Revista de gestión de zonas costeras

Abstracto

Cambio climático 2019: Reparación de los parámetros de los aerosoles estratosféricos de la Tierra a partir de mediciones polarimétricas del cielo - O Zbrutskyi- Igor Sikorsky Instituto Politécnico de Kiev, Ucrania

P. Nevodovskyi, A. Vidmachenko, O. Ovsak, O. Zbrutskyi, М. Geraimchuk, О. Ivakhiv

Los cambios climáticos de la Tierra son el resultado de cambios naturales en el balance energético de la radiación solar y la influencia de factores antropogénicos en las variaciones del espesor de la capa de ozono y la abundancia de aerosoles estratosféricos. Se desarrolló un polarímetro ultravioleta en miniatura para experimentos polarimétricos satelitales en la región ultravioleta del espectro de la luz solar. La tarea principal de este dispositivo es obtener información sobre las propiedades físicas de los aerosoles como resultado de mediciones fotopolarimétricas del cielo. Este dispositivo fue probado en un banco especialmente diseñado y fabricado por nosotros. Se desarrolló un conjunto de programas informáticos especiales para analizar los datos de mediciones polarimétricas espectrales del cielo sin nubes realizadas en el telescopio AZT-2 (Observatorio Astronómico Principal, Kiev, Ucrania). De este modo, es posible calcular las dependencias de fase espectral del grado de polarización lineal de la radiación solar dispersada por la atmósfera terrestre. Se utiliza un modelo homogéneo de medio gas-aerosol cuando cambian las características de las partículas de aerosol y sus parámetros de función de distribución de tamaño. Es decir, las observaciones de polarización desde tierra de un cielo sin nubes permiten estudiar muchas características físicas de los aerosoles en la troposfera y la estratosfera inferior de la Tierra.

Se propuso un método para el estudio de aerosoles estratosféricos basado en el uso de operaciones de polarímetro ultravioleta (UVP). Se confirmó la posibilidad de determinar las características microfísicas de las partículas de aerosol en la troposfera atmosférica y la estratosfera de la Tierra mediante un análisis aproximado de los datos de mediciones terrestres de polarización de un cielo sin nubes realizadas durante el día e inmediatamente después del atardecer.

Se combinaron los esfuerzos de tres instituciones para preparar un posible experimento que permitiera estudiar desde una nave espacial las características físicas del aerosol estratosférico. Como resultado, se creó la maqueta de un UAV. Este dispositivo permite realizar mediciones de polarización de la estratosfera terrestre desde una nave espacial.

El fotomultiplicador R1893 funciona en modo de conteo de fotones. Los sensores de temperatura controlan la temperatura tanto del medio como del receptor. Un motor piezoeléctrico de rotor hueco de diseño especial hace girar el elemento de polarización. Los datos necesarios de los sensores de temperatura (en el receptor, en el motor, etc.) se transfieren a la interfaz de la computadora con el fin de procesarlos y analizarlos posteriormente. Se ha desarrollado un software especial para controlar el plano de polarización de los elementos correspondientes y su posición con respecto al objetivo.

A special bench to set up and study the current prototype of the UVP, its individual blocks and their combination, was been developed. It can be divided into the separate interchangeable parts, units and blocks.Such a design makes it possible to change research tasks easily and quickly as well as constantly improve the bench itself. The UVP studies performed at the test bench made it possible to determine its technical parameters and performance characteristics.

With this equipment, that was thoroughly investigated the operation of the light emission receiver (R1893 photomultiplier) to determine its noise threshold at supply voltages in the 1050-1500V range (dark pulses are 2-4 pulses/sec) and the device operating voltage was selected. Reading stability of device output signals has been investigated extensively. It was determined during long hours of dark and useful signals measurements. To verify the methodology for conducting polarization observations of the cloudless sky, there was used a modification of current prototype the onboard ultraviolet polarimeter UVP. It was mounted on the AZT-2 telescope (70 cm mirror and 15 m focal length) . We have realized the polarimetric observations with improved prototype of ultraviolet polarimeter on 26-th and 27-th of September 2017. Remark, that from the 24-th till 29-th of September all days and nights were cloudless above Kyiv, Ukraine. We oriented the telescope at a part of the sky with the Sun declination equal to zero degree for an angle equal to 1h from the central meridian. Operation began by turning off the clockwork mechanism of the telescope at 14:00 UTC+2 and observations were completed at 20:00. We used for observations the λ = 362 nm filter located between the visible and ultraviolet light spectral regions and also have cut a portion of the sky using a diaphragm with a diameter of 0.5 mm. The piezoelectric motor rotates the modulator unit with the polarization element (Glan prism) at a 45° the same angle. Thus, one rotation through 360° the modulator carried out in 8 steps. Exposure was selected in 2 seconds. At the beginning of operation, the useful signal stream was about 300 k pulses per second with a dark stream of no more than 20 pulses per second. The results of obtained observations, as well as the additional results were used for analysis and subsequent processing.

La dependencia de la fase de DLP de la luz dispersada por partículas isótropas pequeñas con baja absorción verdadera es cercana a la dispersión de Rayleigh. Sin embargo, si la parte imaginaria del índice de refracción complejo de esas partículas aumenta significativamente, los máximos de la DLP de los ángulos de fase se desplazan hacia valores iguales a 60°/300°, respectivamente. Si los parámetros físicos del aerosol permanecen invariables, la DLP de la luz dispersada por las partículas disminuye con la disminución de la longitud de onda. Se modelaron las características de dispersión de la luz por un conjunto estático de partículas homogéneas orientadas aleatoriamente, que tienen la forma no esférica más simple (por ejemplo, esferoides alargados y oblatos, cilindros). Los resultados de tales trabajos mostraron un efecto significativo de la forma de las partículas en las características de la radiación dispersada por ellas. Sin embargo, los intentos de simular las características de dispersión de partículas de aerosol con formas complejas que realmente existen en la naturaleza (cristales, copos de nieve, hollín, polvo, etc.) se enfrentan a la imposibilidad de una descripción analítica y a la complejidad de la algoritmización de tal problema. Los resultados del procesamiento de datos observacionales han demostrado la eficacia de nuestra metodología y códigos de programa para el análisis de datos de mediciones polarimétricas espectrales de las dependencias de fase de los valores del grado de polarización lineal de la luz del día y del cielo cenital crepuscular. La coincidencia de formas y valores absolutos de las dependencias calculadas del modelo con los datos de medición en un amplio rango de longitudes de onda indica una posible correspondencia entre los valores de los parámetros de aerosoles del modelo reconstruido y sus datos reales.

Cabe destacar que la técnica propuesta permite determinar los parámetros probables del medio gas-aerosol promediados sobre toda la columna atmosférica, cuya altura está determinada por la distancia cenital del Sol. La tarea de determinar la altitud y las características de los modos de aerosol individuales requiere investigación adicional.