Meteorologia doswiadczalna Wyklad 9 Pomiary wlasnosci mikrofizyczny oraz optycznych aerozoli atmosferycznych

1
Meteorologia doswiadczalnaWyklad 9 Pomiary
wlasnosci mikrofizyczny oraz optycznych aerozoli
atmosferycznych

• Krzysztof Markowicz
• kmark_at_igf.fuw.edu.pl

2
Zanieczyszczenia atmosfery zwane inaczej
aerozolami to male czastki stale lub ciekle
powstajace w sposób naturalny oraz w wyniku
dzialalnosci gospodarczej czlowieka.

• Rodzaje aerozoli
• sól morska
• drobiny piasku
• pyly (wulkaniczny)
• fragmenty roslin
• sadza (elemental carbon), organic carbon
• siarczany, azotany
• zwiazki organiczne i nieorganiczne

Aerozole naturalne.
Aerozole antropogeniczne
3
(No Transcript)
4
(No Transcript)
5
niehigroskopijny
higroskopijny
Inny podzial aerozoli bardzo wazny z punktu
widzenia fizyki atmosfery
Sól morska Siarczany, azotany Aerozole organiczne
Pyl pustynny Sadze
6
Objetosciowy rozklad wielkosci czastek
7
Usuwanie aerozoli z atmosfery

• Sucha depozycja
• Sedymentacja osiadanie grawitacyjne
  (efektywnie usuwane tylko duze czastki)
• Wilgotna depozycja (wymywanie przez krople
  chmurowe lub krople deszczu).
• Efektywne usuwanie czastek z modu akumulacyjnego

8
Wplyw aerozoli na klimat Ziemi

• Efekt bezposredni (poprzez rozpraszanie i
  absorpcje promieniowania)

• Efekt posredni (poprzez oddzialywanie na
  wlasnosci mikrofizyczne chmur)

9
Bezposredni wplyw aerozoli na klimat
wzrost albeda planetarnego
wzrost absorpcji w atmosferze
warstwa aerozolu
redukcja promieniowana slonecznego dochodzacego
do powierzchni ziemi
10
Posredni wplyw aerozoli slady statków
11
Srednia grubosc optyczna aerozolu (marzec- maj)
12
Grubosc optyczna aerozoli o promieniu rlt1
?m (aerozol antropogeniczny i powstaly w czasie
pozarów)
Grubosc optyczna aerozoli o promieniu rgt1
?m (piasek i sól morska)
13
Pomiary wlasnosci optycznych aerozoli

• Pomiary grubosci optycznej
• Wspólczynnika absorpcji
• Wspólczynnika rozpraszania
• Wspólczynnika ekstynkcji
• Wspólczynnika rozpraszania do tylu
• Funkcji fazowej

14
Fotometr Sloneczny
15
Pomiary grubosci optycznej aerozolu
Zakladajac horyzontalna jednorodnosc z prawa
Lamberta-Beera mamy
I oraz Io natezenie promieniowania
bezposredniego przy powierzchni ziemi i na górnej
granicy atmosfery, m- masa optyczna atmosfery,
?RAY, ?H2O ?O3 grubosc optyczna zwiazana z
rozpraszaniem Rayleigha, absorpcja przez pare
wodna oraz ozon.
16

• W obszarze widzialnym oraz w bliskiej
  podczerwieni grubosc optyczna ozonu, pary wodnej
  oraz innych gazów jest najczesciej zaniedbywana
  mala poza waskimi pasmami absorpcyjnymi.
• Najwiekszy wklad do grubosci optycznej wnosza
  rozpraszanie i absorpcja aerozolu oraz
  rozpraszanie molekularne. Przy czym to ostatnie
  szybko zmniejsza sie z dlugoscia fali (?-4).
• Przyklad
• ?RAY(350nm)0.61
• ?RAY(500nm)0.14
• ?RAY(1000nm)0.008
• Typowe wartosci grubosci optycznej aerozolu
  mieszcza sie w Polsce sie w zakresie od 0.1 do
  0.5.

