UNIVERSITATEA „AL. I. CUZA” IAŞI FACULTATEA DE FIZICĂ  

Contribuții la studiul proprietăților optice ale aerosolilor atmosferici utilizând tehnici de teledetecție

Rezumatul tezei de doctorat

Doctorand, Ovidiu-Gelu Tudose

Conducător ştiinţific, Prof. Univ. Dr. Dana Ortansa Dorohoi

Iași – 2013

 În atenția

_______________________________

Vă facem cunoscut că în data 2 Septembrie 2013, ora 1100, Sala L1, domnul Ovidiu-Gelu TUDOSE va susține, în ședință publică, teza de doctorat:

„Contribuții la studiul proprietăților optice ale aerosolilor atmosferici utilizând tehnici de teledetecție”

în vederea obținerii titlului științific de doctor în domeniul fundamental Științe Exacte, domeniul Fizică.

Comisia de examinare a tezei: Prof. univ. dr. Sebastian POPESCU Președinte Facultatea de Fizică, Universitatea „Al. I. Cuza”, Iaşi Prof. univ. dr. Dana – Ortansa DOROHOI Conducător științific Facultatea de Fizică, Universitatea „Al. I. Cuza”, Iași Prof. Univ. Dr. Sigurd Schrader Referent University of Applied Sciences Wildau, Germania Prof. Univ. Dr. Simion AȘTILEAN Referent Facultatea de Fizică, Universitatea Babeș-Bolyai Cluj-Napoca Conf. Dr. Silviu GURLUI Referent Facultatea de Fizică, Universitatea „Al. I. Cuza”, Iași Vă invităm pe această cale să participați la ședința publică de susținere a tezei de doctorat.

 

   

CUPRINSUL TEZEI

Cuvânt înainte 1 Capitolul I. Considerații de bază în teledetecția laser a atmosferei 4 1.1. Elemente introductive despre atmosferă 4 1.2. Aerosolul atmosferic 5 1.3. Interacțiunea radiației laser cu atmosfera 8 1.4. Tehnica Lidar 11 1.5. Ecuaţii Lidar și parametri specifici 15 1.5.1. Ecuaţia Lidar de retroîmprăştiere elastică 16 1.5.2. Soluţia ecuaţiei Lidar de retroîmprăştiere elastică 19 1.5.3. Soluția ecuației Lidar de retroîmprăștiere elastică obținută prin metoda Fernald - Klett

20

1.5.4. Ecuaţia Lidar de retroîmprăştiere Raman 21 1.5.5. Soluţia ecuaţiei de retroîmprăştiere Raman 22 1.5.6. Parametri optici specifici tehnicii Lidar 23 Capitolul II - Dezvoltarea și îmbunătățirea sistemului Lidar pentru aerosoli ESYLidar

26

II.1. Sistemul Lidar de retroîmprăștiere elastică ESYLidar 26 II.1.1. Introducere 26 II.1.2. Descriere sistem ESYLidar 27 II.1.3. Formalismul matriceal pentru sistemul ESYLidar 44 II.2. Dezvoltarea sistemului ESYLidar 48 II.2.1. Sistemul ESYLidar în configurație on-axis 48 II.2.2. Îmbunătățirea sistemului de aliniere 49 II.2.3. Reconfigurarea modulului de recepție a sistemului ESYLidar 52 II.3. Metode experimentale și computaționale pentru optimizarea achiziției semnalelor Lidar

53

II.3.1. Surse și tipuri de zgomot în detecția Lidar 53 II.3.2. Metode de optimizare și corecție a unui semnal Lidar 54 II.3.3. Alinierea optică a sistemului ESYLidar 59 II.3.4. Validarea semnalului Lidar prin intercomparare directă a sistemului ESYLidar cu sisteme Lidar din rețeaua EARLINET

61

Capitolul III – Aplicații și analiză de date 65 III.1. Dezvoltarea algoritmilor de pre-procesare și procesare de date 65 III.1.1. Pre-procesarea semnalelor ESYLidar 66 III.1.2. Procesarea semnalelor ESYLidar 67 III.2. Estimarea proprietăților fizice ale aerosolilor atmosferici prin 70

 

   

măsurători Lidar III.3. Diverse studii de caz – rezultate și discuții 72 III.3.1. Studiu de caz – detectarea unui strat de fum provenind din arderi de biomasă (Măgurele – București)

72

III.3.2. Studiu de caz – detectarea unui strat de praf saharian (Măgurele – București)

78

III.3.3. Studiu de caz – detectarea unui strat de praf saharian (Iași) 84 III.3.4. Studiu de caz – evidențierea Stratului limită planetar (PBL) utilizând sistemul EDYLidar

87

III.3.5. Studiu de caz – analiza unui episod de intruziune de praf saharian cu ajutorul unor tehnici complementare (Iași, România)

89

III.3.5. Studiu de caz – experimente preliminare folosind noul modul de depolarizare pentru sistemul ESYLidar

96

Capitolul IV – Optimizarea unui sistem Lidar pentru alte aplicații 99 IV.1. Sistemul Național Antigrindină 99 IV.2. Alte aplicații Lidar - generarea unui model numeric al terenului și studiul proceselor geomorfologice actuale cu ajutorul tehnicii Lidar aeropurtate

102

IV.2.1. Generarea unui Model Digital al Terenului (DTM) pentru lunca Dunării

105

IV.2.2. Studiul proceselor geomorfologice în zona Dunării 110 Capitolul V – Concluzii și perspective 118 Anexe 121 Anexa 1 – Determinarea factorului de suprapunere pentru sistemul ESYLidar

121

Anexa 2 – Tehnici și modele complementare utilizate pentru caracterizarea aerosolilor atmosferici

123

Bibliografie 133 Contribuții personale 144 Mulțumiri 150 .

 

1    

Cuvânt înainte Printre numeroasele comunicări științifice, rapoarte economice și sociale sau alte publicații, lucrarea „Climate change, impacts and vulnerability in Europe 2012” („Schimbările climatice, impact şi vulnerabilitate în Europa 2012“) prezintă detaliat informații despre modificările climatice care au loc la nivelul Europei, în particular, și la nivel global, în general, datorate gradului mare de poluare al atmosferei: creșterea temperaturi medii în Europa, scăderea precipitaţiilor în regiunile sudice şi creşterea acestora în cele nordice, topirea calotei glaciare din Groenlanda, a bancurilor plutitoare de gheață din regiunea Arctică şi a multor gheţari din întreaga Europă sau scăderea stratului de zăpadă. Fenomenele meteorologice extreme (valurile de căldură, inundaţii sau secetă) au provocat, în ultimii ani, creşterea pagubelor economice și, mai ales, sociale pe întreg teritoriul Europei. Deşi, din punct de vedere științific, sunt necesare mai multe argumente și dovezi că schimbările climatice joacă un rol important în această tendinţă, intensificarea activităţii umane a fost un factor cheie. Ca perspectivă imediată, se așteaptă ca schimbările climatice să amplifice această vulnerabilitate, datorită faptului că fenomenele meteorologice extreme vor fi mai intense și se vor manifesta cu o frecvență mai mare. În toate aceste probleme legate de mediu, atmosfera joacă un rol important. Local, pe termen scurt se evidenţiază problema acută a calităţii aerului, iar global, pe termen lung, importantă devine problema perturbării bugetului radiativ Pământ-Soare. Pentru a cuantifica impactul diferitelor componente atmosferice asupra acestui buget radiativ, trebuie estimat forcingul radiativ al fiecăreia: creşterea concentraţiei de gaze cu efect de seră (greenhouse effect) tinde să încălzească suprafaţa terestră producând un forcing radiativ pozitiv, pe când creşterea concentraţiei de aerosoli şi nori duce la răcirea suprafeței terestre (whitehouse effect) producând un forcing radiativ negativ. În prezent, contribuția aerosolilor atmosferici asupra bugetului radiativ este încă subiect de dezbatere ştiinţifică: influența prafului deșertic, a norilor de tip cirrus și a jeturilor avioanelor nu poate fi încă cuantificabilă. O altă temă de interes este legată de estimarea proprietăților de bază ale aerosolilor: distribuţia dimensională, concentrația, parametri optici. Aerosolii atmosferici, datorită faptului că au o distribuție neomogenă, atât în plan vertical cât și orizontal, pot avea o contribuție foarte importantă în anumite regiuni, sau una neglijabilă în altele. Pe de altă parte, datorită eforturilor tuturor cercetătorilor din domeniu, s-au dezvoltat tehnici de monitorizare a aerosolilor atmosferici sau a norilor de tip cirrus: Lidar,

 

2    

Fotometrul solar, etc. De asemenea, au fost dezvoltate modele teoretice pentru validarea datelor experimentale. În cadrul prezentei teze de doctorat, autorul aduce noi contribuții la studiul proprietăților optice ale aerosolilor atmosferici utilizând sistemul ESYLidar instalat în cadrul Univ. Al.I.Cuza Iași. Teza este structurată în două părți: teorie generală asupra domeniului de interes (atmosferă, aerosoli și introducere în tehnica Lidar) și contribuții personale ale doctorandului. Capitolul I introduce noțiuni generale despre atmosferă și constituenții ei. De asemenea, sunt prezentate procesele specifice interacțiunii radiației laser cu atmosfera, detalii despre tehnica Lidar și ecuațiile caracteristice. În final, sunt enumerați parametrii optici caracteristici aerosolilor atmosferici care se pot determina cu ajutorul tehnicii Lidar. Capitolul II prezintă, în detaliu, caracteristicile sistemului Lidar folosit pe perioada studiilor doctorale, precum și contribuțiile personale pentru dezvoltarea și îmbunătățirea acestuia. De asemenea, sunt prezentate metode de obținere și caracterizare a straturilor subțiri cu ajutorului unor polimeri în vederea îmbunătățirii caracteristicilor tehnice ale tuturor componentelor optice (lentile, filtre dicroice și interferențiale, prisme optice, etc). În final, sunt introduse metode și tehnici pentru optimizarea unui semnal Lidar în vederea obținerii unor date experimentale de calitate. Capitolul III conține date experimentale (studii de caz cu privire la investigarea unor fenomene specifice atmosferei: intruziuni de straturi de praf mineral de origine sahariană sau de aerosoli proveniți din arderile de biomasă, dinamica stratului limită planetar, studii de depolarizare) și algoritmii de pre-procesare și procesare a acestor date experimentale în vederea determinării proprietăților optice ale aerosolilor puși în evidență în cadrul acestor studii de caz. În capitolul IV sunt prezentate două dintre cele mai importante aplicații ale tehnicii Lidar: utilizarea unui astfel de sistem în cadrul Sistemului Național Antigrindină și realizarea unui model digital al terenului prin cartografiere și studiul unor procese morfologice ale solului. Capitolul V prezintă concluzii asupra tezei de doctorat, precum și câteva perspective pe termen mediu și lung în domeniu. Autorul a adus contribuții la îmbunătățirea și dezvoltarea sistemului prin adoptarea unei noi configurații (on-axis) pentru modulul de emisie, modificarea alinierii modulului de emisie a sistemului prin înlocuirea vechiului sistem cu un sistem micrometric, reconfigurarea modulului de detecție cu limitarea la doar trei canale de detecție pentru

