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Lidia Ana Otero
20 de junio de 2008
CONAEComisión Nacional de Actividades Espaciales
Av. Paseo Colón 751 C1063ACH Buenos Aires, Argentina
CEILAP (CITEFA CONICET) Centro de Investigaciones en Láseres y Aplicaciones
Juan B. de La Salle 4397 B1603ALO Villa Martelli, Argentina
Sensado activo y pasivo de la atmósfera.
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Teledetección
La teledetección es la técnica que permite obtener información sobre un objeto, superficie o fenómeno a través del análisis de los datos adquiridos por un instrumento que no está en contacto con él.
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Sistemas de teledetección
SODARRADAR
LIDAR
SOundRAdiowaveLIght Detection And Ranging
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LIDARes el acrónimo de
LIght Detection And Ranging
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Lidar: técnica de teledetección para la medición de objetos distantes para obtener su posición y sus propiedades intensivas y extensivas, (altura de nubes, tamaño de partículas, concentración).
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Lidar: técnica de teledetección para la medición de objetos distantes para obtener su posición y sus propiedades intensivas y extensivas, (altura de nubes, tamaño de partículas, concentración).
AerosolesVientoVapor de aguaTemperaturaConcentración de gases (nitrógeno, oxígeno, ozono, etc)
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Diferentes tipos de lidares
RetrodifusiónRaman DialDoppler
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RetrodifusiónRaman DialDoppler
Diferentes tipos de lidares
Aerosoles
Concentración de gases (O3, H2O)Temperatura
Viento
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Diferentes tipos de lidares
RetrodifusiónRaman DialDoppler
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Extinción = Difusión + AbsorciónExtinción = Difusión + Absorción
λλLL
αα((λλLL,,λλ,z),z)
Lidar de retrodifusión Raman
λλLL Láser
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RetrodifusiónRetrodifusión
DifusiónDifusión AbsorciónAbsorción
Extinción = Difusión + AbsorciónExtinción = Difusión + Absorción
ββ((λλLL,,λλ,z),z)
λλLL
αα((λλLL,,λλ,z),z)
Lidar de retrodifusión Raman
λλLL
λλLáserRaman
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La ecuación básica que rige el comportamiento de la radiación láser al propagarse en la atmósfera se denomina
ECUACIÓN LIDAR
EL energía del láserA0 área de recepción del sistema óptico A0 /z2 ángulo sólido de aceptancia del receptorζ(λ) transmisión espectral del receptor ξ(z) función de superposiciónβ(λL,λ,z) coeficiente de retrodifusión volumétrico en λ para una radiación incidente λL
transmisión atmosférica
0
2 ,z
z dze
0
2 ,02, , , .
2
zz dz
L L
Medio sondeadoInstrumental
A cP z E z z ez
1 4 4 4 2 4 4 4 31 4 442 4 4 43
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Ecuación LIDAREcuación LIDAR
1) Emisión: Láser Nd:YAG 1) Emisión: Láser Nd:YAG (1064nm, 532nm, 355nm)(1064nm, 532nm, 355nm)
( ) ( )( )
,.L
LL L
EI z
A zλ
λτ
=
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Ecuación LIDAREcuación LIDAR
1) Emisión: Láser Nd:YAG 1) Emisión: Láser Nd:YAG (1064nm, 532nm, 355nm)(1064nm, 532nm, 355nm)
( ) ( )( )
,.L
LL L
EI z
A zλ
λτ
=
( ) ( )0
, ' 'z
L z dzT z e
α λ−
↑∫=
2) Transmisión (2) Transmisión ( ↑↑ ))
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Ecuación LIDAREcuación LIDAR
1) Emisión: Láser Nd:YAG 1) Emisión: Láser Nd:YAG (1064nm, 532nm, 355nm)(1064nm, 532nm, 355nm)
( ) ( )( )
,.L
LL L
EI z
A zλ
λτ
=
( ) ( )0
, ' 'z
L z dzT z e
α λ−
↑∫=
2) Transmisión (2) Transmisión ( ↑↑ ))
3) Retrodifusión3) Retrodifusión( ) ( ) ( ), , , , ,L Ray L Mie Lz z zβ λ λ β λ λ β λ= +