17
Masa optyczna atmosfery
Rozpraszanie Rayleigha

• A8436e-6
• B-1225e-7
• C14e-5
• p01013

• a0.50572
• b6.07995
• c1.6364
• - jest katem elewacyjnym Slonca w radianach.
• Dla kata elewacyjnego gt 30o

18

• Grubosc optyczna aerozolu (AOT) opisuje calkowita
  zawartosc aerozolu w pionowej kolumnie powietrza.
• Z definicji grubosci optycznej mamy
• gdzie ekstynkcja wyraza sie wzorem

Qext () jest efektywnym przekrojem czynnym na
ekstynkcje i dla czastek sferycznych moze byc
wyznaczony z teorii MIE o ile znamy wspólczynnik
refrakcji m oraz promien czastki r.
19
Pomiary grubosci optycznej aerozolu
MICROTOPS- pomiar bezposredniego promieniowania
slonecznego Wyznaczane 1. Grubosc optyczna
?380,440,500,675,870,1020 nm 2. Opad
potencjalny 3. Calkowita zawartosc ozonu w
pionowej kolumnie powietrza (MICROTOPS OZONOMETER)
20
Shadowband detektory fotodiody
Spektralny pomiar promieniowania calkowitego oraz
rozproszonego ?415,500,610,665,862,940
nm Sluzy do wyznaczania grubosci optycznej
aerozolu oraz opadu potencjalnego.
21

• CIMEL-sunphotometer
• Uzywany w sieci AERONET
• Pomiar bezposredniego promieniowania slonecznego
  za pomoca aktywnego systemu sledzacego Slonce
  oraz radiancji nieba (aureola Slonca)
• Wyznaczanie teledetekcyjne
• 1. Grubosc optyczna aerozolu
• 340,380,440,500, 670,870,1020 nm
• 2. Albedo pojedynczego rozpraszania
• 3. Funkcja fazowa
• 4. Rozklad wielkosci aerozolu
• 5. Opad potencjalny

22
CIMEL fotometr sloneczny
23
Pomiary promieniowania rozproszonego

• CIMEL wykonuje sie dwa rózne skanowania obszaru
  nieba, wykonywane w
• plaszczyznie horyzontalnej (staly kat zenitalny)
• plaszczyznie prostopadlej (staly kat azymutalny)
• Promieniowanie rozproszone docierajace do
  powierzchni ziemi zalezy od wlasnosci optycznych
  aerozoli
• W przeciwienstwie do promieniowania
  bezposredniego promieniowanie rozproszone rosnie
  ze wzrostem grubosci optycznej aerozoli.
• Wykorzystanie pomiarów promieniowania
  rozproszonego w metodach teledetekcyjnych jest
  jednak znacznie trudniejsze, gdyz wymaga
  rozwiazania pelnego równania transferu w
  atmosferze.
• Aby to zrobic musimy dokonac wielu zalozen np.
  zalozyc profil pionowy parametrów stanu atmosfery
  czy fizyczno-optycznych wlasnosci aerozoli.

24

• Rozklad radiancji promieniowania rozproszonego
  dla malych grubosci optycznych mozemy okreslac
  przy uzyciu przyblizenia pojedynczego
  rozpraszania.
• W tym przypadku wzór na promieniowanie
  rozproszone ma analityczna postac

???o
??o
gdzie wielkosci optyczne takie jak funkcja fazowa
P czy albedo pojedynczego rozpraszania ? sa
wartosciami usrednionymi w pionowej kolumnie
atmosfery, ? oraz ?o sa cosinusami katów
zenitalnych przyrzadu oraz Slonca, ? jest
calkowita gruboscia optyczna atmosfery w sklad
której wchodzi grubosc optyczna aerozolu zas F
jest stala sloneczna dla danego kanalu.
25
AERONET- siec obserwacji aerozolowych opartych na
pomiarach fotometrami slonecznymi

• W sklad AERONETu wchodzi ponad 100 stacji
  wyposazonych fotometry typu CIMEL. Dane
  przesylane za posrednictwem lacz satelitarnych
• http//aeronet.gsfc.nasa.gov
• Poziomy danych w AERONECIE
• Level 1.0 wstepnie przetworzone dane
• Level 1.5 dane po odrzuceniu chmur
• Level 2.0 ostateczna wersja uwzgledniajaca
  poprawki kalibracyjne i manualne odrzucenie
  chmur.