 

3    

lungimea de undă de 532 nm corespunzătoare radiației totale și a componentei paralele (în modul analog) și perpendiculare (în modul numărare de fotoni), implementarea unor rutine (dezvoltate cu ajutorul Labview de către colectivul Institutului Național de Cercetare-Dezvoltare pentru Optoelectronică Măgurele) pentru preprocesarea și procesarea semnalelor Lidar. Experimental, doctorandul a pus în evidență fenomene și procese de interes pentru domeniul Fizicii Atmosferei: intruziuni de praf mineral de origine sahariană, detectarea de straturi de fum provenite din arderile de biomasă, detectarea unor straturi de cenușă vulcanică, studiul dinamicii stratului limită planetar, etc. Din punct de vedere al diseminării rezultatelor științifice, autorul a publicat 4 articole în reviste ISI, iar 2 au fost trimise spre publicare. Din punct de vedere tehnic, autorul a depus, în iulie 2013, și o cerere de brevet de invenție pentru noua configurație a sistemului Lidar. Autorul a publicat și un articol dedicat publicul larg în revista “Știință și tehnică” și unul în proceeding-ul unei conferințe internaționale. De asemenea, autorul a participat la o serie de conferințe naționale și internaționale cu o serie de 4 prezentări orale și un număr mare de postere în România, Grecia, Austria, Cehia, Argentina, Elveția, etc.  

 

4    

Capitolul I. Considerații de bază în teledetecția laser a atmosferei 1.1. Elemente introductive despre atmosferă  

În timp ce efectul de încălzire a climei datorat gazelor cu efect de seră are loc la scară globală, efectul de răcire datorat aerosolilor atmosferici se manifestă la nivel regional, în apropierea siturilor industriale și în zonele de acțiune a curenților de aer care îi transportă.

Ultimul raport al Organizației Interguvernamentale pentru Schimbări Climatice (Intergovernmental Panel on Climate Change – IPCC), prezentat în anul 2007, arată că, până în prezent, contribuția aerosolilor atmosferici asupra bugetului radiativ nu este estimată în totalitate. De aceea, impactul aerosolilor atmosferici asupra echilibrului radiativ al Pământului, prin formarea norilor, absorbția de hidrocarburi policiclice aromatice sau a funinginii dezvoltată prin combustia internă din industria auto sau din natură, este în prezent un subiect important de cercetare științifică. Aceste analize prezintă o importanță deosebită pentru comunitatea științifică datorită complexității fenomenelor fizico-chimice care au loc în atmosferă și care au o contribuție majoră asupra schimbărilor meteo-climatice la nivel global și regional. Activitatea de investigare a diferitelor procese fizico-chimice din atmosferă este orientată atât către analiza de laborator, cât și asupra campaniilor de teren, cele două direcții fiind complementare. În cadrul analizelor de laborator se pot cerceta diferiți compuși chimici poluanți absorbiți pe suprafața unor particule de funingine, gheață, etc, care au printre altele și un puternic efect cancerigen [1, 2]. Corelarea datelor obținute în laborator cu cele disponibile în urma unor campanii de teren (măsurători spectrale realizate de la nivelul solului până la altitudini de 15-20 km), reprezintă o abordare modernă și complet nouă la nivel național.

1.2. Aerosolul atmosferic

Aerosolul este definit ca fiind un sistem de particule (lichide, solide) aflat în suspensie într-un mediu gazos un timp suficient de lung pentru a putea fi observat sau măsurat. Deoarece, în cazul nostru, mediul gazos este reprezentat de aerul atmosferic, cercetătorii au convenit ca aerosolul să fie denumit aerosol atmosferic. În mediul gazos atmosferic se obișnuiește să se includă toate particulele solide și lichide, cu excepția hidrometeorilor (picături de ploaie și cristale de gheață) [3]. Din punct de vedere al dimensiunii, aerosolii atmosferici

 

5    

acoperă un domeniu foarte larg: de la particule formate din câteva molecule la particule cu diametrul mai mare de 10 µm.

Aerosolii pot influența bugetul radiativ al Pământului în mod direct (prin fenomene de împrăștiere a radiației solare înapoi în spațiu), cât și indirect (prin modificarea modului în care norii din atmosfera inferioară reflectă sau absorb radiația solară).

De asemenea, aerosolii pot facilita diverse reacții chimice (procese chimice eterogene), exemplul cel mai important fiind reacțiile chimice care conduc la distrugerea stratului de ozon stratosferic. În regiunile polare pe timpul iernii, particulele de aerosolii își măresc diametrul și formează nori stratosferici de origine polară. Reacțiile chimice specifice acestor procese duc la formarea unor cantități mari de clor reactiv, care în final, vor distruge stratul de ozon din stratosferă. De asemenea, există dovezi că modificări similare ale concentrației de ozon stratosferic pot avea loc și după erupții vulcanice majore (de exemplu, erupția de pe Muntele Pinatubo în anul 1991) când o cantitate importantă de aerosoli vulcanici a fost dispersată în atmosferă [4].

Pe baza cercetărilor întreprinse până în prezent, putem spune că trei tipuri de aerosoli atmosferici afectează în mod semnificativ clima Pământului.

Primul tip este reprezentat de aerosolii de origine vulcanică (Figura I.1(a)) care se formează în stratosferă după erupții vulcanice majore, aceste formațiuni fiind dominate de bioxid de sulf. În urma diferitelor reacții chimice care au loc în atmosferă în decurs de câteva luni, bioxidul de sulf este transformat în picături de acid sulfuric. Curenții de aer din stratosferă transportă acești aerosoli în diverse regiuni, uneori existând condiții favorizante să acopere practic globul. Odată formați, aerosolii de origine vulcanică pot rămâne în stratosferă perioade foarte lungi de timp (până la doi ani), influențând bugetul radiativ al Pământului. Stratul de aerosoli reflectă radiația solară, reducând foarte mult cantitatea de energie care ajunge în troposferă, fenomen care duce la o răcire a suprafeței Pământului. De exemplu, erupția vulcanului de pe Muntele Pinatubo din anul 1991 a condus la o răcire accentuată a Pământului, care a avut loc în anul 1993, fenomen datorat stratului de aerosoli de origine vulcanică din stratosferă [5].

Al doilea tip de aerosol, cu un impact semnificativ asupra climei pe aproape întreaga perioadă a unui an calendaristic, este praful deșertic.

 

6    

(a) (b)

(c) Figura I.1. (a) Aerosoli de origine vulcanică (http://rsd.gsfc.nasa.gov/rsd/images/Pinatubo _huge.jpeg), (b) Aerosoli de tip praf deșertic (http://earthobservatory.nasa.gov/Natural-Hazards/view.php?id=16149), (c) Aerosoli antropogenici (https://earthdata.nasa.gov /featured-stories/featured-research/regional-pollution-goes-local).

Imaginile furnizate de sateliții meteorologici (Figura I.1(b)) prezintă

nenumărate furtuni de praf provenite din Sahara, acestea afectând în mod semnificativ atât zonele continentale (Europa), cât și zonele oceanice (oceanul Atlantic). Datorită faptului că praful deșertic (compus în special din minerale) absoarbe o mare cantitate a radiației solare, la nivelul stratului atmosferic în care se află are loc o încălzire accentuată, fenomen care, conform specialiștilor, inhibă formarea norilor de ploaie, ducând la apariția secetei.

Al treilea tip de aerosol, de natură antropogenică (Figura I.1(c)), provine din activitățile umane: sulfați (rezultați în urma proceselor de ardere de cărbune și petrol), particule de fum (provenite de la arderea pădurilor tropicale), etc. Concentrația de aerosoli de natură antropogenică este mai mare în emisfera nordică datorită activității industriale mai intense. Ca și în cazul prafului deșertic, și sulfații absorb o mare cantitate de radiație solară, reducând astfel cantitatea de lumină care ajunge pe

 

7    

suprafața Pământului. Aerosolii de sulfat au un timp de viață în atmosferă de aproximativ 3-5 zile.

De asemenea, aerosolii de sulfat influențează formarea norilor de ploaie prin creșterea numărul de picături și prin micșorarea dimensiunilor acestora. Efectul net este că acești nori reflectă lumina soarelui mai mult decât dacă aerosolii de sulfat nu ar fi prezenți. În plus, prezența acestui tip de aerosoli determină creșterea timpului de viață a norilor, fenomenul de reflexie fiind prezent un timp mai îndelungat decât în cazul norilor nepoluați.

În momentul de față, eforturile depuse în prognoza climei sunt focalizate pe evaluarea rolului aerosolilor atmosferici care interacţionează cu norii şi picăturile de ploaie, acțiunea acestora fiind în contrast cu gazele cu efect de seră. Pe lângă efectele radiative, aerosolii atmosferici servesc ca nuclee de condensare la nivelul norilor, prezența lor conducând la o scădere a dimensiunii picăturilor de apă, și prin urmare modifică proprietăţile microfizice ale norilor [6]. De asemenea, de interes pentru comunitatea științifică sunt și studiile de determinare a geometriei aerosolilor pe baza teoriei depolarizării unei radiații laser inițial liniar polarizată.

1.3. Tehnica Lidar

În anul 1930, E.H. Synge [7] a introdus o metodă de determinare a densității atmosferice pe baza procesului de împrăștiere a unui fascicul de lumină, iar în 1963 L.D. Smullins și G. Fiocco [8] au folosit primul sistem Lidar (LIght Detection And Ranging) ce folosea ca sursă de lumină un laser cu rubin (lungime de undă de lucru 694 nm și energie/puls de 0.5 J).

Funcțional, un sistem Lidar operează după acelaşi principiu fizic ca şi Radarul, diferența fiind dată de sursa de emisie a radiației: radarul foloseşte unde electromagnetice în domeniul radio, în timp ce sistemul Lidar folosește o undă generată de un laser în regim pulsat. Lungimea de undă a unui sistem Lidar se alege în funcție de tipul de constituenți atmosferici investigați,

Figura I.2. Principiul de funcționare

a unui sistem Lidar [13].

 

8    

aceasta putând varia în domeniul UV – VIS – IR (355 nm – 1064 nm) [9]. Un sistem Lidar emite o radiaţie laser care poate interacţiona în mod

diferit cu constituenţii atmosferici, ducând la apariția unor fenomene de fluorescenţă, absorbţie, împrăştiere elastică sau inelastică. O parte din radiația împrăştiată înapoi conține informaţii despre mediul prin care a trecut și este captată de modulul de recepție a sistemului Lidar.

