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bordotondo

il primo lidar italioano on line

Il LIDAR INO

Il LIDAR che utilizziamo, progettato e costruito all'INO CNR nel 2002, e' attualmente in funzione 24 ore/24. Una finestra trasparente consente il funzionamento dello strumento con ogni condizione di tempo. In caso di pioggia, i segnali sono ovviamente disturbati dalle gocce di pioggia sulla finestra, e risultano cosi' attenuati. Il software di gestione del LIDAR acquisisce i segnali LIDAR assieme ai dati di una centralina meteo dedicata, oltre ai dati di house-keeping dello strumento. Lo stesso software raccoglie filmati time-lapse dello stato del cielo mediante una telecamea a visione notturna. Tutti i dati sono automaticamente preelaborati e visualizzati sul sito, facendo del nostro LIDAR il primo LIDAR "Online" in Italia


Le caratteristiche salienti del LIDAR INO a backscatter elastico sono le seguenti:

 

-Laser Quantel Brilliant B
(532, 1064 nm, pol. lineare)

-Telescopio rifrattivo
10 cm diametro f/3

-Acquisizione dati Licel analogica,
3 canali (532 nm p,532 s,1064nm)

-Risoluzione verticale 7.5 m

-Range utile: 50 m-12000 m a.g.

-Canale depolarizzato

-Canale 1064 nm con
fotodiodo a valanga


Gallery:













24 Ore di segnale LIDAR in troposfera

 


Segnale LIDAR

Nella figura, a partire dalle ore 0 UTC, mostriamo in diretta il sondaggio verticale LIDAR del cielo sopra Sesto Fiorentino (FI) . La scala orizzontale e' in ore UTC, mentre la scala verticale e' la quota H in coordinate logaritmiche.
Il colore non blu indica presenza di aerosol o nubi (in caso di pioggia i colori possono essere falsati).

Sul Web esistono numerosi tutorials sui LIDAR : P.S. Argall and R.J. Sica, Lidar (Laser Radar), oppure qui una dettagliata Bibliografia LIDAR

Depolarizzazione

La precedente figura mostra la semplice presenza di aerosol o nubi. Calcolando il rapporto tra i due segnali LIDAR ottenuti nelle due componenti polarizzate (rispettivamente perpendicolare e parallela alla polarizzazione emessa) si ottiene il cosiddetto rapporto di depolarizzazione. Espresso in percentuale, questo numero indica la presenza/assenza di particelle di forma non sferica. Nella figura accanto, colori blu-azzurri corrispondono all'atmosfera molecolare ed a nubi di acqua o aerosol sferici (liquidi). Quando la depolarizzazione cresce al dispopra del 15% circa, si ha la presenza di polveri (es. Sahara dust) o di ghiaccio. (Nel caso di nubi di acqua otticamente dense, la depolarizzazione puo' pure assumere valori che crescono via via che il fascio laser penetra la nube). In atmosfera l'acqua puo' mantenersi liquida (sopraraffreddata) fino quasi a -40°C. Al disotto di questa temperatura il congelamento diviene invece istantaneo. Per questo motivo e' possibile trovare nubi a bassa depolarizzazione (acqua liquida) fino alla linea arancione. Al disotto di -40°C e' possibile la presenza di aerosol liquidi purche' non siano composti di acqua pura. Questa situazione, molto rara in troposfera, si verifica invece in stratosfera, al dispopra della linea rossa, per la presenza di goccioline contenenti acido solforico e nitrico

-Qui un articolo di review sulla tecnica di depolarizzazione LIDAR

 

 

Zoomando: lo Strato Limite Planetario

Ecco una visione piu' dettagliata dei primi 4000 metri di atmosfera. Questa regione comprende in basso lo Strato Limite Planetario ( PBL) , ovvero lo strato di aria vicino al suolo dove avviene la maggior parte degli scambi energetici e chimici col suolo. Nello strato limite siamo vicini a molte sorgenti di aerosol: da combustione, aerosol secondario, polveri

-Gli aerosol da inquinamento, noti anche come "polveri sottili" sono la "prima donna" degli aerosol in ambiente urbano: si tratta dell'impronta digitale dei fenomeni di combustione che tanto caratterizzano le nostre attivita' energivore. L'interpretazione delle mappe di inquinamento fornita delle centraline e' a volte difficile, in quanto non si tiene conto dei fenomeni dinamici che contribuiscono al trasporto ed alla dispersione degli inquinanti. La distribuzione degli inquinanti e' infatti un complesso cocktail di sorgenti inquinanti, chimica e dinamica atmosferica. I dati LIDAR possono far comprendere visivamente la dinamica dello strato limite atmosferico, e quindi la dispersione degli inquinanti.... in tempo reale!

Depolarizzazione

Nel nostro Strato Limite Planetario (PBL) la depolarizzazione LIDAR e' tipicamente bassa , inferiore al 10% (per questo la scala di questa figura) Precipitazioni nevose, materiali biologici come batteri e pollini, oppure polveri sollevate dal vento o saharane possono aumentare temporaneamente la depolarizzazione.

-Le polveri Sahariane sono una presenza episodica nella bassa troposfera, ma relativamente comune nel Mediterraneo. In assenza di nubi, queste polveri si identidficano facilmente nel plot qui accanto per la loro depolarizzazione (tipicamente attorno al 10%) ed una quota compresa tra 2000 e 4000 metri. In alcuni casi, le polveri sahariane si mescolano all'aria di bassa quota.

In queste pagine potete trovare una breve galleria di eventi di polveri sahariane misurate col nostro LIDAR

 

Altre informazioni dal canale Infrarosso (1064 nm) LIDAR

Il LIDAR INO e' equipaggiato con un canale infrarosso (1064 nm). Il sensore utilizzato e' un fotodiodo a valanga

Nell'infrarosso, nonostante la minore sensibilita' del sensore, le polveri sospese sono maggiormente visibili che a 532 nm (luce verde).

