Wykład 10 Pomiary widzialności

1. Wykład 10Pomiary widzialności Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

2. Typy pomiarów • Widzialność meteorologiczna • Własności optyczne aerozoli • Pomiary współczynnika rozpraszania • Pomiary współczynnika absorpcji • Pomiary funkcji fazowej rozpraszania

3. Definicja widzialności Widzialność pozioma to odległości przy której obserwowany ciemny obiekt w pobliżu horyzontu jest jeszcze widoczny i rozpoznawalny na tle nieba. Wymiary obserwowanego obiektu powinny przekraczać 0.3o szerokości kątowej Ograniczenie widzialności poniżej 1 km nosi nazwę mgły zaś jeśli widzialność mieści się w przedziale od 1 do 10 km mówimy o zamgleniu. Aerozole poza produktami kondensacji pary wodnej są głównymi składnikami powietrza, które ograniczają widzialność w atmosferze. Definiuje się również pojecie widzialność pionowej oraz skośnej. Pojęć tych używa się w meteorologii lotniczej

4. Meteorologiczny zasięg optyczny MOR- Meteorological Optical Range) • Jest długością ścieżki w atmosferze potrzebnej na zredukowanie strumienie świetlnego promieniowania emitowanego przez lampę żarową o temperaturze 2700 K do 0.05 jego wartości początkowej.

5. Pomiary widzialności • Obserwacyjna metodą reperów (charakterystycznych obiektów oddalonych od stacji w przedziale do 50 m do 50 km. • Metoda pośrednia poprzez pomiar własności optycznych atmosfery: • Transmisji • Współczynników rozpraszania i absorpcji

6. Dokładność wg WMO • Zakres pomiarowy 50 m-70 km • Dokładność  50 m dla MOR<500 m  10 % dla MOR>500 m Widzialność:  0.1 km do 5 km • 1.0 km dla widzialności w przedziale 5 do 30 km • 5.0 km dla widzialności w przedziale 30 do 70 km • 10 % dla widzialności > 70 km

7. Widzialność a rozpraszanie światła w atmosferze.

8. Z pojęciem widzialności związana wielkość zwana kontrastem Gdy kontrast spada po niżej pewnej progowej wartość obiekt przestaje być widoczny

10. Contrast Transmittance Kontrast obiektu (inherent contrast) gdzie It(0), radiancją emitowaną (odbijaną) przez obiekt, Ib(0), radiancja tła w tej samej odległości co mierzona dla obiektu. gdzie It(r) radiancja promieniowania emitowanego (odbitego) przez obiekt w odległości r, T(r) transmisja, Ip(r) radiancja związana z emisja (rozpraszaniem) promieniowania na drodze od obiektu do odległości r (path radiance)

12. Kontrast obiektu widoczny z pewnej odległości (apparent contrast) Podstawiając Największym problemem jest wyznaczenie czynnika Ip( r) . Wymaga on rozwiązania równania transferu promieniowania uwzględniającego wielokrotne rozpraszanie w atmosferze.

13. Ponieważ interesuje nas przypadek graniczny wiec możemy przyjąć ze T(r)<<1 oraz Ip(r)/Ib(0)=1. Wówczas Jako próg kontrastu przyjmuje się wartość |C(r)|=0.02. Dla obiektu czarnego C(0)=-1. Prowadzi to do równania:

14. Równanie Koschmiedera gdzie  jest ekstynkcja dla długości fali 550 nm odpowiadającej największej czułości oka ludzkiego.  jest sumą w skład której wchodzą efekty molekularne (rozpraszanie Rayleigh’a), aerozol (absorpcja oraz rozpraszanie) oraz krople wody (rozpraszanie) = M +A+W gdzie M dla warunków standartowych (p=1013, T=273) wynosi 0.012 1/km. Tak więc dla idealnie czystej atmosfery widzialności wynosi około 325 km

