Meteorologia dowiadczalna Wykad 9 Pomiary wasnoci mikrofizyczny oraz

Meteorologia doświadczalna Wykład 9 Pomiary własności mikrofizyczny oraz optycznych aerozoli atmosferycznych Krzysztof Markowicz kmark@igf. fuw. edu. pl

Zanieczyszczenia atmosfery zwane inaczej aerozolami to małe cząstki stałe lub ciekłe powstające w sposób naturalny oraz w wyniku działalności gospodarczej człowieka. Rodzaje aerozoli: • sól morska • drobiny piasku Aerozole naturalne. • pyły (wulkaniczny) • fragmenty roślin • sadza (elemental carbon), organic carbon • siarczany, azotany • związki organiczne i nieorganiczne Aerozole antropogeniczne

niehigroskopijny Inny podział aerozoli bardzo ważny z punktu widzenia fizyki atmosfery Pył pustynny Sadze Sól morska Siarczany, azotany Aerozole organiczne

Objętościowy rozkład wielkości cząstek

Usuwanie aerozoli z atmosfery Sucha depozycja Sedymentacja – osiadanie grawitacyjne (efektywnie usuwane tylko duże cząstki) Wilgotna depozycja (wymywanie przez krople chmurowe lub krople deszczu). Efektywne usuwanie cząstek z modu akumulacyjnego

Wpływ aerozoli na klimat Ziemi Efekt bezpośredni (poprzez rozpraszanie i absorpcje promieniowania) • Efekt pośredni (poprzez oddziaływanie na własności mikrofizyczne chmur)

Bezpośredni wpływ aerozoli na klimat wzrost albeda planetarnego warstwa aerozolu redukcja promieniowana słonecznego dochodzącego do powierzchni ziemi wzrost absorpcji w atmosferze

Pośredni wpływ aerozoli – ślady statków większe albedo Stratocumulus. . . : : : : . . . : : . . : : : : . . Większa koncentracja kropel, Mniejszy promień re

Średnia grubość optyczna aerozolu (marzec- maj)

Grubość optyczna aerozoli o promieniu r<1 m (aerozol antropogeniczny i powstały w czasie pożarów) Grubość optyczna aerozoli o promieniu r>1 m (piasek i sól morska)

Pomiary własności optycznych aerozoli Pomiary grubości optycznej Współczynnika absorpcji Współczynnika rozpraszania Współczynnika ekstynkcji Współczynnika rozpraszania do tyłu Funkcji fazowej

Fotometr Słoneczny

Pomiary grubości optycznej aerozolu Zakładając horyzontalną jednorodność z prawa Lamberta-Beera mamy: I oraz Io – natężenie promieniowania bezpośredniego przy powierzchni ziemi i na górnej granicy atmosfery, m- masa optyczna atmosfery, RAY, H 2 O O 3 grubość optyczna związana z rozpraszaniem Rayleigh’a, absorpcja przez parę wodną oraz ozon.

W obszarze widzialnym oraz w bliskiej podczerwieni grubość optyczna ozonu, pary wodnej oraz innych gazów jest najczęściej zaniedbywana mała poza wąskimi pasmami absorpcyjnymi. Największy wkład do grubości optycznej wnoszą rozpraszanie i absorpcja aerozolu oraz rozpraszanie molekularne. Przy czym to ostatnie szybko zmniejsza się z długością fali ( -4). Przykład: RAY(350 nm)=0. 61 RAY(500 nm)=0. 14 RAY(1000 nm)=0. 008 Typowe wartości grubości optycznej aerozolu mieszczą się w Polsce się w zakresie od 0. 1 do 0. 5.

Rozpraszanie Rayleigha A=8436 e-6; B=-1225 e-7; C=14 e-5; p 0=1013; Masa optyczna atmosfery a=0. 50572; b=6. 07995; c=1. 6364; a- jest kątem elewacyjnym Słońca w radianach. Dla kąta elewacyjnego > 30 o

Grubość optyczna aerozolu (AOT) opisuje całkowitą zawartość aerozolu w pionowej kolumnie powietrza. Z definicji grubości optycznej mamy gdzie ekstynkcja wyraża się wzorem Qext () jest efektywnym przekrojem czynnym na ekstynkcje i dla cząstek sferycznych może być wyznaczony z teorii MIE o ile znamy współczynnik refrakcji m oraz promień cząstki r.

