Scintillometrie optica in een turbulente atmosfeer Arnold Moene

Scintillometrie: optica in een turbulente atmosfeer Arnold Moene Meteorologie en Luchtkwaliteit, Wageningen Universiteit met dank aan Henk de Bruin en Oscar Hartogensis

Wat natuurkundigen doen…. n Meteorologie in Wageningen: l l l Grenslagen boven land Uitwisseling tussen aardoppervlak en atmosfeer Experimenten en modellen

De grote lijn Scintillometrie: optica in een turbulente atmosfeer n n n Scintillometrie Turbulente atmosfeer Optica Scintillometers Toepassingen

Scintillaties Scintillometrie

Scintillaties (Noot: niet ‘flits bij ionisatie in transparant medium’) bron n ontvanger Variatie l l l n medium Variatie beeld ← variaties brekingsindex Variaties brekingsindex ← variaties temperatuur Variaties temperatuur ← turbulentie Variatie ontvangen signaal: informatie over medium Scintillometrie

intensiteit Scintillometer tijd bron n ontvanger Zelf bron in de hand: l l l n medium Constante intensiteit Golflengte Bundel diameter Doel: meten verticaal transport van warmte en waterdamp Scintillometrie

Historie n n n ’ 60: Rusland theorie (m. n. astronomie) ’ 70 -’ 90: US experimenten + theorie (m. n. militair) eind ’ 80: Wim Kohsiek sabattical bij NOAA 1991: experiment Spanje (o. a. KNMI en WU, Henk de Bruin) 1994: Wageningen experimenten, theorie en toepassingen 2003: produktie commerciële scintillometer in Nederland Scintillometrie

hoogte (km) Atmosfeer: opbouw 10 1 0. 1 inversie (tropopause) inversie oppervlaktelaag grenslaag (turbulent) troposfeer Bron: Jordi Vila Turbulente atmosfeer

Turbulentie: energiebron aardoppervlak! windschering dichtheidsverschillen in zwaartekrachtsveld windsnelheid n vernietiging hoogte produktie temperatuur Zonder toevoer energie stopt turbulentie (dissipatie) Turbulente atmosfeer

Energiebalans aardoppervlak L v. E H Grond Einddoel hoogte G L v. E Q* : netto straling G : bodem warmteflux(-dichtheid) H : voelbare warmteflux(-dichtheid) Lv. E: verdamping hoogte Q* H Atmosfeer vocht Turbulente atmosfeer temperatuur

Turbulent transport: covariantie verticale wind temperatuur vochtgehalte CO 2 conc. Turbulente atmosfeer

Turbulent transport en similariteit n n Warmteflux: Voor bepaling warmteflux: l l n maat voor variatie in temperatuur niet afdoende cor(w, T) en σw: bepaald door produktiewijze turbulentie: windschering en/of dichtheidsfluctuaties Via dimensie-analyse en experimenten: similariteitsrelaties l l tussen grootheden als bijv. σT (of CT 2) en de bepalende flux (i. c. warmteflux) afhankelijk van aard turbulentieproduktie Turbulente atmosfeer

variantie logschaal Turbulentie: Fourier spectrum inertiaal gebied: intensiteit ~ CT 2 κ-5/3 macroschaal produktie intensiteit microschaal dissipatie κ~1/schaal Turbulente atmosfeer logschaal

Spectrum en oppervlakte-fluxen n n Voelbare warmteflux → fluctuaties temperatuur Verdamping → fluctuaties vocht temperatuurspectrum hoge warmteflux lage warmteflux Turbulente atmosfeer vochtspectrum hoge verdamping lage verdamping

Optica n n Brekingsindex lucht n : 1 ± 10 -6 Hangt af van: l l l toestand (dichtheid, m. n. temperatuur) samenstelling lucht (m. n. vochtgehalte) golflengte Variaties n : n Lenzen met variatie in: l l Optica diameter sterkte → n ← diameter

Van brekingsindex naar meteorologie Golflengte n functie van bepalende flux ~1 μm (zichtbaar) temperatuur (en vocht) voelbare warmtestroom ~1 cm (radio) vocht (en temperatuur) verdamping Optica

Optica: Fresnel-Huygens effect met 1 wervel verstrooing aan n-verstoring s puntbron ontvanger x L-x L Optica Constructieve Destructieve interferentie als: F = √(Lλ): diameter 1 e Fresnel zone

Optica: grote wervel (s>> F) puntbron ontvanger Meervoudig destructieve interferentie + constructive interferentie → netto geen fluctuatie Optica

Optica: alle wervels n Standaard-deviatie logaritme van intensiteit bij ontvanger: alle werveldiameters (~1/κ) hele pad (L) Optica

Grote bundeldiameter (large aperture) n n ´Groot´ t. o. v. F Bundel met diameter D: l l n Bron: verzameling puntbronnen Ontvanger: verzameling punt-ontvangers Kleinschalige fluctuaties uitgemiddeld Optica

Optica: grote bundel diameter n Standaard-deviatie logaritme van intensiteit bij ontvanger: bundelmiddeling alle werveldiameters (~1/κ) hele pad (L) Optica

Karakteristieke lengteschalen n Scintillometer l l l n Turbulentie l l n Fresnel zone diameter F = √(λL) bundel diameter D scintillometer ‘ziet’ schalen van orde max(F, D) microschaal l 0 macroschaal L 0 Als max(F, D) in inertiaal gebied (tussen L 0 en l 0), integraal voor σln(I) eenvoudig: l Puntbron l Grote opening Scintillometers l 0

Verschillende scintillometers n kleine opening (D ~ 2 mm) l n grote opening (D = 10 -30 cm) l n ook gevoelig voor microschaal geschikt voor lange afstanden radiogolf (λ~ 1 cm, F ~ 4 m) l gevoelig voor waterdamp Scintillometers

tijd intensiteit Van scintillometer naar flux: optisch tijd σln(I) Turbulentie + golfvoortplanting C n 2 Golflengte straling (+ informatie waterdamp) CT 2 Similariteitsrelaties + meting wind voelbare warmteflux Toepassingen

Van scintillometer naar flux: optisch + radiogolf σln(I) optisch σln(I) radio Cn 2 optisch Cn 2 radio Turbulentie + golfvoortplanting Golflengte straling Similariteitsrelaties + meting wind Toepassingen CT 2 voelbare warmteflux C q 2 verdamping

Fluxen heterogeen terrein: weermodel Toepassingen

Fluxen heterogeen terrein (Duitsland) bos Toepassingen akkerland

Fluxen heterogeen terrein: test bos akkerland Toepassingen

Fluxen op veldschaal: irrigatie (Idaho, VS) Toepassingen

Verdamping olijfboomgaard (Marrakech) Doel: Controle satellietschattingen fluxen Toepassingen

En nog vele andere locaties…. . Toepassingen

Scintillometrie: turbulentie en optica n Uitdagingen in: l l l n Theorie van turbulentie Details van optica Nieuwe toepassingen Nieuw scintillometers: l l l Combinatie meerdere bundels (informatie over wind) Eén bundel met tralie ervoor Radiogolf-scintillometer van onderzoeksinstrument naar operationeel (toepassingen in waterbeheer) Conclusie

Dank u Meer informatie arnold. moene@wur. nl Verder lezen ‘Twinkle, twinkle little star – Scintillaties als maat voor verdamping’. NVOX november 2004