Kan ALOMAR måle vulkanaske?

Transkript

1 Kan ALOMAR måle vulkanaske? Eivind Thrane, Sandra Blindheim, Michael Gausa Andøya Rakettskytefelt Foto: Kolbjørn Dahle

2 Utbrudd på Eyjafjallajøkul 16 april 2010

3 Tror noen at vi har kontroll over naturkreftene?

4 En enkel lidarligning: P(R,λ) = K G(R) β(r,λ) T(R,λ) System Spredning Transmisjon

5 Spredningsprosesser: Rayleigh-spredning fra luftmolekylene Mie-spredning fra partikler (skydråper, støv, aerosoler) Resonant spredning fra luftatomer som eksiteres av laserlyset Raman-spredning ved eksitasjon av rotasjons- og vibrasjonstilstander i luftmolekylene (frekvensskiftet) De tre første prosessene kalles elastisk spredning fordi det spredte lyset har samme frekvens som laserlyset.

6 Rayleigh spredning skjer når lysets bølgelengde (f eks synlig lys nm) er vesentlig større enn luftmolekylene (~ 0,1 nm). Da settes elektronskyen i molekylene i svingninger og et svakt signal med samme bølgelengde λ spres forover og bakover langs strålens bane r n = konsentrasjonen av spredende molekyler Sterk spredning av kortbølget lys gjør himmelen blå! + +

7 Mie-spredning skjer når lysets bølgelengde er mindre eller sammenlignbar med størrelsen på de spredende partiklene. Bølgelengden forandres ikke ved spredningen, men for ikke-sfæriske partikler kan polarisasjonen forandres betydelig. Indikerer uforandret og forandret polarisasjon ~ 4 μm ~ 10 μm r ~ 0,7 2, og n = konsentrasjonen av partiklene

8 Rayleigh-spredning kan brukes til å måle lufttetthet som funksjon av høyde. Barometerligningen kan da gi oss temperaturog trykkvariasjoner. For å få sterkt signal er det en fordel med korte bølgelengder. Mie-spredning har en svakere avhengighet av bølgelengden. Det er derfor en fordel å bruke infrarødt lys fordi kontrasten til det Rayleigh-spredte himmellyset er større. Dersom lidaren har flere bølgelengder kan man i prinsipp få informasjon om størrrelsesfordelingen av partiklene.

9 Vitenskapelig infrastruktur ved ARS 9

10 Teleskophallen på ALOMAR Courtesy : Gerd Baumgarten IAP Rayleigh- og resonanslidarer rtroposfærelidar Ozonlidar

11 Prinsippet for en troposfærelidar

12 Troposphere lidar Transmitter:1064, 532, 355 nm Range: km Five channel (three elastic, one depol. and one N₂ Raman) Part of EARLINET network. Motivation: Aerosol transport to the Arctic Cirrus clouds (occurrence, optical thickness, characterization)

13 Ceilometeret ved ARS Et kommersielt tilgjengelig instrument opprinnelig beregnet til måling av skyhøyde. Brukes i undervisning på ARS λ= 1064 nm, Måleområde 30 m 15 km Driftsikkert og øyesikkert Pris ~ 0,5 Mkr

14 Ceilometermålinger fra ARS den 20. april 2010

15 Målinger med troposfærelidaren den 20. april 2010 Eivind Thrane

16 Trajektorieberegninger april 2010 Eivind Thrane

17 Måling av depolarisasjon ved troposfærelidaren den 20 april 2010 Eivind Thrane

18 Vi har sett at lidarteknikken kan brukes til å detektere vulkanaske når observasjonsforholdene er riktige, men også at vi trenger tilleggsinformasjon for å identifisere askeskyene: Baneberegninger av lufttransport for å bestemme kilden. In situ målinger av askepartiklene ved for eksempel fly, droner, ballonger eller på høytliggende bakkestasjoner. Det er viktig å bestemme absoluttverdien av askekonsentrasjonen. I dag er grensen for hva en flymotor kan tåle satt til 4 mg/m³ Måling av lufttemperatur- og fuktighetsprofiler for å se om det er vanlige skyer (f eks cirrus) tilstede. Dette kan oppnås ved f eks standard værballonger. Sammenligning med satellittobservasjoner

19 Et mulig scenario for å være beredt til neste vulkanutbrudd: Det settes opp ceilometere spredt over norsk område. Disse kan f eks settes opp ved flyplasser og passes av flyplasspersonell. Noen få avanserte lidarer fungerer som referanse for de enkle instrumentene. Dataene samles inn rutinemessig og analyseres ved ėn stasjon, f eks ALOMAR, der målingene kvalitetssikres med nødvendig tilleggsinformasjon Et stort antall stasjoner vil sikre observasjoner slik at askeskyer kan følges, også ved variabelt skydekke. Budsjett: Innkjøp 5 7 Mkr, drift ~ 2Mkr i året. SAS tapte ca 250 Mkr under årets episode!

20 Takk for oppmerksomheten!

21 Eivind Thrane

22 Eivind Thrane

23 LIDAR (LIght Detection And Ranging)