Questo perche' il contributo dei gas atmosferici al backscatter e' 16 volte inferiore, mentre il backscatter delle polveri e' all'incirca uguale.

Qua sotto sono gli ultimi plot a 1064 nm dell'intera troposfera e del PBL sopra INO

INTERA TROPOSFERA
PBL

 

 

Dati Meteo convenzionali

La stazione LIDAR e' equipaggiata con una centralina meteo autonoma (situata a circa 12 m dal suolo) equipaggiata con sensore Humicap Vaisala (RH), PT100 (Temperatura) ed un anemometro sonico Gill 2D .

I dati meteo sono salvati nello stesso file dei dati LIDAR, in modo da favorire l'analisi statistica.

La direzione del vento e' particolarmente importante per il locale PBL, in quanto brezze occidentali portano tipicamente aria relativamente "pulita" dalle zone rurali, mentre venti orientali portano aria cittadina di Firenze sopra il LIDAR, un fenomeno facilmente visibile nei nostri dati estivi, con aumenti dei "colori rossi" nel plot LIDAR a bassa quota in presenza di venti con direzione compresa tra tra 0° e 180°N (linea rossa) in figura. Brusche raffiche di vento su scala piu' grande sono invece in grado di "ripulire" l'aria per brevi periodi, anche di poche ore

 

LEGENDA:

lo strato limite planetario sulla terraferma in condizioni di alta pressione

(.....tradotto dalla pagina: http://lidar.ssec.wisc.edu/papers/akp_thes/node6.htm)

La radiazione solare fa si che l'aria riscaldata al suolo salga, trasportando umidita', aerosol ed inquinanti. Le "bolle" di aria calda salgono e si espandono adiabaticamente fino al raggiungimento dell'equilibrio termodinamico al top delllo strato limite planetario (PBL). L'umidita' apportata dalle "bolle" convettive si traduce in NUBI CONVETTIVE. Aria secca dalla troposfera libera penetra invece verso il basso, rimpiazzando le bolle di aria umida in salita. La porzione di atmosfera compresa tra la quota massima raggiunta dalla convezione e la quota piu' bassa raggiunta dall'aria in discesa prende il nome di zona di intrappolamento (entrainment zone). I moti convettivi generano un intenso rimescolamento turbolento, generando il cosiddetto strato rimescolato, la cui temperatura potenziale ed umidita' relativa sono pressoche' costanti in quota . La parte piu' bassa del PBL e' detta strato superficiale. In condizioni ventose, questo strato e' caratterizzato da un forte gradiente di intensita' e direzione del vento dovuto all'attrito col suolo. Lo strato limite tra tramonto ed alba e' detto strato limite notturno ( nocturnal boundary layer). Questo strato e' caratterizzato spesso da stabilita' verticale dovuta ad assenza di irradiazione solare del suolo e dal raffreddamento radiativo del suolo stesso. Sopra questo strato stabile, il residuo dello strato limite diurno forma il cosiddetto strato residuo (residual layer).
 

Schema dello strato limite planetario sulla terraferma, in condizioni di bel tempo.

 

In condizioni di bassa pressione la divergenza delle masse d'aria stabilizza verticalmente lo strato limite, limitandone l'espansione verticale. In condizioni di bassa pressione, lo strato limite e' estremamente piu' complesso e difficile da semplificare come nella precedente figura: la convergenza delle masse d'aria in condizioni di bassa pressione favorisce il moto verticale delle masse d'aria, portando le masse d'aria dal suolo a quote elevate. In questi casi le nubi possono crescere fino al top della troposfera, rendendo molto variabile il top dello strato rimescolato e rendendo spesso impossibile la definizione di un vero starto limite.


TELECAMERE: CONTROLLIAMO COSA OSSERVA IL LIDAR

 

Una telecamera sul tetto di INO (Sesto Fiorentino) consente di "osservare"

lo stato del PBL sopra Firenze come ausilio all'interpretazione dei dati LIDAR


L'Ultima immagine del cielo sopra Firenze (direzione Sud):

 

 

 


Una telecamera a visione notturna e' montata sul tetto di INO CNR (Sesto Fiorentino): guarda verso lo zenith. Serve a seguire la copertura nuvolosa, eventualmente distinguere il tipo di nube. Distinguere, ad esempio, tra cirri e contrails, sulle 24 ore grazie al buon contrasto anche di notte




Un esempio di filmato del cielo sopra Sesto Fiorentino...24h/24
...

La telecamera a visione notturna consente di registrare lo stato del cielo giorno e notte, con un fotogramma al minuto.

Vi proponiamo qui un esempio di filmato raccolto in automatico.

L'immagine mostra il cielo da Nord (in basso nell'immagine ) allo Zenith (in alto) in una inquadratura che evita la luce solare diretta.

Se presenti, dettagli come i contrail degli aerei, cirri e nubi di bassa quota sono cosi' visibili ad ogni ora del giorno e della notte... pioggia permettendo.

In queste immagini cercate pure le cosiddette "Scie Chimiche" ... ne troverete solo usando la fantasia !



Massimo Del Guasta - Istituto Nazionale di Ottica (INO) - Consiglio nazionale delle ricerche CNR       |       Via Madonna del Piano, 10 - 50019 Sesto Fiorentino - Firenze  |   Tel (office): +39-055-5226423 - Tel (laboratory) +39-055-5226424   |   Email: Massimo Del Guasta  |   Web: www.ino.it  |   sito ottimizzato per una risoluzione minima di 1024x768 e firefox

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