Kan ALOMAR måle vulkanaske? Eivind Thrane, Sandra Blindheim, Michael Gausa Andøya Rakettskytefelt Foto: Kolbjørn Dahle
Utbrudd på Eyjafjallajøkul 16 april 2010
Tror noen at vi har kontroll over naturkreftene?
En enkel lidarligning: P(R,λ) = K G(R) β(r,λ) T(R,λ) System Spredning Transmisjon
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.
Rayleigh spredning skjer når lysets bølgelengde (f eks synlig lys 300-700 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! + +
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
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.
Vitenskapelig infrastruktur ved ARS 9
Teleskophallen på ALOMAR Courtesy : Gerd Baumgarten IAP Rayleigh- og resonanslidarer rtroposfærelidar Ozonlidar
Prinsippet for en troposfærelidar
Troposphere lidar Transmitter:1064, 532, 355 nm Range: 0.5 18 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)
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
Ceilometermålinger fra ARS den 20. april 2010
Målinger med troposfærelidaren den 20. april 2010 Eivind Thrane
Trajektorieberegninger 14-19 april 2010 Eivind Thrane
Måling av depolarisasjon ved troposfærelidaren den 20 april 2010 Eivind Thrane
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
Et mulig scenario for å være beredt til neste vulkanutbrudd: Det settes opp 10-15 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!
Takk for oppmerksomheten!
Eivind Thrane
Eivind Thrane
LIDAR (LIght Detection And Ranging)