Datorită importanței fiecărui fenomen fizic în investigarea constituențiilor atmosferici, de obicei sunt necesare metode suplimentare de separare a contribuţiilor fiecărui fenomen [10, 11].

Din punct de vedere constructiv, un sistem Lidar are în componența sa un modul de emisie (sursă laser, expandor de fascicul laser) și un modul de recepție (telescop, sisteme de lentile și filtre, fotomultiplicatori) şi un modul de achiziţie a semnalului aşa cum este schiţat în Figura I.2.

Funcție de procesele fizice ce se doresc a fi investigate, un sistem Lidar poate fi configurat în diverse moduri (Figura I.3).

Cu ajutorul acestor sisteme se obțin semnale Lidar, acestea fiind utilizate pentru studii de monitorizare a gradului de poluare a atmosferei, studiul evoluției stării fizice și chimice diferitelor ecosisteme, prognoze meteorologice (locale și regionale), modele chimice de dispersie a poluanților sau se poate estima impactul aerosolilor asupra schimbărilor climatice.

În ultimii ani, în scopul înțelegerii unor fenomene globale de evoluție a condițiilor de mediu, unele sisteme Lidar, împreună cu alte sisteme complementare de validare a semnalelor Lidar, au fost grupate în rețele dedicate, acestea fiind amplasate în diverse zone ale globului. Astfel, din anul 2000 este constituită rețeaua EARLINET (European Aerosol Research Lidar Network) [12] pentru monitorizarea aerosolilor, rețea în care vor fi incluse în viitor și sistemele ESYLidar din România.

Programul GAW (Global Aerosol Watch) are la bază ideea colectării de date experimentale de la toate rețelele de sisteme Lidar și de la alte rețele de instrumente complementare (de exemplu, AERONET (Aerosol Robotic Network) – detalii tehnice în Anexa 2) pentru a realiza analize statistice pe perioade lungi de timp și pentru a valida diferite modele atmosferice. În cadrul acestui program, GALION reprezintă un nou proiect pentru gruparea tuturor rețelelor de sistem Lidar într-o rețea globală cu obiectivul standardizării schemelor operaționale, tipului și formatului datelor măsurate, precum și a convențiilor de denumire a fișierelor de date.

În România, primul sistem Lidar a fost instalat în anul 2001 la Institutul Național de Cercetare-Dezvoltare pentru Optoelectronică, iar în momentul de față sunt operaționale 5 stații Lidar în cadrul ROLINET

 

9    

(Romanian Lidar Network): Măgurele (inclusă în EARLINET), Iași, București - Băneasa, Timișoara și Cluj-Napoca. Pentru aceste stații, se lucrează în prezent la implementarea unui program de măsurători simultane și la dezvoltarea unor algoritmi de procesare a datelor, obiectivul major pentru această rețea națională fiind integrarea în rețelele globale de monitorizare atmosferică.

Figura I.3. Tipuri de sisteme LIDAR.

 

LIDAR  de  Fluorescență  

Împrăștierea  rezonantă/  Fluorescență  

Deplasare  Doppler  

Împrăștierea  elastică  pe  aerosoli  și  nori   LIDAR  Mie  

Aerosoli,  nori,  geometrie,  distribuție  

spațială  

Absorbția  de  molecule  și  atomi   DIAL  

Poluanți  gazoși  Ozon  

Umiditate  (H2O)  

Împrăștierea  Inelastică   LIDAR  Raman  Aerosoli,  Nori,  Densitate  

optică    

Temperatura  în  atmosfera  joasă  

Împrăștierea  elastică  pe  moleculele  de  aer  

LIDAR  Rayleigh  

Distribuție  spațială  până  la  altitudini  foarte  mari,  

Densitate,  Temperatură  

Vânt,  densitate,  nori  în  atmosfera  medie  și  

înaltă  

LIDAR  de  Vânt  Vânt,    

Turbulențe  

           Procese  fizice                                Denumire                                      Obiectiv  

 

10    

Capitolul II - Dezvoltarea și îmbunătățirea sistemului ESYLidar pentru aerosoli II.1. Sistemul Lidar de retroîmprăștiere elastică ESYLidar II.1.1. Introducere

Sistemul ESYLidar a fost dezvoltat în cadrul unui proiect de cercetare-dezvoltare finanțat, în perioada 2007-2010, de către Ministerul Educației și Cercetării, ROLINET (ROmanian LIdar NETwork) (Figura II.1.) [13]; parteneri în cadrul acestui proiect fiind Institutul Național de Cercetare-Dezvoltare pentru Optoelectronică Măgurele, Univ. Al.I.Cuza Iași, Univ. Babeș-Bolyai Cluj-Napoca, Univ. Politehnica Timișoara, Administrația Națională de Meteorologie, Centrul Regional pentru Prevenirea Accidentelor Industriale Majore Cluj-Napoca și S.C. EnviroScopY S.R.L.

Baza științifică a proiectului ROLINET a reprezentat-o cererea de brevet “Sistem MicroLIDAR pentru detectarea profilelor aerosolilor atmosferici și a norilor 3D”, cerere de brevet depusă la Oficiul de Stat pentru Invenții și Mărci (OSIM) în septembrie 2009 de către Institutul Național de Cercetare-Dezvoltare pentru Optoelectronică Măgurele și SC EnviroScopY SRL [14].

În prezent, 4 sisteme ESYLidar, sunt operaționale în cadrul stațiilor Iași,

Timișoara și Cluj-Napoca în cadrul rețelei ROLINET.

II.1.2. Descrierea sistemului ESYLidar Sistemul ESYLidar [15], în configurația inițială (de bază) este prezentat

în figura II.2 și din punct de vedere funcțional are: • un modul de emisie: sursa laser, expandor de fascicul laser; • un modul de recepţie: telescop, optică de detecţie,

fotodetectori; • un modul de achiziţie şi analiză a datelor: card de achiziție și

computer.

Figura II.1. Harta ROLINET

(Rețeaua Română de sisteme

LIDAR).

 

11    

(a) (b) Figura II.2. (a) sistem ESYLidar operațional, (b) campanie de măsurători cu sistem ESYLidar

în cadrul Parcului Științific și Tehnologic TehnopolIS Iași, 2010. Schema de principiu pentru sistemul ESYLidar este prezentată în figura

II.3 (configurație monostatică biaxială (off-axis)). Datorită faptului că sistemul ESYLidar prezintă multe elemente de noutate, el este subiectul unei cereri de brevet depuse la Oficiul de Stat pentru Invenții și Mărci (OSIM) în iulie 2013 de către titularul prezentei teze de doctorat, Dr. Ioan Balin, Marius-Mihai Cazacu și Adrian Bălănici (SC EnviroScopY SRL): “Configurație de sistem lidar multi-lungime de undă cu aliniere coaxială unică a emisiei laser” (nr. înreg. U/00030/31.07.2013). Această invenție se referă la o configurație nouă pentru un sistem Lidar din punct de vedere al geometriei sistemului în ansamblu și al emisiei coaxiale și a alinierii sistemului Lidar în particular.

În componența modulului de detecţie intră un telescop, diverse componente de optică (analizor spectral, elemente pentru colimare optică, filtrare spaţială) și fotodetectori.

Sistemul ESYLidar este dotat cu un telescop de tip Newtonian (MEADE Light Bridge 16") cu diametrul oglinzii principale de 16" (406 mm) şi distanţa focală de 1829 mm. Modulul de detecție continuă cu un ansamblu de lentile, filtre și diafragme cu rol de limitare, focalizare, selecție spectrală a radiației reflectată de oglinda secundară a telescopului, astfel încât fotomultiplicatorii (ultima componentă a modulului de detecție) să înregistreze un semnal Lidar cât mai util pentru componenta atmosferică de interes.

 

12    

Figura II.3. Schema de principiu sistem ESYLidar: 1. Laser tip Nd:YAG, 2. Expandor de fascicul, 3. Telescop Newtonian, 4. Oglinda principală a telescopului, 5. Oglinda secundară a telescopului, 6. Diafragmă circulară reglabilă, 7. Ocular, 8. Filtre interferențiale, 9. Cub de depolarizare - Divizor de fascicul, 10. Filtru de densitate optică, 11. Fotomultiplicator (regim analog), 12. Fotomultiplicator (regim numărare de fotoni), 13. Computer pentru analiza datelor, 14. Bloc de achiziție, card conversie analog-digitală și transmisie de date la PC, 15. Sistem de răcire laser, 16. Sursă de alimentare laser.

Recent, literatura de specialitate raportează un interes al oamenilor de știință pentru găsirea unor materiale organice (polimeri) pentru fabricarea filtrelor dicroice. Datorită unei serii de avantaje față de materialele clasice (costuri scăzute de fabricație a straturilor subțiri, durată de viață mai mare), materialele organice pot avea rol de material activ (selectează și permite trecerea doar a unui interval de lungimi de undă, absorbându-le pe toate celelalte, sunt capabile să ofere proprietăți fizice superioare asigurând filtrului dicroic un prag mai ridicat împotriva distrugerii sale de către radiația laser, etc) sau ca material pasiv (având doar rol de anti-zgâriere a tuturor suprafețelor optice, oferind astfel un timp de viață mult mai mare) [16, 17, 18]. Astfel, pe parcursul unui stagiu de studiu în cadrul Universității de Științe Aplicate Wildau, Germania, am efectuat studii asupra unor straturi subțiri de PPV (poly-(p-phenylenevinylene)). Aceste straturi subțiri, datorită spectrului lor de absorbție, determinat cu ajutorul unui spectrometru Lambda 16 Perkin-Elmer, ar putea fi utilizat pentru a înlocui cel de-al treilea divizor de fascicul, funcție de abilitatea lui de a reflecta sau transmite radiațiile cu lungimea de undă 532 și 607 nm. Depinzând de condițiile de depunere (tehnică, rată de evaporare, curent de activare, presiune vid, procesul de coacere în vid, la temperaturi diferite a

 

13    

straturilor subțiri, etc), proprietățile fizice și chimice pot fi ajustate în funcție de aplicație. II.2. Dezvoltarea sistemului ESYLidar

Pe durata studiilor doctorale și în cadrul activităților de cercetare-dezvoltare din cadrul diverselor proiecte de cercetare, în a căror echipă am fost implicat, pentru dezvoltarea sistemului ESYLidar am contribuit la următoarele: • adoptarea unei configurații on-axis pentru modulul de emisie a

sistemului; • îmbunătățirea alinierii modulului de emisie a sistemului prin înlocuirea

vechiului sistem cu un sistem micrometric [19]; • reconfigurarea modulului de detecție cu limitarea la doar trei canale de

detecție (532 nm total, 532 nm paralel (în modul analog) și 532 nm perpendicular (în modul numărare de fotoni)).

