Los investigadores han desarrollado un conjunto de instrumentos lidar basados en diodos que podrían ayudar a llenar importantes lagunas en las observaciones meteorológicas y dar un salto en la comprensión, el modelado y la predicción del tiempo y el clima. Los instrumentos son especialmente adecuados para comprender la dinámica atmosférica a mesoescala., un rango de tamaño equivalente al área de una ciudad pequeña hasta la de un estado de EE. UU.
Colaboradores de la Universidad Estatal de Montana MSU en Bozeman y el Centro Nacional de Investigación Atmosférica NCAR en Boulder, Colorado discutirán el trabajo durante el Congreso de Sensores y Sensores Ópticos de la Sociedad Óptica, que tendrá lugar del 25 al 27 de junioen San José, California, durante la Sensors Expo 2019.
Hasta ahora, el equipo ha creado cinco instrumentos LIDAR de absorción diferencial de micropulsos DIAL basados en diodos instrumentos MPD, para abreviar para perfilar el vapor de agua en la troposfera inferior, la región de la atmósfera donde ocurre la mayor parte del tiempo..Los instrumentos basados en láser de diodo operan en el rango de longitudes de onda de 650 a 1000 nanómetros, principalmente dentro del espectro infrarrojo. Los instrumentos se pueden desplegar tanto de día como de noche, en gran parte sin supervisión, sin riesgo de dañar los ojos de los humanos.
"La red de cinco instrumentos MPD de vapor de agua se implementó en el observatorio atmosférico de las Grandes Llanuras del Sur de medición de la radiación atmosférica a mediados de abril", dijo la miembro del equipo Catharine Bunn. "A partir de este experimento de campo de tres meses, obtendremos información sobre cómo el climael pronóstico puede verse afectado por las mediciones continuas de MPD del vapor de agua atmosférico.
Llenando los vacíos de monitoreo
Varios informes de las Academias Nacionales de Ciencias, Ingeniería y Medicina y otros grupos de expertos durante la última década han identificado una necesidad crítica de perfiles de medición vertical de humedad, aerosoles y temperatura en la troposfera inferior. Los expertos también piden la creación deuna "red de redes" para recopilar y compartir estos datos. Para proporcionar la cobertura necesaria para mejorar el pronóstico del tiempo y el clima en los EE. UU., un informe propuso desplegar una serie de sensores en el suelo en aproximadamente 400 sitios en todo el país espaciados aproximadamente a 125 kilómetros de distancia.
Sin embargo, ha habido una brecha en la instrumentación para cumplir con esta visión de investigación y monitoreo sin depender de dispositivos basados en aviones, que son costosos de implementar. Sobre la base del trabajo anterior de otros equipos y en colaboración con científicos de NCAR, desarrolladores de instrumentos de MSUrecurrió a la tecnología MPD basada en diodos como una ruta económica a un perfilador que podría realizar mediciones precisas y cumplir con las especificaciones deseadas para un funcionamiento continuo, sin supervisión y seguridad ocular.
Demostrar valor en el campo
Los investigadores han desarrollado cinco instrumentos diferentes basados en una arquitectura común en la que se envían pulsos láser a la atmósfera y la señal de retorno, que varía a medida que la luz interactúa con el vapor de agua, se mide con módulos de conteo de fotones individuales. Los cinco instrumentos sonoperativos y dos se han desplegado en experimentos de investigación meteorológica y climática en tierra.
Un instrumento, desarrollado en colaboración por científicos de MSU y NCAR, se presentó como parte del Experimento de fotoquímica y contaminación del aire de rango frontal FRAPPE. El instrumento midió el perfil de vapor de agua vertical con menos del 10 por ciento de error medio en un rango de temperatura atmosféricacondiciones, en comparación con los perfiles recopilados por dispositivos aéreos. También funcionó sin supervisión durante 50 días continuos durante FRAPPE sin una disminución aparente del rendimiento, lo que proporciona una cobertura de datos de aproximadamente el 95 por ciento.
Los investigadores también han avanzado hacia la creación de perfiles verticales de otras dos características de alto interés de la troposfera inferior: los aerosoles y la temperatura. Basándose en la arquitectura MPD, los investigadores del NCAR construyeron un nuevo lidar de alta resolución espectral HSRL capaz de perfilar aerosoles. Complementando este trabajo, un físico de MSU adaptó técnicas matemáticas de la mecánica cuántica para resolver una ecuación que abre la puerta al uso de mediciones de propiedades de moléculas de oxígeno y otros datos atmosféricos para crear un perfil de temperatura vertical. Los modelos y experimentos preliminares sugieren que además de medir el vapor de agua yotras partículas transportadas por el aire, el HSRL puede proporcionar las mediciones necesarias para el perfilado de temperatura de alta frecuencia y de grano fino
Durante el Congreso de junio, los investigadores planean proporcionar lo último sobre su trabajo de perfiles de temperatura y otras actualizaciones sobre su instrumentación. Por ahora, dijo Bunn, "estamos comenzando a recuperar perfiles de temperatura de la troposfera inferior con una precisión de +/ - 2 Kelvin y estamos trabajando para mejorar el rendimiento del algoritmo de recuperación y del instrumento ".
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Materiales proporcionado por La sociedad óptica . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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