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Ecuación LIDAREcuación LIDAR
1) Emisión: Láser Nd:YAG 1) Emisión: Láser Nd:YAG (1064nm, 532nm, 355nm)(1064nm, 532nm, 355nm)
( ) ( )( )
,.L
LL L
EI z
A zλ
λτ
=
( ) ( )0
, ' 'z
L z dzT z e
α λ−
↑∫=
2) Transmisión (2) Transmisión ( ↑↑ ))
3) Retrodifusión3) Retrodifusión( ) ( ) ( ), , , , ,L Ray L Mie Lz z zβ λ λ β λ λ β λ= +
4) Región de 4) Región de EstudioEstudio
2LL c τ=
( ) ( )LA z A z=
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Ecuación LIDAREcuación LIDAR
1) Emisión: Láser Nd:YAG 1) Emisión: Láser Nd:YAG (1064nm, 532nm, 355nm)(1064nm, 532nm, 355nm)
( ) ( )( )
,.L
LL L
EI z
A zλ
λτ
=
( ) ( )0
, ' 'z
L z dzT z e
α λ−
↑∫=
2) Transmisión (2) Transmisión ( ↑↑ )) ( ) ( )
0, ' '
zz dz
T z eα λ−
↓∫=
5) Transmisión (5) Transmisión ( ↓↓ ) )
3) Retrodifusión3) Retrodifusión( ) ( ) ( ), , , , ,L Ray L Mie Lz z zβ λ λ β λ λ β λ= +
4) Región de 4) Región de EstudioEstudio
2LL c τ=
( ) ( )LA z A z=
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Ecuación LIDAREcuación LIDAR
1) Emisión: Láser Nd:YAG 1) Emisión: Láser Nd:YAG (1064nm, 532nm, 355nm)(1064nm, 532nm, 355nm)
( ) ( )( )
,.L
LL L
EI z
A zλ
λτ
=
( ) ( )0
, ' 'z
L z dzT z e
α λ−
↑∫=
2) Transmisión (2) Transmisión ( ↑↑ ))
7) Adquisición PC7) Adquisición PC
( ) ( ) ( )02, AR z z
zλ ζ λ ξ=
6) Recepción: 6) Recepción: Telescopio Telescopio + Fotomultiplicador + Fotomultiplicador
( ) ( )0
, ' 'z
z dzT z e
α λ−
↓∫=
5) Transmisión (5) Transmisión ( ↓↓ ) )
3) Retrodifusión3) Retrodifusión( ) ( ) ( ), , , , ,L Ray L Mie Lz z zβ λ λ β λ λ β λ= +
4) Región de 4) Región de EstudioEstudio
2LL c τ=
( ) ( )LA z A z=
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Ecuación LIDAREcuación LIDAR ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )0
, ' , ' '02, , ,
2
zL z z dz
L LA cP z E z z ez
α λ α λλ ζ λ ξ β λ λ
− +∫=
1) Emisión: Láser Nd:YAG 1) Emisión: Láser Nd:YAG (1064, 532 y 355 nm)(1064, 532 y 355 nm)
( ) ( )( )
,.L
LL L
EI z
A zλ
λτ
=
( ) ( )0
, ' 'z
L z dzT z e
α λ−
↑∫=
2) Transmisión (2) Transmisión ( ↑↑ ))
7) Adquisición PC7) Adquisición PC
( ) ( ) ( )02, AR z z
zλ ζ λ ξ=
6) Recepción: 6) Recepción: Telescopio Telescopio + Fotomultiplicador + Fotomultiplicador
( ) ( )0
, ' 'z
z dzT z e
α λ−
↓∫=
5) Transmisión (5) Transmisión ( ↓↓ ) )
3) Retrodifusión3) Retrodifusión( ) ( ) ( ), , , , ,L Ray L Mie Lz z zβ λ λ β λ λ β λ= +
4) Región de 4) Región de EstudioEstudio
2LL c τ=
( ) ( )LA z A z=
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Esquema del sistema lidar (3E + 3I)
LICEL
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Nueva caja espectrométrica (3E + 3I)
3E: 1064, 532 y 355 nm3 I: 607, 387 y 408 nm
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•LICEL transient recorder
•Software LabView•Tiempo real
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28 de marzo de 2004
Retrodifusión de aerosoles normalizado
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Retrodifusión de aerosoles normalizado
20 de septiembre de 2004
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Retrodifusión de aerosoles normalizado
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Aerosoles: Quema de Biomasa
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TOMS
19/09/04
20/09/04
Satélite AQUA
18/09/04
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0 mol 20 30 40 50 60 70 80 90 1001200
1400
1600
1800
2000
2200
Extinction to Backscatter Ratio [sr]
Alti
tude
[m]
355 nm532 nm
0 0.5 1 1.5 21200
1400
1600
1800
2000
2200
Angstrom Coefficient
Alti
tude
[m]
10 de noviembre de 2006
L, Otero, P, Ristori, E, Quel, AEROSOL AND WATER VAPOR RAMAN LIDAR SYSTEM AT CEILAP, BUENOS AIRES, ARGENTINA, Lidar Workshop Brazil, 2007,
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Higroscopía de aerosoles
56 57 58 59 60 61 62 633
3.5
4
4.5
5
5.5
6
