Teledetekcja czyli jak badać atmosferę z odległości kilkunastu kilometrów bez pobierania próbek powietrza?
Nie wszystkie właściwości atmosfery można zmierzyć bezpośrednio. Cząsteczki aerozoli, warstwy chmur czy zawartość wody w atmosferze znajdują się często na wysokości wielu kilometrów, dlatego ich badanie wymaga metod, które pozwalają prowadzić obserwacje na odległość. Takie pomiary nazywamy teledetekcją (remote sensing).
W odróżnieniu od pomiarów in situ, podczas których instrument znajduje się bezpośrednio w badanym ośrodku lub analizuje pobraną próbkę, w teledetekcji informację o atmosferze uzyskujemy z promieniowania docierającego do instrumentu z odległej warstwy atmosfery. W zależności od zastosowanej metody może to być promieniowanie optyczne, podczerwone lub mikrofalowe. Dzięki temu możliwe jest prowadzenie pomiarów bez konieczności pobierania próbek i uzyskiwanie informacji nie tylko o składzie atmosfery, ale również o rozmieszczeniu aerozoli i chmur w pionie.
W ramach infrastruktury ACTRIS teledetekcja odgrywa szczególnie ważną rolę w badaniu aerozoli i chmur. Stosowane są zarówno instrumenty aktywne, które wysyłają własny sygnał i analizują jego oddziaływanie z atmosferą, jak i instrumenty pasywne, które rejestrują naturalne promieniowanie pochodzące z otoczenia.
Aktywne metody teledetekcji
Do najważniejszych aktywnych instrumentów należą lidary. Działają one podobnie jak radar, ale zamiast fal radiowych wykorzystują promieniowanie laserowe. Wysyłają krótkie impulsy światła w atmosferę, a następnie rejestrują niewielką część promieniowania rozproszonego przez cząsteczki powietrza, aerozole i chmury. Analiza powracającego sygnału pozwala określić, na jakiej wysokości znajdują się poszczególne warstwy atmosfery i jakie mają właściwości.
Lidary aerozolowe stosowane w ACTRIS wykorzystują różne długości fali, m.in. promieniowanie ultrafioletowe, widzialne i bliską podczerwień. Wielokanałowe systemy mogą dostarczać informacji o rozpraszaniu światła przez aerozole, ich właściwościach optycznych, a także o polaryzacji promieniowania. Pozwala to między innymi rozróżniać różne typy aerozoli i śledzić ich transport w atmosferze.
Do aktywnych metod należą również automatyczne lidary małej mocy i ceilometry. Mogą one pracować w sposób ciągły i dostarczać informacji o warstwach aerozoli oraz wysokości podstawy chmur. Ich dane mogą być łączone z pomiarami innych instrumentów, co pozwala dokładniej określać strukturę pionową atmosfery.
W badaniach chmur ACTRIS wykorzystuje także radary chmurowe, w tym radary dopplerowskie pracujące w zakresie mikrofal. Wysyłają one fale elektromagnetyczne i analizują sygnał rozproszony przez krople wody oraz kryształki lodu znajdujące się w chmurach. Dzięki temu można określać m.in. położenie chmur, ich strukturę oraz ruch cząstek w ich obrębie.
Pasywne metody teledetekcji
Drugą grupę stanowią instrumenty pasywne, które nie wysyłają własnego sygnału. Rejestrują promieniowanie naturalnie obecne w atmosferze, pochodzące np. ze Słońca lub emitowane przez atmosferę.
Przykładem jest fotometr słoneczny, wykorzystywany do badania aerozoli. Instrument mierzy natężenie promieniowania słonecznego docierającego do powierzchni Ziemi w różnych długościach fali. Porównanie promieniowania docierającego do instrumentu z promieniowaniem emitowanym przez Słońce pozwala określić, w jakim stopniu atmosfera osłabia światło. Na tej podstawie wyznacza się m.in. grubość optyczną aerozolu, czyli miarę tego, jak silnie cząstki aerozolu pochłaniają i rozpraszają promieniowanie.
Fotometry mogą również obserwować światło rozproszone w różnych kierunkach. W połączeniu z innymi pomiarami pozwala to uzyskać informacje o rozmiarach cząstek aerozolu oraz ich właściwościach optycznych.
W badaniach chmur stosowane są natomiast m.in. radiometry mikrofalowe. Rejestrują one naturalne promieniowanie mikrofalowe emitowane przez atmosferę. Na jego podstawie można wyznaczać takie wielkości jak zawartość ciekłej wody w całej kolumnie atmosfery czy zintegrowaną zawartość pary wodnej, a także profile temperatury i wilgotności w dolnej troposferze.
Dlaczego potrzebujemy wielu metod?
Dlaczego potrzebujemy wielu metod?
Każdy instrument dostarcza innego rodzaju informacji. Lidar pozwala szczegółowo obserwować pionowe rozmieszczenie aerozoli, fotometr dostarcza informacji o ich właściwościach w całej kolumnie atmosfery, radar pozwala badać strukturę i ruch cząstek w chmurach, a radiometr mikrofalowy dostarcza informacji o wodzie i wilgotności atmosfery.
Dlatego jedną z ważnych cech infrastruktury ACTRIS jest synergiczne wykorzystanie danych z różnych technik pomiarowych. Łączenie obserwacji aktywnych i pasywnych pozwala uzyskać znacznie pełniejszy obraz atmosfery niż zastosowanie pojedynczego instrumentu.
Tak prowadzone, długoterminowe i standaryzowane pomiary umożliwiają śledzenie zmian właściwości atmosfery, badanie transportu aerozoli, procesów zachodzących w chmurach oraz ich znaczenia dla jakości powietrza, pogody i klimatu. Dane z pomiarów teledetekcyjnych są następnie poddawane kontroli jakości, harmonizowane i udostępniane w ramach infrastruktury ACTRIS, dzięki czemu mogą być wykorzystywane przez naukowców w różnych krajach i do analiz obejmujących zarówno lokalną atmosferę, jak i procesy zachodzące w skali całej Europy.