Pomiary grubości optycznej aerozolu MICROTOPS- pomiar bezpośredniego promieniowania słonecznego Wyznaczane: 1. Grubość optyczna =380, 440, 500, 675, 870, 1020 nm 2. Opad potencjalny 3. Całkowitą zawartość ozonu w pionowej kolumnie powietrza (MICROTOPS OZONOMETER)

Shadowband detektory: fotodiody Spektralny pomiar promieniowania całkowitego oraz rozproszonego =[415, 500, 610, 665, 862, 940 nm] Służy do wyznaczania grubości optycznej aerozolu oraz opadu potencjalnego.

CIMEL-sunphotometer Używany w sieci AERONET Pomiar bezpośredniego promieniowania słonecznego za pomocą aktywnego systemu śledzącego Słońce oraz radiancji nieba (aureola Słońca) Wyznaczanie teledetekcyjne 1. Grubość optyczna aerozolu =[340, 380, 440, 500, 670, 870, 1020 nm] 2. Albedo pojedynczego rozpraszania 3. Funkcja fazowa 4. Rozkład wielkości aerozolu

CIMEL – fotometr słoneczny

Pomiary promieniowania rozproszonego CIMEL wykonuje się dwa różne skanowania obszaru nieba, wykonywane w: płaszczyźnie horyzontalnej (stały kąt zenitalny) płaszczyźnie prostopadłej (stały kąt azymutalny) Promieniowanie rozproszone docierające do powierzchni ziemi zależy od własności optycznych aerozoli W przeciwieństwie do promieniowania bezpośredniego promieniowanie rozproszone rośnie ze wzrostem grubości optycznej aerozoli. Wykorzystanie pomiarów promieniowania rozproszonego w metodach teledetekcyjnych jest jednak znacznie trudniejsze, gdyż wymaga rozwiązania pełnego równania transferu w atmosferze. Aby to zrobić musimy dokonać wielu założeń np. założyć profil pionowy parametrów stanu atmosfery czy fizyczno-optycznych własności aerozoli.

Rozkład radiancji promieniowania rozproszonego dla małych grubości optycznych możemy określać przy użyciu przybliżenia pojedynczego rozpraszania. W tym przypadku wzór na promieniowanie rozproszone ma analityczna postać o = o gdzie wielkości optyczne takie jak funkcja fazowa P czy albedo pojedynczego rozpraszania są wartościami uśrednionymi w pionowej kolumnie atmosfery, oraz o są cosinusami kątów zenitalnych przyrządu oraz Słońca, jest całkowitą grubością optyczną atmosfery w skład której wchodzi grubość optyczna aerozolu zaś F jest stała słoneczna dla danego kanału.

AERONET- sieć obserwacji aerozolowych opartych na pomiarach fotometrami słonecznymi W skład AERONETu wchodzi ponad 100 stacji wyposażonych fotometry typu CIMEL. Dane przesyłane za pośrednictwem łącz satelitarnych http: //aeronet. gsfc. nasa. gov Poziomy danych w AERONECIE Level 1. 0 wstępnie przetworzone dane Level 1. 5 dane po odrzuceniu chmur Level 2. 0 ostateczna wersja uwzględniająca poprawki kalibracyjne i manualne odrzucenie chmur.

Pomiary współczynnika absorpcji aerozolu PSAP-Particle soot absorption photometer Pomiar współczynnika absorpcji aerozolu dla =565 nm Przyrząd za pośrednictwem pompy zasysa powietrze, które następnie przepuszczane jest przez filtr. Aerozole osadzają się na filtrze. Transmisja filtra monitorowana jest za pomocą układu optycznego Przyrząd wymaga ręcznej zmiany filtra co kilka godzin

abs współczynnik absorpcji [m-1] S powierzchnia zajmowana przez cząstki aerozolu [m 2] V – objętość powietrza przepływająca w jednostce czasu [m 3] I – natężenie promieniowania przechodzącego przez filtr Io natężenie promieniowania padającego na filtr

