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. 

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. 

Sistemas de teledetección

SODARRADAR

LIDAR

SOundRAdiowaveLIght Detection And Ranging

LIDARes el acrónimo de

LIght Detection And Ranging

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).

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)

Diferentes tipos de lidares

RetrodifusiónRaman DialDoppler

RetrodifusiónRaman DialDoppler

Diferentes tipos de lidares

Aerosoles

Concentración de gases (O3, H2O)Temperatura

Viento

Diferentes tipos de lidares

RetrodifusiónRaman DialDoppler

Extinción = Difusión + AbsorciónExtinción = Difusión + Absorción

λλLL

αα((λλLL,,λλ,z),z)

Lidar de retrodifusión ­ Raman

λλLL Láser

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

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

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

=

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 (  ↑↑  ))    

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= +

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=

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=

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=

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=

Esquema del sistema lidar (3E + 3I)

LICEL

Nueva caja espectrométrica (3E + 3I)

3E: 1064, 532 y 355 nm3 I:   607, 387 y 408 nm

•LICEL transient recorder 

•Software ­LabView•Tiempo real

28 de marzo de 2004 

Retrodifusión de aerosoles normalizado

Retrodifusión de aerosoles normalizado

20 de septiembre de 2004

Retrodifusión de aerosoles normalizado

Aerosoles: Quema de Biomasa

TOMS

19/09/04

20/09/04

 Satélite AQUA

18/09/04

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, 

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.

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.

Vapor de agua 

Vapor de agua. Comparación lidar – radiosondeo EZE

AERONET AERONET 

AERosol RObotic NETwork

AERONET AERONET 

•Transporte de aerosoles  •Quema de biomasa•Tormentas de polvo•Climatología•Propiedades microfísicas

Estaciones: mas de 500

Red AERONET en ArgentinaRed AERONET en Argentina

http://aeronet.gsfc.nasa.gov/ 

Fotómetro solar instalado en el CEILAP

AlmucantarAlmucantarPlano principalPlano principal

FotómetroFotómetroSolarSolar

Medición directaMedición directa

Espesor óptico de aerosolesContenido de agua precipitable

Distribución de tamaños“Single Scattering Albedo”

Dato Inversión

Lidar 

AERONET

Buenos Aires 26 de agosto de 2004 

Abril 2008

10 Abril 2008

14 Abril 2008

15 Abril 2008

16 Abril 2008

17 Abril 2008

18 Abril 2008

19 Abril 2008

20 Abril 2008

21 Abril 2008

22 Abril 2008

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

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

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

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.

< 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).

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

El volcán Chaitén ­ (42°50’S, 72°39’O, 962 m) 

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

16 junio 17 junio

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.

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

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