26
Pomiary wspólczynnika absorpcji aerozolu
PSAP-Particle soot absorption photometer Pomiar
wspólczynnika absorpcji aerozolu dla ?565 nm
Przyrzad za posrednictwem pompy zasysa powietrze,
które nastepnie przepuszczane jest przez filtr.
Aerozole osadzaja sie na filtrze. Transmisja
filtra monitorowana jest za pomoca ukladu
optycznego Przyrzad wymaga recznej zmiany filtra
co kilka godzin
27
?abs wspólczynnik absorpcji m-1 S powierzchnia
zajmowana przez czastki aerozolu m2 V
objetosc powietrza przeplywajaca w jednostce
czasu m3 I natezenie promieniowania
przechodzacego przez filtr Io natezenie
promieniowania padajacego na filtr
28
(No Transcript)
29
Bledy pomiarowe PSAP

• Bledy niestabilnosci predkosc przeplywu powietrza
  mniejsze niz 2
• Bledy zwiazane z powierzchnia akumulacji aerozolu
  na filtrze mniejsze niz 2
• Bledy zwiazane z rozpraszaniem 2
• Bledy zwiazane z absorpcja 22
• Precyzja przyrzadu lt 6
• Calkowity blad PSAP-u dla usredniania 1
  minutowego i typowych warunków atmosferycznych
  wynosi okolo 15

30
Aethalometer
Przyrzad dziala na tej samej zasadzie co PSAP
jednak pomiar transmisji filtra odbywa sie dla
kilku dlugosci fali. Ponadto uklad mechaniczny
pozwala na automatyczna zmiane filtra.
http//www.mageesci.com
Kanaly spektralne
31
Filtr kwarcowy
Przyrzad raportuje koncentracje czastek
absorbujacych - black carbon (BC) w ng/m3
liczona ze wzoru
gdzie ATN(t) oraz ATN(0) jest atenuacja filtru w
chwili czasu t oraz chwili poczatkowej, zas SG
jest masowym wspólczynnikiem absorpcji black
carbon w m2/g.
32
(No Transcript)
33
Tryb pracy

• Aethalometr pracuje w cyklu 5 minutowym w czasie
  którego wykonywane sa
• Pomiar napiecia na detektorze przy wylaczonych
  zródlach swiatla
• Pomiar napiecia na detektorze przy wlaczonych
  zródlach promieniowania
• Pomiar predkosci przeplywu
• Obliczanie wartosc BC
• Obliczanie wspólczynnika absorpcji moze byc
  wykonane dopiero w czasie analizy danych. Wymaga
  to jednak wykonania skomplikowanych poprawek na
  rozpraszanie promieniowania na warstwie aerozolu
  gromadzonego na filtrze.

34
Przykladowy przebieg koncentracji czastek
absorbujacych
35
Multi-Angle Absorption Photometer, Model 5012

• Pomiar natezenia promieniowania rozproszonego
  wstecznie na warstwie aerozolu dla kilku katów
  rozpraszania.
• Umozliwia to oszacowanie efektu rozpraszania w
  calkowitej transmisji promieniowania przez filtr.
• Umozliwia to wyznaczenie wspólczynnika absorpcji
• Przyrzad dziala dla dlugosci fali 670 nm.

36
Pomiary fotoakustyczne-Pomiary absolutne.

• W przyrzadach tego typu zródlo silnego swiatla
  przechodzac przez warstwe powietrza zawierajacego
  aerozol jest absorbowane. Prowadzi to do
  ogrzewania i rozszerzania sie otaczajacego
  powietrza. W czasie tego ostatniego procesu
  emitowane sa fale akustyczne, które rejestrowane
  sa przy uzyciu czulego mikrofonu.
• Natezenie fali dzwiekowej zwiazane jest z
  wspólczynnikiem absorpcji aerozolu
• Wada przyrzadu jest niska czulosci dlatego
  wymagane jest uzywanie silnego zródla swiata oraz
  stosowania rezonatora do wzmacniania fali
  dzwiekowej.
• Zaleta przyrzadu jest unikatowa technika
  pomiarowa, która sprawia, iz tak wykonany pomiar
  jest pomiarem absolutnym i nie wymagane sa
  korekcje na rozpraszanie swiatla jak to ma
  miejsce w standardowych przyrzadach omawianych
  wczesniej.

