I ricercatori hanno sviluppato una serie di strumenti lidar basati su diodi che potrebbero aiutare a colmare importanti lacune nelle osservazioni meteorologiche e alimentare un balzo in avanti nella comprensione, modellazione e previsione del tempo e del clima. Gli strumenti sono particolarmente adatti per approfondimenti sulla dinamica atmosferica alla mesoscala, un intervallo di dimensioni equivalente all'area di una piccola città fino a quella di uno stato americano.

Collaboratori della Montana State University (MSU) di Bozeman e del National Center for Atmospheric Research (NCAR) di Boulder, Colo. discuterà il lavoro durante i sensori ottici e il congresso di rilevamento della società ottica, che si svolgerà dal 25 al 27 giugno a San Jose, California, durante Sensors Expo 2019.

Finora, il team ha creato cinque strumenti DIAL (Lidar ad assorbimento differenziale a micro-impulsi) basati su diodi:strumenti MPD, in breve, per il profilo del vapore acqueo nella bassa troposfera, la regione dell'atmosfera in cui si verifica la maggior parte del tempo. Gli strumenti basati su laser a diodi operano nella gamma di lunghezze d'onda da 650 a 1, 000 nanometri, per lo più all'interno dello spettro infrarosso. Gli strumenti possono essere impiegati sia di giorno che di notte, in gran parte incustodito, senza rischiare danni agli occhi per l'uomo.

"La rete di cinque strumenti MPD a vapore acqueo è stata distribuita all'osservatorio atmosferico per la misurazione della radiazione atmosferica delle Grandi Pianure Meridionali a metà aprile, " Il membro del team Catharine Bunn ha detto. "Da questo esperimento sul campo di tre mesi otterremo informazioni su come le previsioni del tempo possono essere influenzate dalle misurazioni MPD continue del vapore acqueo atmosferico.

Colmare le lacune nel monitoraggio

Diversi rapporti delle Accademie Nazionali delle Scienze, Ingegneria e Medicina e altri gruppi di esperti nell'ultimo decennio hanno identificato un bisogno critico di profili di misurazione verticale dell'umidità, aerosol, e temperatura nella bassa troposfera. Gli esperti chiedono anche la creazione di una "rete di reti" per la raccolta e la condivisione di questi dati. Per fornire la copertura necessaria per migliorare le previsioni meteorologiche e climatiche negli Stati Uniti, un rapporto proponeva di distribuire una serie di sensori a terra in circa 400 siti a livello nazionale distanti circa 125 chilometri l'uno dall'altro.

Però, c'è stata una lacuna nella strumentazione per soddisfare questa visione per la ricerca e il monitoraggio senza fare affidamento su dispositivi basati su aeromobili, che sono costosi da implementare. Basandosi sul lavoro precedente di altri team e collaborando con gli scienziati NCAR, Gli sviluppatori di strumenti MSU si sono rivolti alla tecnologia MPD basata su diodi come percorso economico verso un profiler in grado di effettuare misurazioni accurate e soddisfare le specifiche desiderate per funzionamento incustodito e sicurezza per gli occhi.

Dimostrare valore sul campo

I ricercatori hanno sviluppato cinque diversi strumenti basati su un'architettura comune in cui gli impulsi laser vengono inviati nell'atmosfera e il segnale di ritorno, che varia man mano che la luce interagisce con il vapore acqueo, viene misurato con moduli di conteggio a singolo fotone. Tutti e cinque gli strumenti sono operativi e due sono stati impiegati in esperimenti di ricerca meteorologica e climatica a terra.

Uno strumento, sviluppato in collaborazione da scienziati MSU e NCAR, è stato messo in campo come parte del Front Range Air Pollution and Photochemistry Experiment (FRAPPE). Lo strumento ha misurato il profilo verticale del vapore acqueo con un errore medio inferiore al 10% in una gamma di condizioni atmosferiche, rispetto ai profili raccolti da dispositivi di bordo. Ha anche funzionato incustodito per 50 giorni consecutivi durante FRAPPE senza apparente calo delle prestazioni, fornendo circa il 95% di copertura dati.

I ricercatori sono anche avanzati verso la profilazione verticale di altre due caratteristiche di alto interesse della bassa troposfera:aerosol e temperatura. Sulla base dell'architettura MPD, i ricercatori dell'NCAR hanno costruito un nuovo lidar ad alta risoluzione spettrale (HSRL) in grado di profilare gli aerosol. A completamento di questo lavoro, un fisico della MSU ha adattato tecniche matematiche dalla meccanica quantistica per risolvere un'equazione che apre le porte all'utilizzo di misurazioni delle proprietà delle molecole di ossigeno e di altri dati atmosferici per creare un profilo di temperatura verticale. I modelli e gli esperimenti preliminari suggeriscono che oltre a misurare il vapore acqueo e altre particelle sospese nell'aria, l'HSRL può fornire le misurazioni necessarie per la grana fine, profili di temperatura ad alta frequenza.

Durante il Congresso di giugno, i ricercatori stanno pianificando di fornire le ultime informazioni sul loro lavoro di profilazione della temperatura e altri aggiornamenti sulla loro strumentazione. Per adesso, Bunn ha detto, "Stiamo iniziando a recuperare i profili di temperatura della bassa troposfera con una precisione di +/- 2 Kelvin e stiamo lavorando per migliorare le prestazioni dello strumento e dell'algoritmo di recupero".