6.5x 10
5
Relative Humidity [%]
Aer
osol
Ext
inct
ion
Coef
ficie
nt [m
1sr
1]
20 30 40 50 60 70 80 90 100
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
Relative Humidity [%]
Alti
tude
[m]
Lidar RH Average03 AM to 06 AMRadiosonde RH09 AM
10 de Noviembre de 2006
L. Otero, P. Ristori, E. Quel, AEROSOL AND WATER VAPOR RAMAN LIDAR SYSTEM AT CEILAP, BUENOS AIRES, ARGENTINA, Lidar Workshop Brazil, 2007.
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Water vapor and atmospheric boundary layer temporal evolution in Buenos Aires, Argentina during the night January 12, 2008. L. A. Otero, P. R. Ristori, E. J. Quel. 24th IRLC. Boulder, Colorado, USA. 2008.
12 de enero de 2008. Evolución de la capa límite.
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Vapor de agua
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Vapor de agua. Comparación lidar – radiosondeo EZE
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AERONET AERONET
AERosol RObotic NETwork
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AERONET AERONET
•Transporte de aerosoles •Quema de biomasa•Tormentas de polvo•Climatología•Propiedades microfísicas
Estaciones: mas de 500
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Red AERONET en ArgentinaRed AERONET en Argentina
http://aeronet.gsfc.nasa.gov/
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Fotómetro solar instalado en el CEILAP
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AlmucantarAlmucantarPlano principalPlano principal
FotómetroFotómetroSolarSolar
Medición directaMedición directa
Espesor óptico de aerosolesContenido de agua precipitable
Distribución de tamaños“Single Scattering Albedo”
Dato Inversión
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Lidar
AERONET
Buenos Aires 26 de agosto de 2004
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Abril 2008
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10 Abril 2008
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14 Abril 2008
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15 Abril 2008
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16 Abril 2008
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17 Abril 2008
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18 Abril 2008
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19 Abril 2008
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20 Abril 2008
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21 Abril 2008
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22 Abril 2008
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Evolución temporal del espesor óptico de aerosoles
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 250
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
Abril 2008
AO
T
870 nm670 nm500 nm440 nm340 nm380 nm
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Un AOT de 0.2 bloquea aprox el 20 % de la luz directa que viene del sol
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 250
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
Abril 2008
AO
T
500 nm440 nm380 nm
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Un AOT de 0.2 bloquea aprox el 20 % de la luz directa que viene del sol
Un AOT de 2 bloquea aprox el 75 % de la luz directa que viene del sol
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 250
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
Abril 2008
AO
T
500 nm440 nm380 nm
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τ(λ): AOT espesor óptico de aerosoles
β(λ0): parámetro de turbidez, proporcional al valor medio de la concentración
α : coeficiente de Ångström, está relacionado con la distribución de radios (0 < α < 4)
Ley de Ångström
oo
Ångström, A., ON THE ATMOSPHERIC TRANSMISSION OF SUN RADIATION AND ON DUST IN THE AIR. Geografis Annal, 2,156166, 1929.