II.2.1. Sistemul ESYLidar în configurație on-axis

Figura II.4. Schema de principiu sistem ESYLidar în configurație on-axis: 1. Laser tip Nd:YAG, 2. Expandor de fascicul, 3. Telescop Newtonian, 4. Oglinda principală a telescopului, 5. Oglinda secundară a telescopului, 6. Diafragmă circulară reglabilă, 7. Ocular, 8. Filtre interferențiale, 9. Cub de depolarizare - Divizor de fascicul, 10. Filtru de densitate optică, 11. Fotomultiplicator (regim analog), 12. Fotomultiplicator (regim numărare de fotoni), 13. Computer pentru analiza datelor, 14. Bloc de achiziție, card conversie analog-digitală și transmisie de date la PC, 15. Sistem de răcire laser, 16. Sursă de alimentare laser.

 

14    

Cu ajutorul a două prisme optice (Thorlabs GmbH), care au proprietatea de a reflecta peste 95% din intensitatea fascicului laser incident, sistemul ESYLidar poate fi transformat în sistem cu configurație on-axis (Figura II.4).

Datorită faptului că după traversarea celor două prisme intensitatea fasciculului laser incident va scade la aproximativ 90%, și semnalul Lidar retroîmprăștiat și recepționat scade în intensitate. Astfel, se pot pierde informații importante despre atmosfera investigată. Pentru reducerea pierderilor care au loc în cele două prisme, acestea pot fi supuse unor tratamente speciale. În funcție de materialele folosite (materiale organice dielectrice) depuse în straturi subțiri prin tehnici de depunere în atmosferă controlată (vid înalt, temperatură și rată de depunere controlabile), se obțin prisme optice cu o reflectivitate de până la 99.999%. De asemenea, în funcție de proprietățile fizice și chimice ale acestor materiale organice, se pot obține prisme optice cu o selectivitate foarte bună a lungimii de undă transmisă. Prin depunerea acestor straturi subțiri se obțin așa-numitele oglinzi dielectrice, acestea funcționând pe baza fenomenului de interferență a radiației reflectată de diferite straturi subțiri din structura depusă. În literatura de specialitate [20, 21, 22] sunt prezentate studii și caracterizări pentru straturi subțiri preparate utilizând diverși polimeri și diferite tehnici de depunere. Pe parcursul unui stagiu de studiu în cadrul Universității de Științe Aplicate Wildau, Germania, am efectuat studii asupra straturilor subțiri de PTFE (polytetrafluoroethylene), material organic, dielectric cu proprietăți fizice și chimice deosebite [23]. A fost investigată structura și morfologia unor straturi subțiri de PTFE depuse cu ajutorul tehnicii de depunere în vid (cu diverse condiții de lucru: diferite rate de depunere și curenți de activare, temperaturi sau presiuni ale vidului diferite). Astfel, structura moleculară a straturilor subțiri a fost investigată cu ajutorul spectroscopiei în infraroșu, variația indicelui de refracție cu ajutorul elipsometriei, iar morfologia cu ajutorul Microscopiei de Forță Atomică. Pe viitor, după o cercetare detaliată a mai multor materiale organice dielectrice, se va încerca aplicarea unor straturi subțiri pe prismele optice din cadrul sistemului ESYLidar pentru a avea o reflectivitate a radiației laser de până la 99%.

II.2.2. Îmbunătățirea sistemului de aliniere

Dacă până acum, alinierea modulului de emisie (laser – expandor de fascicul laser) se realiza cu ajutorul unor dispozitive de prindere a expandorului de fascicul laser grosiere (suporturi ce permit variații milimetrice cu 6 grade de libertate), acestea având și rolul de a realiza

 

15    

alinierea modulului de emisie (Figura II.5.(a) și (b)), în cadrul studiilor doctorale am dezvoltat un nou sistem de fixare și aliniere a expandorului de fascicul laser, sistem ce include 4 suporți micrometrici (Thorlabs GmbH), cu ajutorul acestora realizându-se o aliniere foarte fină, păstrând, în același timp și cele 6 grade de libertate.

(a) (b)

(c) (d) Figura II.5. (a) Vedere de ansamblu și (b) vedere detaliată a sistemului clasic de fixare și aliniere a modului de emisie. (c) Vedere de ansamblu și (d) vedere detaliată a sistemului micrometric de fixare și aliniere a modului de emisie.

Prin introducerea noului sistem de aliniere are loc o scădere a distanței dintre axele optice principale ale sistemului de emisie fascicul laser și telescopului (de la 360 mm la 320 mm). Acest lucru conduce la modificarea factorului de suprapunere al sistemului Lidar, mărime ce descrie proporţia de suprapunere a radiaţiei la emisie şi recepţie. Conform literaturii de specialitate [9, 24, 25] și a Anexei 1, factorul de suprapunere (sau de overlap) are un rol important în caracterizarea sistemelor Lidar deoarece intervine ca o constantă în ecuaţiile Lidar (descrise în capitolul I).

Cu ajutorul unei rutine LabVIEW, bazată pe ecuațiile detaliate în Anexa 1 [9, 16] şi pe specificațiile tehnice ale modulului de emisie și ale telescopului, se simulează factorul de suprapunere. De asemenea, se poate estima distanţa corectă dintre cele două axe optice principale ale sistemului Lidar, precum şi unghiul de înclinare dintre axe pentru o configuraţie optimă din punctul de vedere a semnalului Lidar achiziţionat.

 

16    

Tabel II.5. Parametri necesari pentru simularea factorului de suprapunere Lidar

Parametru ESYLidar –

configurație standard

ESYLidar – configurație

nouă

energia pulsului laser [mJ] 100 diametrul obiectivului telescopului [mm] 40

factorul de multiplicare al expandorului de fascicul 5x

divergenţa iniţială a fasciculului laser [mrad] 0.75

distanţa dintre axe [mm] 360 320 diametrul diafragmei câmpului de viziune a ocularului [mm] 11

unghiul de înclinaţie dintre axe [mrad] 0.45 0.43 Astfel, introducând parametrii de intrare conform tabelului II.5,

factorul de suprapunere are forma din Figura II.6, şi devine unitar la o altitudine de aproximativ 750 metri (în configurația inițială) [16, 26] și respectiv 700 metri (în noua configurație), ceea ce înseamnă că fasciculul laser intră în câmpul de vedere al telescopul de la această distanţă.

Figura II.6. Funcția de suprapunere caracteristică sistemului ESYLidar.

În cazul în care se reduce diametrul diafragmei din modulul de recepție (de exemplu, în zilele foarte însorite datorită zgomotului de fond foarte mare şi pentru a avea un raport semnal – zgomot bun în continuare, fotomultiplicatorii trebuie păstraţi în regiunea liniară de detecţie (unde sensibilitatea lor este maximă pentru lungimile de undă de interes). Astfel, semnalul Lidar variază datorită funcţiei de suprapunere care are o valoare unitară la o distanţa mai mare (câţiva zeci de metri). În acest sens, parametrul variabil (pentru a păstra un semnal Lidar corect) este unghiului de înclinaţie dintre axele modulului de emisie și telescop. În concluzie,

 Altitudine  (metri)  (metri)  

Funcția  de  suprapunere  (u.a)  

(u.a)  

 

17    

pentru o variaţie a diametrului diafragmei de la 12 mm la 3 mm, acest unghi de înclinaţie variază de la -0.5 mrad la 0.35 mrad (semnul minus este funcţie de sensul de înclinaţie), astfel altitudinea unde acest factor de suprapunere devine unitar variază între aproximativ 700 m şi 950 m.

II.2.3. Reconfigurarea modulului de recepție a sistemului ESYLidar

Pentru realizarea unor studii de depolarizare (pentru determinarea sfericității particulelor din atmosferă, făcându-se astfel deosebire între nori (de tip cirrus) care conțin particule de gheață, nori care conțin doar particule de apă (de tip cumulus nimbus), alte tipuri de aerosoli (cenușă vulcanică, praf mineral, urbani, etc.)), modulul de recepție include și un cub polarizor (Figura II.7).

Din punct de vedere optic, metoda constă în emiterea unei radiații laser liniar polarizată (prin convenție paralelă cu axa optică) și recepția ambelor componente (paralelă și perpendiculară) a radiației retroîmprăștiate cu ajutorul unui cub polarizor.

Astfel, se pot obține informații calitative asupra capacității constituenților atmosferici de a depolariza radiația laser (inițial, liniar polarizată). Ca exemplu, o particulă de gheață (datorită asfericității crescute) prezintă un grad de depolarizare de aproximativ 30-40%, în timp ce o picătură de apă depolarizează radiația laser liniar polarizată într-o proporție foarte scăzută (2-3%) [27].

Uzual, componenta perpendiculară la axa optică a radiației receptate, fiind de intensitate foarte mică, se măsoară cu un fotomultiplicator în regimul de numărare de fotoni (“photon-counting”), pe când componenta paralelă (datorită ordinului de mărime) este măsurată în regimul analog.

Datorită faptului că procesarea celor două tipuri de semnale este complexă (în modul analog, se măsoară o tensiune electrică, în timp ce în modul numărare de fotoni, fotonii individuali sunt numărați folosind un fotodetector, această valoare depinzînd foarte mult de calitatea discriminatorului fotomultiplicatorului folosit, erorile de măsură putând fi

Figura II.7. Modul de recepție ESYLidar pentru

studii de depolarizare.

 

18    

foarte mari), pe durata studiilor doctorale am reconfigurat modulul de recepție pentru simplificarea studiilor de depolarizare.

Cu ajutorul unui divizor de fascicul 50:50 (Thorlabs GmbH), așezat în fața cubului polarizor, se măsoară, pe de o parte radiația retroîmprăștiată 532 nm (total) și, pe de altă parte, radiația retroîmprăștiată 532 nm (paralel) în regim analog și 532 nm (perpendicular) în regim photon-counting.

Așa cum se va observa în capitolul III, acest modul a fost implementat și testat în cadrul sistemului ESYLidar. În urma analizei unor procesări preliminare a datelor Lidar obținute, putem afirma faptul că modulul reprezintă o perspectivă imediată de îmbunătățire a sistemelor Lidar din rețeaua ROLINET.

II.3. Metode experimentale și computaționale pentru optimizarea achiziției semnalelor Lidar II.3.1. Surse și tipuri de zgomot în detecția Lidar

Semnalul Lidar este un semnal electric, fiind rezultatul conversiei unui semnal optic cu ajutorul fotomultiplicatorilor din modulul de detecție. Caracteristicile acestui semnal electric oferă toate informațiile necesare caracterizării constituenților atmosferei. De aceea, este necesară înlăturarea tuturor surselor de erori și factori perturbatori atât în procedura de conversie cât și pe parcursul procesării semnalului Lidar.

În practică, deoarece înlăturarea totală a surselor de erori nu este posibilă, s-au dezvoltat metode de determinare și limitare a factorilor perturbatori.

II.3.2. Metode de optimizare și corecție a unui semnal Lidar

Corecția cu distanța Considerăm un semnal Lidar (canal de recepție 532nm, mod analog)

(Figura II.8 (a)) asupra căruia vom aplica toate metodele de corecție și optimizare disponibile pentru sistemul ESYLidar.