Błędy pomiarowe PSAP Błędy niestabilności prędkość przepływu powietrza – mniejsze niż 2% Błędy związane z powierzchnią akumulacji aerozolu na filtrze – mniejsze niż 2% Błędy związane z rozpraszaniem ~2% Błędy związane z absorpcja ~22% Precyzja przyrządu < 6% Całkowity błąd PSAP-u dla uśredniania 1 minutowego i typowych warunków atmosferycznych wynosi około 15%

Aethalometer Przyrząd działa na tej samej zasadzie co PSAP jednak pomiar transmisji filtra odbywa się dla kilku długości fali. Ponadto układ mechaniczny pozwala na automatyczna zmianę filtra. http: //www. mageesci. com Kanały spektralne

Przyrząd raportuje koncentracje cząstek absorbujących - black carbon (BC) w [ng/m 3] liczona ze wzoru: gdzie ATN(t) oraz ATN(0) jest atenuacją filtru w chwili czasu t oraz chwili początkowej, zaś SG jest masowym współczynnikiem absorpcji „black carbon” w [m 2/g]. Filtr kwarcowy

Tryb pracy 1. 2. 3. 4. 5. Aethalometr pracuje w cyklu 5 minutowym w czasie którego wykonywane są: Pomiar napięcia na detektorze przy wyłączonych źródłach światła Pomiar napięcia na detektorze przy włączonych źródłach promieniowania Pomiar prędkości przepływu Obliczanie wartość BC Obliczanie współczynnika absorpcji może być wykonane dopiero w czasie analizy danych. Wymaga to jednak wykonania skomplikowanych poprawek na rozpraszanie promieniowania na warstwie aerozolu gromadzonego na filtrze.

Przykładowy przebieg koncentracji cząstek absorbujących

Multi-Angle Absorption Photometer, Model 5012 Pomiar natężenia promieniowania rozproszonego wstecznie na warstwie aerozolu dla kilku kątów rozpraszania. Umożliwia to oszacowanie efektu rozpraszania w całkowitej transmisji promieniowania przez filtr. Umożliwia to wyznaczenie współczynnika absorpcji Przyrząd działa dla długości fali 670 nm.

Pomiary fotoakustyczne. Pomiary absolutne. W przyrządach tego typu źródło silnego światła przechodząc przez warstwę powietrza zawierającego aerozol jest absorbowane. Prowadzi to do ogrzewania i rozszerzania się otaczającego powietrza. W czasie tego ostatniego procesu emitowane są fale akustyczne, które rejestrowane są przy użyciu czułego mikrofonu. Natężenie fali dźwiękowej związane jest z współczynnikiem absorpcji aerozolu Wadą przyrządu jest niska czułości dlatego wymagane jest używanie silnego źródła świata oraz stosowania rezonatora do wzmacniania fali dźwiękowej. Zaletą przyrządu jest unikatowa technika pomiarowa, która sprawia, iż tak wykonany pomiar jest pomiarem absolutnym i nie wymagane są korekcje na rozpraszanie światła jak to ma miejsce w standardowych przyrządach omawianych wcześniej.

Pomiary rozpraszania Nephelometer całkujący TSI

Nephelometr umożliwia pomiar współczynnika rozpraszania aerozolu na podstawie obserwacji promieniowania rozproszonego w kątach rozproszenia w przedziale od 7 do 170 o. Ponadto współczynnika rozpraszania do tylu dzięki układowi blokującemu detekcje promieniowania rozproszonego w przedziale od 7 do 90 o. Io oraz I są natężeniem światła emitowanego oraz mierzonego przez detektor, x droga geometryczna, abs scat ext współczynnikami absorpcji, rozpraszania oraz ekstynkcji. suma absorpcji związana z aerozolami i molekułami powietrza suma rozpraszania związana z aerozolami i molekułami powietrza

Pomiar funkcji fazowej Nephelometer polarny Funkcja fazowa określa gęstość prawdopodobieństwa rozpraszania fotonów w kąt bryłowy d ( )

Lidar- mikropulsowy MPL =523 nm rozdzielczość pionowa 75 m Zasięg 8 -20 km Wyznaczany na podstawie sygnału lidarowego: Pionowy profil ekstynkcji oraz współczynnika rozpraszania do tyłu