15. Wyprowadzenie równania Koschmiedera z równania transferu

16. Wpływ odległości na kontrast obiektów

19. dioda świecąca lub laserowa Detektor, fotodioda I Io L Transmisjometr Najprostszy przyrząd do pomiaru widzialności Natężenie światła mierzone przez detektor wynosi: I=Ioexp(-L) Stąd łatwo możemy wyznaczyć całkowitą ekstynkcję =1/L ln(Io/I) Korzystając z równania Koschmiedera wyznaczamy widzialność

20. W przyrządach do pomiaru widzialności stosuje się technikę polegającą na uzmiennianiu sygnału emitowanego aby w ten sposób zminimalizować promieniowanie tła • W czasie dnia promieniowanie tła może mieć dużą wartość w porównaniu z promieniowaniem emitowanym przez nadajnik. • Technika ta nosi nazwę detekcji fazoczułej.

21. Błędy transmisjometrów • Błędy wynikające z niewspółosiowego ustawienia źródła promieniowania i detektora. Przy dużych odległościach detektora od nadajnika zmiany te mogą być znaczące. • Błędy wynikające z zanieczyszczenia układu optycznego • Błędy wynikające z niestabilności układów elektronicznych • Błędy wynikające ze zmiany natężenia światła emitowanego oraz fluktuacji częstości repetycji. • Błędy wynikające z wpływu światła dziennego

22. Pomiary widzialności oparte na pomiarze współczynnika rozpraszania Nadajnik i detektor nie leżą na prostej tak że tworzą kąt rozwarty. Przyrząd do pomiaru widzialności oparty na pomiarze rozpraszania pod katem około 45o . Okazuje się że rozpraszanie pod kątem 45 stopni nie zależy od rodzaju cząstek a jedynie od ich ilości IIoscatP(45)dV scat współczynnikiem rozpraszania zaś P(45) prawdopodobieństwo rozproszenia fotonu (funkcja fazowa)

23. = scat + abs scat abs oznaczają współczynniki rozpraszania i absorpcji.Przy założeniu ze współczynnik absorpcji jest abs <<scat można wyznaczyć widzialności opierając się tylko na pomiarze współ. rozpraszania. Pomiary scat wykonuje się przy pomocy Nephelometrów zaś abs przy użyciu Aethalometrów

24. Vaisala Transmissometer LT31 Visibility (MOR) measurement Measurement range:30 m baseline length (optimal) : 10 - 10 000 m 50 m baseline length: 25 – 10 000 m 75 m baseline length : 37.5 – 10 000 mAccuracy: specifications for RVR and Visibility WMO Present weather (optional) Identifies 7 different types of precipitation (rain, freezing rain, drizzle, freezing drizzle, mixed rain/snow, snow, ice pellets) Message Operating environment Temperature -40...+60 °CHumidity 0...100 %RHWind 60 m/s

25. Vaisala Visibility Meter FD12 Visibility (MOR) measurement Measurement range: 10 ... 50 000 m (32 ft ... 31 miles) Operating environment Temperature: -40 … 55 oCHumidity: 0...100 %RH

26. Wideometry • Dzielą się na: • Automatyczne analizatory widzialności świateł na pasie startowym (wideometry liniowe) • Automatyczne analizatory widzialności „czarnych obiektów” w obszarze lotniska (wideometry przestrzenne).

27. Szacowanie widzialności przy użyciu aparatu cyfrowego

28. kontrasty obiekty dla dwóch różnych odległości gdzie g jest przyspieszeniem grawitacyjnym w ms-2, p jest ciśnieniem atmosferycznym w hPa,  długością fali w µm, T jest temperaturą powietrza w K, R jest stała gazową dla powietrza suchego 287,1 Jkg-1K-1, a pozostałe stałe przyjmują wartości: po=1013 hPa, A=843610-6 µm4, B=-122510-7 µm5, C=1410-5 µm6.