Datorită faptului că un semnal Lidar retroîmprăștiat de atmosferă (mediu neomogen) prezintă o variație foarte pronunțată cu creșterea altitudinii, se face o corecție denumită RCS (Range Corrected Signal) prin înmulțirea amplitudinii semnalului Lidar cu pătratul distanței (Figurile II.8(b)).

 

19    

(a)

(b) Figura II.8. (a) Semnalul Lidar brut și (b) Semnalul Lidar corectat cu distanța (29.05.2013,

20.40 – 21.00 LT). Semnalul corectat cu distanța (RCS) poate pune în evidență straturile

existente în atmosferă.

Figura II.9. Semnal corectat cu distanța - 29.05.2013, domeniu temporal considerat pentru

mediere: 20.40 – 21.00 LT. Corecția la zgomotul de întuneric

Pentru eliminarea efectului produs de zgomotul datorat componentelor electronice, înainte de a achiziționa un set de semnale Lidar se

 

20    

achiziționează un profil de zgomot de întuneric timp de 5 minute. În acest caz, sistemul Lidar va avea oglinda principală a telescopului acoperită și fotodetectorii achiziționează doar zgomotul datorat electronicii sistemului.

Figura II.10. Semnal datorat zgomotului de întuneric (29.05.2013, 21.00 LT).

Efectul de oscilație electronică (se pune în evidență în semnale Lidar achiziționate pe perioade foarte scurte de timp) se datorează zgomotului electronic provenit de la sistemul de trigger, de la reflexiile din imediata apropiere a telescopului și din semnalul Lidar ce provine de la anumite surse (considerate punctuale) de pe direcția de propagare a radiației laser (exemplu: norii). Reducerea acestui efect de oscilație electronică este realizată cu ajutorul modulului de detecție (Licel) care este optimizat pentru detecția unor semnale Lidar de până la 100 mV. În cazul unor semnale Lidar foarte mari (sunt cazuri în care acestea sunt de ordinul volților) se folosesc filtre neutre. Acestea reduc intensitatea semnalului Lidar fără a pierde informația utilă. În figura II.10 se observă în prima parte a semnalului și influența unei reflexii secundare din imediata apropiere a telescopului.

II.3.3. Alinierea optică a sistemului ESYLidar Metoda telecover

Testarea alinierii optice a sistemului ESYLidar s-a realizat utilizând metoda acoperirii parțiale a oglinzii principale a telescopului, metodă denumită de V. Freudenthaler metoda telecover [28]. Această metodă are la bază ipoteza că, dacă împărțim oglinda principală a telescopului în patru zone (conform Figurii II.11) orice semnal Lidar care este recepționat de aceasta își păstrează forma indiferent de zona în care este colectat.

 

21    

Metoda telecover se poate aplica atât pentru sistemele Lidar în configurație monoaxială cât și pentru cele în configurație biaxială, cu telescop Cassegrain sau Newtonian. Metoda este aplicabilă pentru toate sistemele Lidar din cadrul EARLINET ca o metodă standard de asigurare a

calității semnalelor Lidar înregistrate. Metoda telecover are la bază următorii

pași: • se împarte oglinda principală a

telescopului în patru zone, notate după cele patru puncte cardinale conform figurii II.27; • se acoperă parțial apertura

telescopului (se acoperă trei dintre cele patru zone). se achiziționează semnale Lidar pentru fiecare din cele patru zone; • se procesează și analizează forma și ordinea de intrare a semnalelor în câmpul de vedere al telescopului. Pentru o aliniere

corectă a sistemului Lidar, primul semnal provine din zona Nord, urmat de semnalele din zonele Est și Vest și, în cele din urmă, semnalul provenind din zona Sud.

În figura II.12 sunt prezentate profilele semnalelor provenite de la cele patru zone ale sistemului ESYLidar.

Figura II.12. Metoda telecover - semnalele Lidar recepționate pe cele patru zone ale telescopului [28].

Metoda telecover prezintă avantajul că nu necesită informații suplimentare, este ușor de aplicat și nu depinde de construcția sistemului Lidar. Analizând în detaliu forma semnalelor recepționate cu ajutorului aceastei metode se pot obține informații suplimentare despre eventuale

 

Nord  d  

Sud  d  

Vest  t  

Est  t  

Laser  r  

Figura II.11. Metoda telecover – poziția celor patru zone relative la axa laser [60].

 

22    

neomogenități din modulele de emisie și recepție: poziționarea incorectă a laserului, dezalinierea telescopului, poziționarea incorectă a diafragmei din modulul de recepție, efecte optice (de exemplu, neomogenitate spațială sau coeficient de transmisie dependent de unghiul de incidență) negative date de stratul de acoperire a expandorului de fascicul laser sau a filtrelor interferențiale, neomogenități spațiale ale fotodetectorilor folosiți [20].

În cazul sistemului ESYLidar s-a optat pentru o perioadă de timp de 1 minut pentru achiziția fiecărui semnal Lidar, prima zonă fiind măsurată de două ori pentru a vedea dacă atmosfera a suferit schimbări majore pe întreaga perioadă a metodei. Fitarea Rayleigh

Fitarea Rayleigh este o metodă software de optimizare a semnalului Lidar, care să poată fi prelucrat ulterior prin aplicarea operaţiilor matematice necesare în procesarea datelor Lidar [24, 29].

În cazul fitării Rayleigh, conform teoriei descrisă în capitolul I, trebuie rezolvată ecuația Lidar pentru retroîmprăștierea pe molecule. Deoarece, coeficientul de retroîmprăștiere molecular depinde de profilul de distribuție a particulelor în coloana atmosferică, pentru a obține profilul Lidar molecular, sunt necesare informaţii legate de profilele de temperatură şi presiune pe întreg intervalul sondat. Pentru obţinerea acestor profile cu ajutorul modelului atmosferic, sunt necesare valorile pentru presiune şi temperatură la nivelul solului. Datele sunt obţinute cu ajutorul unei stații meteo Davis Vantage Pro 2 Plus instalată în locația sistemului Lidar (T=18.2 °C și P=1016 hPa) [25].

Figura II.13. Optimizarea semnalului Lidar prin fitarea Rayleigh.

În cazul sistemului ESYLidar, am considerat o atmosferă omogenă în intervalul de altitudini situat între 6000 și 8000 metri, iar altitudinea de calibrare este la 6900 metri. Astfel, în figura II.13 se arată că metoda de fitare Rayleigh prezintă o foarte bună concordanță a modelului teoretic cu datele experimentale (funcția Rayleigh este reprezentată cu roșu).

 

23    

Capitolul III – Aplicații și analiză de date III.3. Diverse studii de caz – rezultate și discuții III.3.1. Studiu de caz – detectarea unui strat de fum provenind din arderi de biomasă (Măgurele – București)

Arderea biomasei (vegetație uscată sau verde) eliberează cantități mari

de particule (particule de carbon) și gaze, inclusiv gaze cu efect de seră. În perioada 11 iulie 2012 23.33 UTC - 12 iulie 2012, 00.03 UTC, un strat de fum bine definit a fost detectat și înregistrat de sistemul RALI la o altitudine de 2500 metri, acest strat fiind detectat atât pe canalul 1064 nm (Figura III.1 (a)) cât și pe canalul 532 nm (Figura III.1 (b)).

(a) (b) Figura III.1. Distribuția verticală și temporală a straturilor de aerosoli (11 - 12 iulie 2012): a) detecție la 1064 nm și b) detecție la 532 nm (semnale corectate cu distanța).

Aplicând metoda Tesche [30], se obțin profilele verticale (Figura III.6) ale coeficienților de retroîmprăștiere și extincție pentru particule depolarizante și nedepolarizante. S-a folosit pentru particulele de praf o valoare medie a raportului de depolarizare de 30%, iar pentru fum o valoare de 3%. Valoarea caracteristică medie a raportului Lidar a fost considerată 30 sr pentru praf, respectiv 80 sr pentru fum. Coloana verticală a atmosferei se caracterizează printr-un mix de particule depolarizante (praf) și nedepolarizante (fum), acestea contribuind în mod diferit la coeficientul de retroîmprăștiere și extincție.

Trebuie remarcat faptul că deși profilul coeficientului de retroîmprăștiere pare similar până la o distanță de aproximativ 5000 metri, profilele de extincție corespunzătoare sunt semnificativ diferite. Acest lucru se datorează capacității de absorbție a particulelor de fum mult mai mari decât a prafului. Figura III.2 (c) arată profilele concentrațiilor de masă pentru praf (linia neagră), fum (linia roșie) și aerosoli (linia verde).

 

24    

Tabelul III.1.

Tip Aerosol Componente principale Raport

Praf deșertic (particule

depolarizante)

Minerale (transportate) 0.1 Minerale – mod de nucleație (amestec de

cuarț și pământ) 0.1

Solubile în apă (sulfați, nitrați & alte substanțe) 0.9

Fum (particule nepolarizante)

Solubile în apă 0.5 Funingine (negru de fum) 0.5

(a) (b) (c) Figura. III.2. Campania EMAP/Pegasos - 11 iulie 2012 (23.32 UTC) – 12 iulie 2012 (00.02 UTC): (a) Profil vertical retroîmprăștiere, (b) extincție și (c) concentrație masică pentru particule depolarizante (linie neagră) și nedepolarizante (linie roșie). Concentrația masică totală este afișată cu culoare verde.

Aceste profile au fost obținute pornind de la profilele coeficienților de extincție (Figura III.2 (b)) înmulțită cu eficiența extincției masice pentru praf (0,4 m2/g) și fum (0,5 m2/g), aceste valori fiind obținute din modelul OPAC, considerând o umiditate relativă de 50%, iar compoziția este detaliată în tabelul de mai jos.

Din figura III.2 (a) se observă faptul că un procent aproape egal de particule de praf și de fum sunt prezente în stratul limită planetar, până la 1300 m altitudine. Particulele de praf aflate în atmosfera de deasupra solului (primele sute de metri) sunt produse în mare parte de trafic și industrie (ex. șantiere). Praful generat de sol este similar în compoziție cu pulberile minerale, dar are un conținut ridicat de materie organică, constituit în principal din resturi de micro-organisme degradate. Fumul (particule mici, foarte absorbante) este mereu prezent aproape de sol ca urmare a proceselor de combustie, industriale și locuințe. De asemenea, se observă faptul că praful și fumul sunt amestecate în stratul limită planetar, proporția depinzând de activitățile antropice de sezon și de condițiile meteorologice locale.

 

25    

În troposfera liberă, conținutul de praf / fum nu mai este puternic influențat de surse locale, ci mult mai mult de transportul pe distanțe lungi. În cazul de mai sus, straturile de la 1300 metri la 4500 metri se caracterizează printr-un conținut ridicat de particule de fum, fapt confirmat de valoarea mare a parametrului Angstrom măsurată cu fotometrul solar (detalii tehnice în Anexa 2) (Figura III.3 (a)) și cu sistemul RALI.