Pomiary własności fizycznych aerozoli Poza pomiarami optycznych własności aerozoli wykonuje się pomiary fizyczno chemiczne obejmujące: Pomiary rozkładu wielkości Pomiary liczby (koncentracji) cząstek Składu chemicznego Własności higroskopijne

Nazewnictwo TSP Total Suspended Particulate – wszystkie aerozole zawarte w powietrzu PM 10 – aerozole o średnicy mniejszej niż 10 m PM 2. 5 – aerozole o średnicy mniejszej niż 2. 5 m Powyższy podział wynika z minimum w koncentracji aerozoli dla średnicy cząstek około 2. 5 m. Cząstki mniejsze to przeważnie aerozole antropogeniczne zaś większe naturalne. Ma on również znaczenie zdrowotne. Cząstki PM 10 dostają się do górnych dróg układu oddechowego zaś cząstki PM 2. 5 mogą wnikać nawet do płuc Frakcja PM 10 większa od PM 2. 5 nazywa się często aerozolami grubymi „coarse particles” zaś PM 2. 5 „fine particles”. Ultra Fine Particles (UFP) to aerozole o średnicy mniejszej od 0. 1 m.

Gromadzenie aerozolu Filtry – najprostsza metoda gromadzenia cząstek. Masa filtru przed i po pomiarze daje nam informacje o ilości aerozolu. Cyklony to specjalne typy impaktorów w których osadzanie cząstek na filtrach odbywa się z istotnym wpływem grawitacyjnego osiadania dużych aerozoli. Wskutek tego największe cząstki zastają przechwycone zanim dotrą do głównego filtra. Na filtrze gromadzą się cząstki mniejsze od pewnego krytycznego promienia. Zależy on od geometrii cyklonu, prędkości przepływu. Impaktor dwudzielny - Virtual Dichotomous Impactor Ten typ impaktora dzieli cząstki na duże i małe. Często podział ten zawiera się w przedziałach: 10 – 2. 5 m oraz cząstki mniejsze od 2. 5 m. Impaktory kaskadowe - zawierają cały szereg impaktorów połączonych ze sobą w sposób szeregowy. Dzielą cząstki na kilka klas wielkości.

Pomiary koncentracji Już 1890 roku zastosowano licznik Aitkena do pomiaru najmniejszych cząstek zanieczyszczeń Zasada działania polega na konwersji cząstek aerozolu w znacznie większe kropelki, które są już łatwe do zliczania. Uzyskiwało się je przez kondensację pary wodnej na aerozolach w komorze w której panowało silne przesycenie para wodna. Znając objętość powietrza w komorze licznika można wyznaczyć ich początkową koncentrację. Taka metoda postępowania wynika z braku możliwości obserwacji, cząstek o wymiarach mniejszych od długości fal używanych w mikroskopach optycznych (obserwacje bezpośrednie umożliwia mikroskop elektronowy).

CNC - Condensation Nucleus Counter

Condesation Particle Counter 3022 A- TSI

Przyrząd zliczą cząstki o rozmiarach od kilku nanometrów do kilku mikrometrów. Ze względu na fakt, iż jest bardzo trudno rejestrować cząstki mniejsze od ułamków mikrometrów gdyż ich rozmiar mniejszy od długości fali dlatego cząstki te sztucznie powiększa się poprzez proces kondesacji pary wodnej.

Aerodynamic Particle Sizer Spectrometer 3321 -TSI Przyrząd wysokiej rozdzielczości pozwalający w trybie rzeczywistym mierzyć „aerodynamiczny” rozkład wielkości cząstek z przedziału 0. 5 to 20 µm. W czasie pomiaru rejestruje się natężeniu światła rozproszonego na cząstkach oraz prędkości opadania cząstek.