37
(No Transcript)
38
(No Transcript)
39
Pomiary rozpraszania
Nephelometer calkujacy TSI
40

• Nephelometr umozliwia pomiar wspólczynnika
  rozpraszania aerozolu na podstawie obserwacji
  promieniowania rozproszonego w katach
  rozproszenia w przedziale od 7 do 170o.
• Ponadto wspólczynnika rozpraszania do tylu dzieki
  ukladowi blokujacemu detekcje promieniowania
  rozproszonego w przedziale od 7 do 90o.

Io oraz I sa natezeniem swiatla emitowanego oraz
mierzonego przez detektor, x droga geometryczna,
?abs ?scat ?ext wspólczynnikami absorpcji,
rozpraszania oraz ekstynkcji.
suma absorpcji zwiazana z aerozolami i molekulami
powietrza
suma rozpraszania zwiazana z aerozolami i
molekulami powietrza
41
(No Transcript)
42
(No Transcript)
43
(No Transcript)
44
Pomiar funkcji fazowej
Nephelometer polarny
Funkcja fazowa okresla gestosc prawdopodobienstwa
rozpraszania fotonów w kat brylowy d?(?)
45
Lidar- mikropulsowy MPL
?523 nm rozdzielczosc pionowa 75 m Zasieg 8-20
km
Wyznaczany na podstawie sygnalu lidarowego
Pionowy profil ekstynkcji oraz wspólczynnika
rozpraszania do tylu
46
(No Transcript)
47
(No Transcript)
48
(No Transcript)
49
(No Transcript)
50
Pomiary wlasnosci fizycznych aerozoli

• Poza pomiarami optycznych wlasnosci aerozoli
  wykonuje sie pomiary fizyczno chemiczne
  obejmujace
• Pomiary rozkladu wielkosci
• Pomiary liczby (koncentracji) czastek
• Skladu chemicznego
• Wlasnosci higroskopijne

51
Nazewnictwo

• TSP Total Suspended Particulate wszystkie
  aerozole zawarte w powietrzu
• PM10 aerozole o srednicy mniejszej niz 10 ?m
• PM2.5 aerozole o srednicy mniejszej niz 2.5 ?m
• Powyzszy podzial wynika z minimum w koncentracji
  aerozoli dla srednicy czastek okolo 2.5 ?m.
  Czastki mniejsze to przewaznie aerozole
  antropogeniczne zas wieksze naturalne.
• Ma on równiez znaczenie zdrowotne. Czastki PM10
  dostaja sie do górnych dróg ukladu oddechowego
  zas czastki PM2.5 moga wnikac nawet do pluc
• Frakcja PM10 wieksza od PM2.5 nazywa sie czesto
  aerozolami grubymi coarse particles zas PM2.5
  fine particles.
• Ultra Fine Particles (UFP) to aerozole o srednicy
  mniejszej od 0.1 ?m.

52
Gromadzenie aerozolu

• Filtry najprostsza metoda gromadzenia czastek.
  Masa filtru przed i po pomiarze daje nam
  informacje o ilosci aerozolu.
• Cyklony to specjalne typy impaktorów w których
  osadzanie czastek na filtrach odbywa sie z
  istotnym wplywem grawitacyjnego osiadania duzych
  aerozoli. Wskutek tego najwieksze czastki
  zastaja przechwycone zanim dotra do glównego
  filtra. Na filtrze gromadza sie czastki mniejsze
  od pewnego krytycznego promienia. Zalezy on od
  geometrii cyklonu, predkosci przeplywu.
• Impaktor dwudzielny - Virtual Dichotomous
  Impactor
• Ten typ impaktora dzieli czastki na duze i male.
  Czesto podzial ten zawiera sie w przedzialach 10
  2.5 ?m oraz czastki mniejsze od 2.5 ?m.
•  Impaktory kaskadowe - zawieraja caly szereg
  impaktorów polaczonych ze soba w sposób
  szeregowy. Dziela czastki na kilka klas
  wielkosci.