(a) (b) Figura III.3. (a) Variația parametrului Angstrom și (b) variația distribuției medii a dimensiunii particulelor dată de fotometrul solar (Măgurele, 11 iulie 2012 – 12 iulie 2012).

Intrarea maselor de aerosoli în zona de detecție (ora 09.00 UTC) este estimată prin creșterea parametrului Angstrom (Figura III.3 (b)), o valoare medie a stratului de 1,8 ± 0,3 fiind obținută din măsurătorile Lidar de la miezul nopții. Valorile ridicate ale parametrului Angstrom indică prezența particulelor fine, rezultat care este în concordanță cu distribuția dimensională obținută de fotometrul solar utilizat la mai multe lungimi de undă (Figura III.3 (b)). Pe același grafic am reprezentat și distribuția dimensională a particulelor mari, corespunzătoare unui conținut redus de praf.

Cu ajutorul modelelor HYSPLIT (Figura III.4 (a)) și MODIS (Figura III.4 (b)), se confirmă, prin determinarea originii acestor aerosoli, faptul că avem un amestec combinat de fum (predominant) și particulele de praf - traiectoriile maselor de aer din troposfera liberă care ajung pe 11 iulie 2012 în zona Măgurele provin din Europa de Sud, iar MODIS prezintă o densitate mare de incendii forestiere (indicate cu puncte roșii). Aceste traiectorii provin de la altitudini joase și nu întâlnesc precipitații în calea lor. Ca urmare, există o probabilitate ca acestea să fi colectat particule de fum în timp ce au trecut peste incendii, să le amestece cu aerosoli poluați de origine continentală, situații tipice pentru Europa.

03:00

04:00

05:00

06:00

07:00

08:00

09:00

10:00

11:00

12:00

13:00

14:00

15:00

16:00

17:00

18:00

1.7

1.8

1.9

2.0

2.1

2.2

Angs

trom

Par

amet

er (4

40 -

870

nm)

Time (hh:mm)

 

26    

(a) (b) Figura III.4. Surse de aerosoli: a) traiectorii HYSPLIT 11 iulie 2012; b) harta incendiilor MODIS (10 zile).

În intervalul de timp 11 iulie 2012 – 12 iulie 2012, modelul DREAM nu confirmă o concentrare semnificativă de praf Saharian peste România (Figura III.5), dar confirmă prezența unei anumite cantități de praf mineral în zona Europei de Sud, acest lucru explicând prezența unui conținut mic de particule depolarizante în straturile prezente în troposfera de deasupra locației, aceste particule fiind amestecate cu aerosoli

proveniți din arderea de biomasă. III.3.2. Studiu de caz – detectarea unui strat de praf saharian (Măgurele – București)

Conform studiilor și cercetărilor efectuate până în prezent, transportul de praf din Sahara, cea mai mare sursă din lume de praf mineral [31], spre și pe deasupra Europei are loc sezonier, și are o frecvență mai mare în perioada februarie-iunie și octombrie-decembrie [32], deși intruziunile de praf putând fi distribuite pe tot parcursul anului. Datorită distanțelor mari, în general particulele de praf mineral ajung în România în amestec cu alte particule (de exemplu, particule provenind de la poluarea continentală sau

Figura III.5. Prognoza DREAM pentru ziua de 11 iulie 2012, 23:00 UTC

– 12 iulie 2012, 00:00 UTC.

 

27    

fum). Ca urmare, proprietățile optice ale straturilor de praf mineral nu coincid cu proprietățile optice ale prafului de natură pur sahariană, deși particulele minerale sunt greu reactive și higroscopice.

Un eveniment tipic de intruziune de praf saharian este prezentat în cele ce urmează pentru ziua de 15 iulie 2012. În primul rând, prezența deasupra României a formațiunilor transportate direct din desertul Sahara este confirmată de traiectoriile HYSPLIT (Figura III.6 (a)), și de prognoza data de modelul DREAM (Figura III.10 (b)).

Prezența în atmosfera de deasupra locației de interes a prafului a fost detectată și cu ajutorul sistemului RALI (figura III.7 (a) prezintă profilul Lidar la 1064 nm (semnal corectat cu distanța), iar figura III.7 (b) gradul de depolarizare volumică calculată pentru canalul de 532 nm). Trebuie precizat faptul că stratul foarte bine definit între 2500 și 5000 metri este caracterizat de o depolarizare foarte mare, fenomen caracteristic prezenței prafului saharian.

(a) (b) Figura III.6. Surse de particule de aerosoli pentru ziua de 15 iulie 2012: (a) traiectorii

HYSPLIT; (b) prognoza modelului DREAM.

 

28    

(a) (b) Figura III.7. Distribuția verticală și temporală a straturilor de aerosoli pentru ziua de 15 iulie 2012: (sus) semnal corectat cu distanța 1064 nm și (jos) depolarizare volumică la 532 nm.

(a) (b) (c) Figura III.8. EMAP/Pegasos - 15 iulie 2012 (18:00 UTC - 19:00 UTC): (a) Profile verticale de retroîmprăștiere, (b) extincție și (c) concentrație masică pentru particule depolarizante (linie neagră) și nedepolarizante (linie roșie). Concentrația totală masică este reprezentată cu verde.

Aplicând metoda Tesche, se calculează, urmând aceleași etape ca în cazul precedent, profilele verticale pentru coeficienții de retroîmprăștiere și extincție pentru particulele depolarizante și nedepolarizante (Figura III.8 (a) și (b)), precum și profilul concentrației masice (Figura III.8 (c)).

În acest caz particular, o validare cantitativă a profilului obținut pentru concentrația de praf a fost realizată prin estimarea coloanei atmosferice totale de praf, considerând o concentrație medie de masă calculată de 35 µg/m3 până la o înălțime de 5000 metri (Figura III.8 (c)) și valoarea zero peste această înălțime. Valoarea obținută, 0.175 g/m2, este în bună concordanță cu intervalul calculat de DREAM pentru România, adică 0.05-0.25 g/m2, cu valori mai mari pentru zona de sud a țării, inclusiv Măgurele (Figura III.6 (b)).

Ca și în cazul precedent, conținutul de praf și de fum în stratul limită planetar este aproape același, datorită contribuției surselor locale. La o înălțime mai mare de 1500 metri, concentrația de particule fine (fum)

 

29    

descrește exponențial, în timp ce concentrația de particule de praf crește până la 5000 metri. De subliniat faptul că stratul de praf este clar evidențiat în profilele de retroîmprăștiere (Figura III.8 (a)), dar nu sunt vizibile în profilele de extincție (Figura III.8 (b)). Acest lucru se datorează faptului că retroîmprăștierea descrie proprietățile dominate de împrăștiere ale aerosolilor, în timp ce extincția este legată de proprietățile absorbante. Praful mineral este puternic împrăștietor și foarte slab absorbant.

Coeficientul Angstrom obținut cu ajutorul sistemului RALI are valori mai mici în intervalul 2000-3500 metri, în comparație cu stratul limită planetar (1,7 ± 0,3 până în 2000 metri, și 0,8 ± 0,2 deasupra acestei înălțimi). Acest lucru este confirmat de coeficientul Angstrom mediat pe verticală determinat cu ajutorul fotometrului solar.

În concluzie, se poate preciza faptul că metoda propusă de Tesche, combinată cu modelul OPAC a fost aplicată cu succes pentru determinarea concentrației masice folosind date optice. Folosind informații suplimentare furnizate de alte tehnici complementare (de exemplu, fotometru solar) sau de alte modele (HYSPLIT, DREAM, MODIS), putem preciza natura (particule depolarizante sau nedepolarizante) straturilor de aerosoli.

III.3.3. Studiu de caz – detectarea unui strat de praf saharian (Iași)

În acest studiu de caz este prezentat un episod de intruziune de aerosoli de tip mineral (de origine sahariană) în troposfera liberă în perioada 29 - 30 mai 2013. Măsurătorile Lidar s-au desfăşurat în cadrul Laboratorului de Optica Atmosferei, Spectroscopie și Laseri (coordonate geografice lat. 47.19N, long. 27.55E, 175.0 m ASL).

În paralel cu sistemul ESYLidar, atmosfera a fost monitorizată și prin intermediul imaginilor de satelit, folosindu-se produsul RGB (canalele IR8.7, IR10.8 și IR12.0) (detalii tehnice în Anexa 2) dedicat detectării prafului. De asemenea, au fost utilizate modele de prognoză, precum GFS și ECMWF (prin intermediul EUMETRAIN) (detalii tehnice în Anexa 2), dar și modele specializate în prognoza intruziunilor de praf saharian (DREAM), sondaje aerologice, modelul HYSPLIT, pentru determinarea traiectoriilor formațiunilor de praf saharian și nu în ultimul rând, date de fotometrie solară.

 

30    

Figura III.9. EUMETRAIN- Câmp de geopotențial la nivelul de 700 hPa, suprapus peste imaginea de satelit Dust RGB (IR8.7, IR10.8 și IR12.0).

Pre-procesarea datelor Lidar (conform paragrafului III.1.1) a permis identificarea prezența straturilor de praf saharian în locația sistemului Lidar. Contextul sinoptic la nivelul întregului continen, a permis infiltrarea prafului saharian peste zona de interes. De altfel și modelele atmosferice au prognozat o direcție a vântului care a favorizat această intruziune. Modelul DREAM, specializat în prognozarea intruziunilor praf saharian, a prevăzut că în data de 29 mai 2013, 18.00 UTC, vom avea praf saharian peste România și evident, peste zona Iași.

Prin intermediul imagisticii satelitare, s-a observat momentul intruziunii prafului saharian prin partea de sud/sud-vest a României. Apoi, datorită contextului sinoptic, praful s-a răspândit peste întreg teritoriul României.

Datele Lidar au confirmat prezenta prafului saharian la altitudini de aproximativ 1500m, respectiv 5000 m (Figura III.11), iar modelul HYSPLIT arată traiectoriile maselor de praf saharian de la origine până în locația experimentului.

Figura III.10. Modelul DREAM- prognoza pentru cantitatea de praf (g/m3) și vânt (la 3000

m), imaginea din stânga și prognoza pentru nebulozitate, în data de 29 mai 2013 18.00 UTC.

 

31    

Figura III.11. Semnalul Lidar corectat cu distanța, canal 532 nm analog, rezoluție temporală 1 minut, rezoluție spațială 3.75 metri, 29 mai 2013.

În concluzie, putem afirma că prin intermediul modelor atmosferice și a modelului specializat pentru prognoza intruziunilor de praf saharian, s-a anticipat momentul pătrunderii prafului saharian în zona de interes. Cu ajutorul datelor Lidar și satelitare, am identificat altitudinea și zona în care praful și-a făcut simțită prezența. Totodată, traiectoriile formațiunilor de praf saharian simulate de HYSPLIT au confirmat sursa acestei intruziuni.