DMA - Differential Mobility Analyzer DMA wykorzystuje różnice w ruchliwości aerozolu wynikające z istnienia pola elektrycznego. Cząstki obdarzone ładunkami jednakowego znaku separowane są w polu elektrycznym. Zmiana potencjału elektrody kolektora powoduje usuwanie ze strumienia powietrza coraz większego aerozolu. Ładunek końcowy zebrany na elektrometrze jest proporcjonalny do ilości cząstek lub do wielkości sumarycznego ładunku powierzchniowego. DMA składa się z: dwóch naładowanych cylindrów, wlotu cząstek oraz segregatora wielkości cząstek. W przypadku cząstek o średnicach kilku nanometrów ruchy Browna staja się istotne i należy brać poprawki związane z tym procesem.

DMA

Differential Mobility Particle Sizer (DMPS) Scanning Mobility Particle Sizer (SMPS) Przyrządy DMPS oraz SMPS są w zasadzie takie same a różnią się jedynie układem elektronicznym Zawierają DMA (Differential Mobility Analyser), a CPC (Condensation Particle Counter) Ponieważ CPC zlicza cząstki nie zależnie od ich rozmiaru więc przy użyciu DMA można cząstki pierwotnie sortować w zależności od ich rozmiarów. W dalszej kolejności poprzez kondensację pary wodnej zwiększyć ich rozmiary i na końcu zliczać. W rezultacie dostajemy informacje o koncentracji oraz rozmiarze aerozolu w przedziale (3 nm to 1 m) SMPS-3936. pdf

Odzyskiwanie rozkładu wielkości aerozolu nad podstawie pomiarów optycznych Problem odwrotny sprowadza się do rozwiązania równania Fredholma I-go rodzaju. Ze względu na ograniczona ilość obserwacji spektralnych grubości optycznej czy współ. ekstynkcji (z reguły kilka długości fali) problem odwrotny jest źle postawiony.

Konimetry Służą podobnie jak DMA do separacji aerozoli ze względu na ich wielkości Wykorzystują różną bezwładność cząstek Selekcja cząstek dokonuje się przy przepływie powietrza w rurce o pewnym zakrzywieniu. http: //fy. chalmers. se/~molnar/lectures/Measurement%20 Methods%20 II. htm

Hygroscopic Tandem Differential Mobility Analyser (H-TDMA) - pomiar higroskopijnego wzrostu aerozolu

Pomiary własności higroskopijnych aerozoli System H-DMPS H-TDMA H-DMA-APS TD-H-TDMAOPC Size range 20 - 900 nm 20 - 450 nm RH range/ T range Time resolution Parameter ambient (< 90%) 10 min particle number size distribution 30 - 90% 10 min for one size fraction growth factor, number fraction 30 - 98% 10 min for one size fraction growth factor, number fraction 0. 5 - 3 µm ambient (< 90%) 10 min growth factor, number fraction / particle number size distribution 20 - 450 nm 30 - 90% / 300°C 10 min for one size fraction growth factor, number fraction of non-volatile mass fraction 1 min Optical state of mixture as function of growth factor 100 - 900 nm 30 - 90%

H-TDMA (Hygroscopicity-Tandem Differential Mobility Analyzer). Pomiar własności higroskopijnych cząstek ich rozmiaru w zależności od wilgotności względnej H-TDMA-OPC (Hygroscopicity-Tandem Differential Mobility Analyzer. Optical Particle Counter). Pomiar własności optycznej mieszaniny aerozoli w funkcji parametru wzrostu.

Metody analizy aerozoli 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 GCMS 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 Analytical method

Informacje techniczne http: //www. tropos. de/eng/PHYSICS/aeros ol/humidity/measure. html http: //www. grimmaerosol. com/html/en/products/nanoparticle -wide-range. htm

Spektrometr masowy Przyrząd do pomiaru rozmiaru oraz chemicznego składu pojedynczych cząstek aerozoli. ATOFMS (TSI) 3800 jest przykładowym przyrządem działający w trybie rzeczywistym.

ATOFMS mierzy rozkład wielkości z zakresie 0. 3 do 3 mikrometrów. Spektrometr masowy działa z częstością 10 cząstek na sekundę. Jonizacja cząstek następuje przez silne źródło światła laserowego Bipolarna jonowa detekcja umożliwia uzyskanie dwóch (dodatniego oraz ujemnego) widma masowego. Daje ono dodatkowe informacje o cząstkach oraz ich źródłach.

Positive and negative mass spectra of a salt particle Positive and negative mass spectra of an Elemental Carbon particle