53
(No Transcript)
54
(No Transcript)
55
Pomiary koncentracji

• Juz 1890 roku zastosowano licznik Aitkena do
  pomiaru najmniejszych czastek zanieczyszczen
• Zasada dzialania polega na konwersji czastek
  aerozolu w znacznie wieksze kropelki, które sa
  juz latwe do zliczania.
• Uzyskiwalo sie je przez kondensacje pary wodnej
  na aerozolach w komorze w której panowalo silne
  przesycenie para wodna.
• Znajac objetosc powietrza w komorze licznika
  mozna  wyznaczyc ich poczatkowa koncentracje.
  Taka metoda postepowania wynika z braku
  mozliwosci obserwacji, czastek o wymiarach
  mniejszych od dlugosci fal uzywanych w
  mikroskopach optycznych (obserwacje bezposrednie
  umozliwia mikroskop elektronowy).

56
CNC - Condensation Nucleus Counter
57
Condesation Particle Counter 3022A- TSI
58

• Przyrzad zlicza czastki o rozmiarach od kilku
  nanometrów do kilku mikrometrów.
• Ze wzgledu na fakt, iz jest bardzo trudno
  rejestrowac czastki mniejsze od ulamków
  mikrometrów gdyz ich rozmiar mniejszy od dlugosci
  fali dlatego czastki te sztucznie powieksza sie
  poprzez proces kondesacji pary wodnej.

59
(No Transcript)
60
Aerodynamic Particle Sizer Spectrometer 3321-TSI
Przyrzad wysokiej rozdzielczosci pozwalajacy w
trybie rzeczywistym mierzyc aerodynamiczny
rozklad wielkosci czastek z przedzialu 0.5 to 20
µm. W czasie pomiaru rejestruje sie natezeniu
swiatla rozproszonego na czastkach oraz predkosci
opadania czastek.
61
(No Transcript)
62
DMA - Differential Mobility Analyzer

• DMA wykorzystuje róznice w ruchliwosci aerozolu
  wynikajace z istnienia pola elektrycznego.
• Czastki obdarzone ladunkami jednakowego znaku
  separowane sa w polu elektrycznym. Zmiana
  potencjalu elektrody kolektora powoduje usuwanie
  ze strumienia powietrza coraz wiekszego aerozolu.
  Ladunek koncowy zebrany na elektrometrze jest
  proporcjonalny do ilosci czastek lub do wielkosci
  sumarycznego ladunku powierzchniowego.
• DMA sklada sie z dwóch naladowanych cylindrów,
  wlotu czastek oraz segregatora wielkosci czastek.
  
• W przypadku czastek o srednicach kilku nanometrów
  ruchy Browna staja sie istotne i nalezy brac
  poprawki zwiazane z tym procesem.

63
DMA
64
Differential Mobility Particle Sizer
(DMPS)Scanning Mobility Particle Sizer (SMPS)

• Przyrzady DMPS oraz SMPS sa w zasadzie takie same
  a róznia sie jedynie ukladem elektronicznym
• Zawieraja DMA (Differential Mobility Analyser), a
  CPC (Condensation Particle Counter)
• Poniewaz CPC zlicza czastki nie zaleznie od ich
  rozmiaru wiec przy uzyciu DMA mozna czastki
  pierwotnie sortowac w zaleznosci od ich
  rozmiarów.
• W dalszej kolejnosci poprzez kondensacje pary
  wodnej zwiekszyc ich rozmiary i na koncu zliczac.
• W rezultacie dostajemy informacje o koncentracji
  oraz rozmiarze aerozolu w przedziale (3 nm to 1
  ?m)
• SMPS-3936.pdf