III.3.4. Studiu de caz – Evidențierea Stratului limită planetar (PBL) utilizând sistemul ESYLidar

Stratul limită planetar (Planetary Boundary Layer) este stratul inferior al atmosferei și direct influenţat de procesele ce au loc la suprafaţa Pământului. Aici au loc procesele meteorologice cele mai importante pentru climă: evaporare, ploaie, ninsoare şi formarea norilor. Importanța studierii Stratului limită planetar este dată de faptul că înălţimea medie zilnică a acestuia şi rata de creştere a înălțimii sunt variabile şi dependente de zona geografică, timp şi de condițiile meteorologice. În cele mai multe cazuri, limita superioară a stratului limită planetar nu este bine definită. Amestecul dintre stratul limită planetar şi troposfera liberă (stratul din imediata sa vecinătate) se produce în timpul ridicării şi coborârii diurne a stratului limită, în condiţiile în care stratul de interacțiune dintre cele două este definit de o puternică inversie de temperatură. Altitudinea stratului de inversie este mai mică deasupra mărilor şi oceanelor şi creşte deasupra continentului până la 3000 metri. Căldura radiativă de la suprafaţa Pămâtului determină apariţia unui strat de amestec (ML) în interiorul stratului limită planetar care este întotdeauna prezent în timpul zilei, în timp ce pe timp de noapte acesta dispare, lăsând în urmă un strat rezidual (RL)

 

32    

deasupra unui strat limită stabil (SL) cu o înălţime de maxim câteva sute de metri [33, 34].

Datorită faptului că semnalul Lidar corectat cu distanţa este direct proporţional cu intensitatea radiaţiei retroîmprăştiată pe aerosoli, reprezentarea sa permite o analiză cantitativă directă a distribuţiei verticală a aerosolilor şi evoluţia în timp a acesteia (Figura III.12). Totodată, se poate analiza variaţia diurnă a stratului limită planetar, în diverse condiţii meteorologice.

În septembrie 2012, a avut loc, în cadrul ROLINET, o campanie de măsurători (denumită AQUA-

GRO), toate stațiile Lidar din România efectuând măsurători după o procedură standardizată. În timpul măsurătorilor, s-a putut observa și evoluția stratului limită planetar, strat afectat, în mod direct, de procesele ce au loc la suprafața solului.

În figura III.12 se observă variația înălțimii stratul limită planetar între 2000 și 1000 metri într-un interval de aproximativ două ore. Straturile superioare evidențiate reprezintă straturi filiforme de aerosoli în diferite concentrații care se presupun a fi intruziuni de praf mineral de origine sahariană. Odată cu trecerea de la zi la noapte, are loc o evidențiere mai pronunțată a stratului limită planetar datorită reducerii zgomotului de fond și a diminuării activității surselor antropogene [35]. Amestecul dintre stratul limită planetar și troposfera liberă se produce în timpului ridicării și coborârii diurne a stratului limită. III.4. Studiu de caz – analiza unui episod de intruziune de praf saharian cu ajutorul unor tehnici complementare (Iași, România)

După cum am precizat și în paragrafele anterioare, în general, datele Lidar sunt validate cu ajutorul unor tehnici complementare (fotometrie solară, sistemul Lidar Calipso) sau a unor modele teoretice (MAP3D, DREAM, HYSPLIT).

În acest studiu de caz se pune în evidență, folosind tehnicile și modelele specificate anterior, transportul pe distanțe lungi a prafului de origine sahariană, urmărindu-se și posibilele influențe ale sale pe teritoriul României. Datorită faptului că praful de origine sahariană afecteaza transferul radiativ al radiației prin intermediul absorbției, împrăștierii sau

Figura III.12. Reprezentarea variației Stratului limită planetar (19.09.2012, Iași, campania de măsurători Lidar AQUA-GRO).

 

33    

reflexiei, are loc o modificare și a fluxului energetic și distribuției spectrală a radiației solare. Prin urmare, conform literaturii de specialitate, sunt modificate și procesele de fotosinteza din atmosferă [36, 37, 38]. Astfel, prezența prafului saharian este evidențiată din datele de fotometrie solară și din modelele de calcul ale dispersiei aerosolilor ce folosesc baze de date ale diverselor stații de monitorizare ale parametrilor meteorologici. Modelul MAP3D (detalii în Anexa 2) este capabil să ofere prognoze zilnice ale concentrațiilor de poluanți din aer (O3, NO, NO2, particule de tip PM10) [39, 40], pe baza modelului chimic MM5/CHIMERE. În anul 2010, modelul MAP3D a fost implementat în România (cu o rezoluție spațială de 15*15 km) [41, 42].

Pentru studiul considerat, ca eșantion de timp reprezentativ s-a ales luna iulie 2012, deoarece proprietățile optice ale aerosolilor variază la trecerile de la sezonul cald la cel rece și invers [43, 44]. Astfel, pe baza datelor furnizate de AERONET (Aerosol Robotics Network), înregistrate de către fotometrului solar instalat în cadrul laboratorului nostru (detalii în anexa 2), a fost analizată variația coeficientul Angstrom, selectându-se astfel, pe baza valorilor numerice obținute posibilele perioade de timp în care au avut loc intruziuni de praf saharian în Iași. Scăderea valorilor coeficientului Angstrom conduce la o creștere a distribuțiilor volumice ale particulelor cu diametru mai mare de 1 µm (particule denumite “coarse mode”). Din figura III.13, urmărind variația coeficientului Angstrom, au fost extrase perioadele de timp în care au fost înregistrate astfel de scăderi. Astfel, posibilitatea unor intruziuni de praf de origine sahariană este validată utilizând modelele HYSPLIT și DREAM.

Figura III.13. Variația coeficientului Angstrom în Iași, România – iulie 2013.

03:07:2012 / 16:38:10

05:07:2012 / 06:11:04

07:07:2012 / 06:17:50

09:07:2012 / 04:16:23

11:07:2012 / 04:55:36

14:07:2012 / 15:08:33

18:07:2012 / 04:34:23

20:07:2012 / 04:57:23

24:07:2012 / 05:31:49

26:07:2012 / 04:01:09

28:07:2012 / 15:42:57

30:07:2012 / 05:11:22

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

2.0

Angs

trom

Par

amet

er (4

40 -

870

nm)

Date & Time (dd:mm:yy / hh:mm:ss)

 

34    

Este bine cunoscut faptul că, în zona orașului Iași, aerosolii de tip urban și industrial au o contribuție importantă asupra atmosferei [45]. De aceea, determinarea cu precizie a perioadelor de timp în care au loc intruziunile de praf saharian este foarte importantă pentru a avea o analiză calitativă a particulelor de tip PM10, O3 și NO2 utilizând modelul MAP3D.

Pentru perioadele de timp în care coeficientul Angstrom prezintă o scădere sub valoarea de 1.2, modelul HYSPLIT este folosit pentru a determina zilele cu intruziuni de praf saharian (Figura III.14). Rezultatele obținute cu ajutorul modelului HYSPLIT au fost validate cu ajutorul modelului DREAM, confirmând prezenta prafului saharian în zona Iași (Figura III.15).

Figura III.14. Traiectoriile maselor de aer rezultate din modelul HYSPLIT pentru (a) 4 iulie

2012, (b) 15 iulie 2012 și (c) 25 iulie 2012.

 

35    

Chiar dacă avem intruziuni de praf saharian, modelul DREAM arată că influența majoră este dată de praful continental (urban și industrial). Pentru a obține informații suplimentare despre prezența prafului saharian, se iau în considerare altitudini mai mari, aici influența prafului continental putând fi neglijabilă. Cu ajutorul modelului DREAM se observă variații ale concentrației de particule de praf saharian (în intervalul 0.05 - 0.5 g/m2) deasupra punctului de monitorizare ales.

Pentru perioadele în care modelul DREAM nu confirmă prezența prafului saharian pusă în evidență cu ajutorul modelului HYSPLIT, s-au analizat datele furnizate de AERONET. Parametrii optici caracteristici prafului saharian determinați din datele AERONET (coeficientul Angstrom (α), Single Scattering Albedo (SSA), raportul LIDAR (SAERONET)) confirmă prezența prafului Saharian: are loc scăderea bruscă a parametrului α de la valoarea 1.4 la 0.5 și a parametrului SAERONET de la 50 sr la 30 sr [45]. Chiar dacă valorile concentrației sunt mici, parametrii optici detectați de fotometrul solar au valori caracteristice prafului saharian.

Figura III.15. Prognoza dată de modelul DREAM pentru zilele de 15 și 25 Iulie 2012.

Rezultatele furnizate de modelul DREAM sunt folosite ca parametri de intrare pentru modelul MAP3D (se consideră zilele de 4, 15 și 25 iulie 2012 - zile fără nebulozități noroase, dar cu intruziune de praf saharian). Astfel, modelul MAP3D prognozează o creștere a concentrației de particule PM10. Valorile concentrației de particule sunt simulate pentru troposferă și reprezintă valorile maxime zilnice până la altitudinea de 8000 metri. S-au reprezentat variațiile concentrației pentru toată luna iulie 2012, pentru a se pune în evidență creșterea pe întreaga coloană troposferică.

Pentru zilele 24 și 25 iulie 2013, datorită faptului că modelul MAP3D a prognozat o creștere a concentrației particulelor PM10, iar modelul DREAM a calculat o densitate de suprafață caracteristică prafului saharian (Figura III.22), este necesară o analiză unor date experimentale complementare (furnizate de CALIPSO – date tehnice detaliate în Anexa 2). În figura III.24 (a) este reprezentat coeficientul de retroîmprăștiere pentru ziua de 25 iulie

 

36    

2012, 00.35 – 00.48 UTC, de-a lungul traiectoriei parcurse de satelitul CALIPSO. Regiunea marcată reprezintă feedback-ul dat de interacțiunea radiației Lidar cu constituenții atmosferici din regiunea studiată. Prin metodele de inversie a calculului parametrilor optici a semnalelor Lidar se poate face o clasificare a clasei de aerosoli (Figura III.16 (b)). Din datele CALIPSO se observă o dispersie a prafului saharian de până la 5000 metri.

Figura III.16. (a) Coeficientul de împrăștiere Lidar 532 nm (CALIPSO) – 25 iulie 2012 și (b) clasificarea aerosolilor pe baza calculului parametrilor optici cu ajutorul semnalelor Lidar.

În regiunile în care intruziunile de praf saharian sunt mai frecvente, se observă a influență majoră a acestuia asupra ozonului troposferic [46]. Datorită capacității prafului saharian de a absoarbe și în domeniul de lungimi de undă scurte (λ<440 nm) are loc o reducere a concentrației de ozon. De asemenea, în prezența prafului saharian, are loc o descreștere mai mare a intensității radiațiilor solare din domeniul ultraviolet decât din domeniul infraroșu. Datorită acestor fenomene și a reacțiilor chimie de

 

37    

producere a ozonului troposferic, este foarte importantă monitorizarea ozonului troposferic. În cazul prezentat nu s-a observat o influența majoră a prafului saharian asupra ozonului troposferic (au fost luate în considerare zilele însorite pentru a fi exclusă influența norilor).

