de nitrógeno (NO2) y Ozono (O3).
Opera en el rango de 430 - 450 nm para la medida del NO2 y en 470 - 490 nm para la
medida del O3.
Se basa en un monocromador con un colector de luz y una cadena de detección con un
fotomultiplicador. La señal se digitaliza, se acumula y se registra.
La electrónica remota controla la secuencia de toma de medidas, que es programada desde
el propio ordenador. El programa integra los códigos de toma de datos y de análisis para
medidas ininterrumpidas en largos períodos de tiempo sin intervención de un operador.
El instrumento óptico y la electrónica asociada se encuentran alojados en una caja estanca
situada a la intemperie, termostatizada a temperatura de laboratorio.
Sesión 4: Conceptos básicos
Espectrómetro EVA: UV-VIS (Técnica DOAS)
Es un espectrómetro de barrido, controlado por un motor paso a paso que opera en el UVVisible y que utiliza la técnica DOAS (Espectroscopía de Absorción Diferencial) durante los
crepúsculos para obtener las columnas totales del dióxido de nitrógeno (NO2) y Ozono (O3).
Opera en el rango de 430 - 450 nm para la medida del NO2 y en 470 - 490 nm para la
medida del O3.
Se basa en un monocromador con un colector de luz y una cadena de detección con un
fotomultiplicador. La señal se digitaliza, se acumula y se registra.
La electrónica remota controla la secuencia de toma de medidas, que es programada desde
el propio ordenador. El programa integra los códigos de toma de datos y de análisis para
medidas ininterrumpidas en largos períodos de tiempo sin intervención de un operador.
El instrumento óptico y la electrónica asociada se encuentran alojados en una caja estanca
situada a la intemperie, termostatizada a temperatura de laboratorio.
Sesión 4: Conceptos básicos
Espectrómetro EVA: UV-VIS (Técnica DOAS)
ESPECIFICACIONES TÉCNICAS
· Monocromador: Jobin - Yvon H20VIS (F = 200mm)
· Red de difracción: 1200 líneas.mm-1
· Rendija: 0.25mm Detector: PM Hammamatsu R212. Intensificado en el azul
· Control y diseño electrónico: Diseñado y realizado en LATMOS / INTA
· Ángulo de visión:0.15 sr.
· Moléculas: NO2, O3, H2O y O4
· Rango espectral: 430-450 nm y 470-490 nm
· Resolución espectral:1.25 nm FWHM
· Número de muestras por espectro: 200
· Número de lecturas por muestra: 128
· Tiempo de adquisición de 1 espectro: 1.7 s
· Número de espectros por medida: 30
· Tiempo total por medida: 3 min.
· Rango de ángulos cenitales : 86-93
· Número de medidas por crepúsculo a latitudes medias: 15 medidas
· Secciones eficaces de NO2 y O3: Graham y Johnston,(1978)
· Secciones eficaces de O4: Greenblatt et al., (1990)
· H2O: Hitran Database, (1996)
Sesión 4: Conceptos básicos
Espectrómetro EVA: UV-VIS (Técnica DOAS)
Sesión 4: Conceptos básicos
Espectrómetro EVA: UV-VIS (Técnica DOAS)
PRINCIPIOS DE MEDIDA
El principio de medida se basa en el análisis de espectros obtenidos durante los períodos crepusculares
con el instrumento apuntando al cenit. En estas condiciones, el recorrido óptico de los rayos solares en la atmósfera antes
de alcanzar el detector, es unas 20 veces mayor que el existente midiendo a sol directo cuando éste se encuentra en la vertical.
El espectro obtenido durante el crepúsculo se compara con uno de referencia tomado con el sol alto,
para eliminar las estructuras de Fraunhofer de dimensiones un orden de magnitud mayores que las
absorciones que se desean medir.
Las columnas slant o sesgadas (según la trayectoria de los rayos crepusculares) se obtienen resolviendo
el sistema de ecuaciones lineales generado al aplicar un ajuste de mínimos cuadrados al logaritmo del
espectro resultante de dividir el crepuscular y el de referencia .