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< 0,8< 0,18. Antártico
1,5 – 2,6> 0,27. Quema de Biomasa
< 0,3< 0,156. Marítimo
< 0,8> 0,25. Desértico
> 1,2> 0,254. Urbanos Industriales
1,5 – 2,50,1– 0,33. Continental Contaminado
1 – 1,70,08 – 0,32. Continental Promedio
0,8 – 1,50,05 – 0,151. Continental Limpio
α(440 nm)τTipo
Identificación de los aerosoles
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.60
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
τ (440 nm)
α
12
3
4
586
7
L, Otero, P, Ristori, B, Holben, E, Quel, “ESPESOR ÓPTICO DE AEROSOLES DURANTE EL AÑO 2002 PARA DIEZ ESTACIONES PERTENECIENTES A LA RED AERONET – NASA”, (AEROSOL OPTICAL THICKNESS AT TEN AERONET – NASA STATIONS DURING 2002), Opt. Pura Apl. 39 (4) 355364 (2006).
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0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.60
0.5
1
1.5
2
2.5
AOT(440 nm)
Coef
icien
te de
Ang
strom
01 1815161718
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El volcán Chaitén (42°50’S, 72°39’O, 962 m)
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1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 310
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Mayo 2008
AO
T(44
0 nm
)
CEILAP Buenos Aires
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.70
0.5
1
1.5
2
AOT(440 nm)
Coef
icien
te de
Ang
strom
CEILAP Buenos Aires
01 al 31 Mayo 200809 Mayo 200810 Mayo 2008
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16 junio 17 junio
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Río Gallegos
2612
km
CEILAP – Buenos Aires
Elian Wolfram, Jacobo Salvador, Lidia Otero, Andrea Pazmiño, Jacques Porteneuve, Sophie GodinBeeckmann ,Hideaki Nakane, Eduardo Quel SOLAR CAMPAIGN: STRATOSPHERIC OZONE LIDAR OF ARGENTINA Proceeding SPIE Vol. 5887, 251256, Lidar Remote Sensing for Environmental Monitoring VI, San Diego, Upendra N, Singh; Ed. , 2005.
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Medición de aerosoles en Buenos Aires (y Río Gallegos).
Estudio simultáneo de aerosoles con fotómetro solar y lidar.
Identificación del posible origen de la contaminación aerosólica.
Estudio del espesor óptico de cirrus.
Variabilidad espacial de la constante lidar.
Medición de perfiles troposféricos de vapor de agua.
Conclusiones
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z
aer mol aer mol2
0
O zP z K z z exp 2 d
z
R
R R R R
X z zX X aer mol aer mol
20 0
dO zP z K N z exp d d
dz
aer
p aer
zk
z
R
R
R mol mol2
aerÅ z
R
N zd ln z zdz P z z
z
1
R R
R
R
zaer mol
X XR o 0aer mol aer mol
o o X X zo R o aer mol
0
exp dP z N z P z
z z z zP z P z N z
exp d
Ecuaciones lidar 3E + 3I
zmol387
2 0
z2 mol408
0
dH O408
WV Nd387
P z eMRP z
e