65
Odzyskiwanie rozkladu wielkosci aerozolu nad
podstawie pomiarów optycznych
Problem odwrotny sprowadza sie do rozwiazania
równania Fredholma I-go rodzaju. Ze wzgledu na
ograniczona ilosc obserwacji spektralnych
grubosci optycznej czy wspól. ekstynkcji (z
reguly kilka dlugosci fali) problem odwrotny jest
zle postawiony.
66
(No Transcript)
67
Konimetry

• Sluza podobnie jak DMA do separacji aerozoli ze
  wzgledu na ich wielkosci
• Wykorzystuja rózna bezwladnosc czastek
• Selekcja czastek dokonuje sie przy przeplywie
  powietrza w rurce o pewnym zakrzywieniu.
• http//fy.chalmers.se/molnar/lectures/Measurement
  20Methods20II.htm

68
Hygroscopic Tandem Differential Mobility Analyser
(H-TDMA) - pomiar higroskopijnego wzrostu aerozolu
69
Pomiary wlasnosci higroskopijnych aerozoli
System Size range RH range/T range Time resolution Parameter
H-DMPS 20 - 900 nm ambient (lt 90) 10 min particle number size distribution
H-TDMA 20 - 450 nm 30 - 90 10 min for one size fraction growth factor, number fraction
HH-TDMA 20 - 450 nm 30 - 98 10 min for one size fraction growth factor, number fraction
H-DMA-APS 0.5 - 3 µm ambient (lt 90) 10 min growth factor, number fraction / particle number size distribution
TD-H-TDMA 20 - 450 nm 30 - 90 / 300C 10 min for one size fraction growth factor, number fraction of non-volatile mass fraction
H-TDMA-OPC 100 - 900 nm 30 - 90 1 min Optical state of mixture as function of growth factor

70
H-TDMA (Hygroscopicity-Tandem Differential
Mobility Analyzer). Pomiar wlasnosci higroskopijny
ch czastek ich rozmiaru w zaleznosci od
wilgotnosci wzglednej
H-TDMA-OPC (Hygroscopicity-Tandem Differential
Mobility Analyzer-Optical Particle Counter).
Pomiar wlasnosci optycznej mieszaniny aerozoli w
funkcji parametru wzrostu.
71
Metody analizy aerozoli
Analytical method Acronym Type of Information
Energy Dispersive X-Ray Fluorescence spectrometry EDXRF Elemental
Total Reflection X-Ray Fluorescence spectrometry TXRF Elemental
Atomic Absorption Spectrometry AAS Elemental
Mass Spectrometry MS  
Inter Coupled Plasma MS ICP-MS Elemental
Gas Chromatography (-MS) GS or GC-MS Organic Compounds
Neutron Activation NA Elemental
Anodic Stripping Voltammetry ASV Elemental
Electron Spectroscopy (for chem.. analysis) ESCA Elemental
Ion Chromatography IC Inorganic compounds
Selective Ion Electrodes - Elemental
Colorimetry - Inorganic compounds
IR-, UV- Spectroscopy - compounds
72
Informacje techniczne

• http//www.tropos.de/eng/PHYSICS/aerosol/humidity/
  measure.html
• http//www.grimm-aerosol.com/html/en/products/nano
  particle-wide-range.htm

73
Spektrometr masowy
Przyrzad do pomiaru rozmiaru oraz chemicznego
skladu pojedynczych czastek aerozoli. ATOFMS
(TSI) 3800 jest przykladowym przyrzadem
dzialajacy w trybie rzeczywistym.
74
(No Transcript)
75
ATOFMS mierzy rozklad wielkosci z zakresie 0.3 do
3 mikrometrów. Spektrometr masowy dziala z
czestoscia 10 czastek na sekunde. Jonizacja
czastek nastepuje przez silne zródlo swiatla
laserowego Bipolarna jonowa detekcja umozliwia
uzyskanie dwóch (dodatniego oraz ujemnego) widma
masowego. Daje ono dodatkowe informacje o
czastkach oraz ich zródlach.
76
Positive and negative mass spectra of an
Elemental Carbon particle
Positive and negative mass spectra of a salt
particle