Para obtener el contenido total o concentración vertical se divide la columna slant por una constante
llamada AMF (Air Mass Factor), dependiente del ángulo cenital solar y de la longitud de onda y que ha
sido calculada a partir de un modelo de transferencia radiativa. Podemos definir AMF como la relación
entre la densidad de columna del constituyente atmosférico a lo largo de la línea de visión o
concentración slant y según la línea vertical de observación
Sesión 4: Conceptos básicos
Espectrómetro EVA: UV-VIS (Técnica DOAS)
Belgrano
Marambio
Ushuaia
Sesión 4: Conceptos básicos
Espectrómetro Bruker 120: FTIR
Sesión 4: Conceptos básicos
Espectrómetro Bruker 120: FTIR
Sesión 4: Conceptos básicos
Espectrómetro Bruker 120: FTIR
Specifications for Bruker® 120 HR and 120 M]:
Spectral range: 620 - 4800 cm-1 ; Optional: 20 - 43000 cm-1
OPD = 372 cm (reso approx. 0.002 cm-1)
[M: OPD = 250 cm (reso approx. 0.003 cm-1)]
Scan velocity typ. 2.5 cm/s (scan time about 100 s @ 250 cm opd)
Beam splitter: KBr + Coating, 30deg relative to beam axis
Beam diameter 63.5 mm
Internal sources: Glowbar, Tungsten
1. Detector chamber (for solar observations):
2 channels simultaneously, dichroic mirror:
R (80%): 2080 - 4000 cm-1, T (80%): 690 - 1610 cm-1
MCT : D* = 5.4 x 1010 [W-1cmHz1/2]
InSb : D* = 5.2 x 1011 [W-1cmHz1/2]
NDSC - filter set in 2 Filter wheels
2. Detector chamber (for lunar observations):
MCT : D* = 6.0 x 1010 [W-1cmHz1/2]
InSb : D* = 6.1 x 1011 [W-1cmHz1/2] with cold filter
External Detector port
Data aquisition with transputers and PC Pentium,
OS/2®, OPUS®,
raw data (interferograms and spectra) stored on CD - ROM
Size [cm]: 320 x 160 x 100 [M: 200 x 80 x 30]
Weight: 550 kp + 70 kp (Pump) [M: 100 kp + 30 kp (Electronics)]
Sesión 4: Conceptos básicos
Fotómetro solar Cimel
El radiómetro espectral CIMEL 318A es
un sistema robótico preparado para
intemperie.
Alimentado con energía solar, que apunta
siempre al Cielo-Sol. La cabeza del
sensor consiste en dos colimadores de
25cm que estan unidos a un base
robótica de 40cm que sistemáticamente
apunta la cabeza del sensor hacia el Sol
de acuerdo a un programa definido.
El controlador CIMEL, baterías, y equipo
de transmisión satelital están colocados
en una caja resistente a la intemperie de
dimensiones 30x62x46 cm.
Sesión 4: Conceptos básicos
Fotómetro solar Cimel
EL radiómetro realiza dos mediciones básicas, una dirigida al Sol y otra al cielo, ambas en una
secuencia programada. Las mediciones se realizan en 8 bandas espectrales tomando unos 10
segundos cada una. Existen 8 filtros de interferencia colocados en una rueda de filtros que es rotada
por un motor de pasos directo. EL canal de 940nm se utiliza para estimar la abundancia de agua en
la columna vertical.
ESPECIFICACIONES
CE 318-2 (8 filtros)
440, 670, 870, 870,870, 936, 1020
Componentes:
Cabeza optica con dos colimadores
Ancho de banda:
10 nm (at full width at half maximum)
Detector:
Detector de sílice mejorado en el UV para el sol
Detector de sílice para el cielo
Sesión 4: Conceptos básicos
Lidar de aerosoles MPL
LIDAR (Light Detection and Ranging; o Laser Imaging Detection and Ranging)
Es una técnica que permite determinar la distancia a un objeto o superficie utilizando un láser
pulsado. Al igual que ocurre con la tecnología radar, donde se utilizan ondas de radio en vez de
luz, la distancia al objeto se determina midiendo el tiempo de retraso entre la emisión del pulso y
su detección a través de la señal reflejada.
El principal componente de un lidar es un láser. Distinguimos entre dos tipos de procesos de
dispersión de la radiación del láser cuando atraviesa la atmósfera: elástica e inelástica. Por
proceso elástico indicamos que la frecuencia de los fotones dispersados es la misma que el de
la radiación incidente. Por proceso anaelástico indicamos que la frecuencia de los fotones sufre
un cambio en el proceso de dispersión.
Sesión 4: Conceptos básicos
Lidar de aerosoles MPL
Sesión 4: Conceptos básicos
Lidar de aerosoles MPL
Sesión 4: Conceptos básicos
Lidar de aerosoles MPL
La señal recibida en el Lidar (PhE/microsg) toma la forma siguiente:
donde z es la altura, C es una constante propia del Lidar que es igual a:
donde:
•A es el área del receptor.
• λ es la longitud de onda (523.5 nm).
•h es la constante de Planck (6,266176.10-34J.s).
•q es la eficiencia cuántica del detector (valor dado por el fabricante EG&G)
• TS es la transmitancia del sistema (para un telescopio Cassegrain Ts=0.7
•E es la Energía del laser (10mJ)
•O(z) es el término relativo a la corrección de Overlap
• βes el factor de backscattering tanto debido a las moléculas (M) como a partículas (P).
Las partículas incluyen aerosoles y nubes
•T es la transmitancia atmosférica de moléculas (M) y partículas (P)
•D(P) es el factor de corrección denominado Deadtime
•A(z,E) es el factor de corrección denominado AfterPulse
•B es la señal de fondo (background)
Sesión 4: Conceptos básicos
Lidar de aerosoles MPL
Eliminación de background (Radiación de fondo)
El Lidar tiene la propiedad de que puede autoevaluar la radiación de fondo o background mediante la suposición de
que la señal obtenida procedente de las capas más altas de la atmósfera (entre 50 Km y 60 Km) es debida
exclusivamente al background.
Factor de corrección de Deadtime
Este factor de corrección compensa la imposibilidad de detectar por parte del sensor parte de los fotones cuando el
flujo de los retrodifundidos es demasiado grande, por ello no le da tiempo al sensor a contarlos. Es una característica
de cada detector.
Factor de corrección de afterpulse
Esta corrección tiene como fin el eliminar el efecto que produce la avalancha de fotoelectrones sobre el detector
procedentes de choques con bordes o/y reflexiones del rayo láser en el interior de la óptica antes de salir. El resultado
de este efecto es una señal durante todo el tiempo de medida (1s/2500 hz= 400ms) que se suma a la cuenta de
fotoelectrones que llegan sobre el detector alterando el valor real.
Factor de corrección de overlap
La corrección de overlap se debe a que el detector no recibe toda la señal del láser por un problema de alineamiento
óptico intrínseco al modo de medida coaxial (el telescopio es emisor y receptor). El problema se restringe a los 5
primeros kilómetros. Para evitar este fallo se realiza un sondeo con el Lidar a lo largo de una trayectoria donde se
pueda considerar que la capa de aerosoles permanece constante.
Sesión 4: Conceptos básicos
Lidar de aerosoles MPL
La información que obtenemos de la medida del lidar es un perfil P(r). Los datos tal y como se recogen no tienen
ningún tipo de significado físico. Se denominan datos rough o de nivel 0.
Podemos reescribir la ecuación del lidar del operando del siguiente modo:
Multiplicar por el valor de la corrección de Deadtime (suponiendo que el software del lidar no lo haga.
Restar el valor de la corrección de Afterpulse (PhE/ms).
Restar la radiación de fondo.
Multiplicar por r2 para normalizar la señal (la señal se atenúa con el cuadrado de la distancia). De esta forma tenemos
“la misma señal” en todas las alturas.
Dividimos por la energía del detector. Esta energía se mide en cada pulso de láser ubicado en el interior del equipo.
De esta forma normalizamos también de posibles cambios de energía entre pulsos.
Dividimos por el valor de la corrección de Overlap.
Obtenemos entonces la señal relativa de backscattering normalizada (Normalized Relative
Backscatter Signal).Los datos así obtenidos se denominan productos de nivel 1.
Sesión 4: Conceptos básicos
Sesión 4: Conceptos básicos
Intrusión africana Julio 18-22 de 2005
Backscattering signal
Ph*Energy/µs*Km2
Sesión 4: Conceptos básicos