Variația concentrației ozonului troposferic este confirmată și de reacțiile chimice care au loc în atmosferă [47]:

NO! + hν λ < 700  nm →  NO + O! NO! + hν λ < 580  nm →  NO! + O

NO! + hν λ < 420  nm +  O! →  NO + O! Din analiza reacțiilor chimice detaliate anterior și a figurii III.25 se observă faptul că variația concentrației de ozon implică variația concentrației de NO2 și reciproc.

Figura III.17. Variația concentrației de ozon prognozată cu ajutorul modelului MAP3D pentru perioada 14 – 19 iulie 2012.

Folosind modelul MAP3D, se reprezintă distribuţia tridimensională a ozonului. Din figura III.17 putem observa apariția unor variaţii a concentrației de ozon până la aptitudini de 8000 metri, variații datorate reacţiilor chimice cunoscute a ozonului din atmosfera terestră. De asemenea, tot din figura III.17 putem afirma că praful saharian nu influențează această variație deasupra zonei Iași, datorită cel mai probabil a concentrației mici și a dispersiei mari pe suprafețe întinse [48].

 

38    

Capitolul IV – Concluzii și perspective Contribuții personale și elemente noutate

Soluțiile tehnice și rezultatele prezentate în această teză de doctorat

reprezintă, în primul rând, continuarea unei activități de cercetare-dezvoltare începută în anul 2007 cu ocazia proiectului ROLINET și, în al doilea rând, un punct de plecare pentru alți tineri cercetători care vor dori să continue această muncă.

Autorul, pe întreaga perioadă a studiilor doctorale (Octombrie 2010 – Septembrie 2013), pe lângă acumularea unor vaste cunoștinte în Fizica Atmosferei și în domeniul interacțiunii radiației laser cu atmosfera, a contribuit atât la dezvoltarea și îmbunătățirea tehnică a sistemului ESYLidar, cât și la implementarea unor algoritmi de pre-procesare și procesare a semnalelor Lidar și la punerea în evidență a unor procese de importanță pentru studiul atmosferei: intruziune de praf mineral de origine sahariană, detectarea de straturi de fum provenite din arderile de biomasă, detectarea unor straturi de cenușă vulcanică, etc.

Punctual, contribuțiile personale sunt: 1. adoptarea unei configurații on-axis pentru modulul de

emisie a sistemului ESYLidar. Chiar dacă în cadrul acestei teze de doctorat nu au fost prezentate semnale Lidar obținute cu această configurație, autorul a demonstrat ca este o soluție viabilă, demnă de luat în considerare pentru investigarea primelor sute de metri din atmosfera terestră.

2. îmbunătățirea alinierii modulului de emisie a sistemului prin înlocuirea vechiului sistem cu un sistem micrometric. Soluția tehnică implementată este foarte importantă pentru sistem deoarece este demonstrat progresul semnificativ al sistemului ESYLidar datorită noul sistem de aliniere. Acest sistem permite o aliniere mult mai fină, mai stabilă și, nu în ultimul rând, mult mai facilă. De asemenea, din punct de vedere al semnalelor Lidar, s-a demonstrat un câștig de aproximativ 100-150 metri în altitudine pentru suprapunerea totală a semnalului înregistrat. Acest sistem de aliniere este foarte important și pentru configurația on-axis, aceasta urmând a fi dezvoltată în cadrul unor activități ulterioare.

3. reconfigurarea modulului de detecție cu limitarea la doar trei canale de detecție (532 nm total, 532 nm paralel (în modul analog) și 532 nm perpendicular (în modul photon-counting). Din punct de vedere științific, introducerea acestei configurații pentru efectuarea

 

39    

unor studii de depolarizare este cea mai importantă realizare. Conform literaturii de specialitate, în ultima perioadă, aceste studii de depolarizare au căpătat o importanță foarte mare pentru înțelegerea fenomenelor și proceselor care au loc la nivelul atmosferei.

4. implementarea unor rutine (dezvoltate cu ajutorul Labview de către colectivul Institutului Național de Cercetare-Dezvoltare pentru Optoelectronică Măgurele) pentru preprocesarea și procesarea semnalelor Lidar. În încercarea de a include și Rețeaua Română de sisteme Lidar în cadrul unor rețele recunoscute la nivel mondial (EARLINET, etc), este foarte importantă o standardizare a acestor rutine de pre-procesare și procesare, acestea neputând fi puse la punct fără interfațarea programatorilor cu utilizatorii sistemelor Lidar, aceștia având și sarcina de a procesa și interpreta semnalele Lidar măsurate.

5. experimental, am pus în evidență fenomene și procese de interes pentru domeniul Fizicii Atmosferei: intruziuni de praf mineral de origine sahariană, detectarea de straturi de fum provenite din arderile de biomasă, detectarea unor straturi de cenușă vulcanică, studiul dinamicii stratului limită planetar, etc.

6. din punct de vedere al diseminării rezultatelor științifice, autorul a publicat 4 articole în reviste ISI, iar 2 au fost trimise spre publicare și încă două, fiind în momentul de față, în curs de pregătire. De asemenea, autorul a depus o cerere de brevet de invenție pentru noutățile aduse sistemului și a publicat un articol dedicat publicul larg în revista “Știință și tehnică” și unul în proceeding-ul unei conferințe internaționale. De asemenea, autorul a participat la o serie de conferințe naționale și internaționale cu o serie de 4 prezentări orale și un număr de aproximativ 20 postere în România, Grecia, Austria, Cehia, Argentina, Elveția, etc.

Perspective de dezvoltare ulterioară a sistemului ESYLidar

Pe termen mediu și lung, funcție de resursele umane și financiare disponibile, sistemul ESYLidar poate fi îmbunătățit atât din punct de vedere al configurației, cât și din punct de vedere al performanțelor și aplicabilității. În acest sens, autorul a remarcat următoarele perspective de cercetare:

• în configurația on-axis, trebuie adăugați fotomultiplicatori ce au un obturator foarte rapid sau un sistem de gating pentru a evita

 

40    

saturarea acestora datorită geometriei modulului de emisie a radiației laser. În configurația off-axis, modulul de recepție va fi modificat prin

înlocuirea lentilei afocale care colimează radiația retroîmprăștiată cu un sistem de lentile, cu același rol, dar care să fie capabil să focalizeze radiația retroîmprăștiată pe mai multe lungimi de undă. În momentul de față, sistemul ESYLidar este capabil să recepționeze doar radiațiile corespunzătoare lungimii de undă 532 nm, celelalte lungimi de undă (607nm, 355 nm și 387 nm) fiind nefocalizate.

În configurația off-axis, pentru efectuarea unor studii de depolarizare de calitate, trebuie implementat un modul de calibrare a depolarizării. Conform detaliilor prezentate în această teză, se va folosi metoda calibrării la ±45° propusă de Freundenthaler. Modulul de depolarizare va fi folosit atât în studiul aerosolilor, cât și ca tehnică complementară în cadrul Sistemului Național Antigrindină, sistemul Lidar fiind capabil să furnizeze informații, în timp real, despre conținutul de apă sau gheață a norilor.

Cercetările au fost finanțate din Fondul Social European de către Autoritatea de Management pentru Programul Operațional Sectorial Dezvoltarea Resurselor Umane 2007-2013 [proiect POSDRU/CPP 107/DMI 1.5/S/78342].

 

41    

Bibliografie Selectivă [1] C.C. Liu, C.C. Chen, T.N. Wu, C.Y. Yang, Association of brain cancer with residential exposure to petrochemical air pollution in Taiwan, Journal of Toxicology and Environmental Health Part A 71, 310-314; 2008. [2] W.B. Grant, Air pollution in relation to U.S. cancer mortality rates: an ecological study; likely role of carbonaceous aerosols and polycyclic aromatic hydrocarbons, Anticancer Research 29, 3537-3545, 2009. [3] S. Ștefan, Fizica Aerosolului Atmosferic, Editura All, 1998. [4] http://mountpinatubo.net/Mount-Pinatubo-Eruption.html [5] A. Robock, Volcanic Eruption, Mt. Pinatubo, The Earth system: physical and chemical dimensions of global environmental change, Encyclopedia of Global Environmental Change, John Wiley & Sons, Ltd, Chichester, 1, 737, 2002. [6] A. Muhlbauer, U. Lohmann, Aerosol-cloud interactions and the effects on orographic precipitation, 12th AMS Conference on Cloud Physics, Madison, USA, 10-14 July 2006. [7] E.H. Synge, Philos. Mag. 52, 1014-1020, 1930. [8] G. Fiocco, L.D. Smullins, Nature 199, 1275-1276, 1963. [9] R.M. Measures, Laser Remote Sensing. Fundamentals and Applications, Krieger Publishing Company, Malabar, Florida, 1992. [10] I. Matthias, Multiyear aerosol observations with dual wavelength Raman Lidar in the framework of EARLINET, J. Geophys. Res., 109, D13203, 2004. [11] J.E. Barnes, D.J. Hoffman, Lidar measurements of stratospheric aerosol over Mauna Loa Observatory, Geophys. Res. Lett., 24(15), 1923–1926, 1997. [12] http://www.earlinet.org/ [13] http://rolinet.inoe.ro/ [14] D. Nicolae, E. Carstea, I. Balin, A. Balanici, G. Picoulet, P. Ristori, Sistem MicroLIDAR Pentru Detectarea Profilelor Aerosolilor Atmosferici şi a Norilor în 3D, Buletinul Oficial de Proprietate Industrială, secțiunea Invenții, nr. 11/2009. [15] O. Tudose, M.M. Cazacu, A. Timofte and I. Balin - ESYROLIDAR system developments for troposphere monitoring of aerosols and clouds properties, Proceedings of SPIE - Remote Sensing, 8177, 817716.1-817716.10, 2011. [16] S. Barth, R. Fizzano, C. van Nutt, J. Yeatts, Dichroic Filters On Flexible Polymer Film Substrates, US patent US 20070247720 A1, 2006. [17] M. Haupt, S. Miller, R. Sauer, K. Thonke, A. Mourran and M. Moeller, Breath figures: Self-organizing masks for the fabrication of photonic crystals and dichroic filters, J. Appl. Phys. 96, 3065, 2004. [18] M. Prelipceanu, O.S. Prelipceanu, O. Tudose, L. Leontie, B. Grimm, S. Schrader, Study of thermal conversion and patterning of a new soluble poly (p-phenylenevinylene) (PPV) precursor, Materials Science in Semiconductor Processing 10, 77, 2007. [19] J.M. Alvarez, M.A. Vaughan, C.A. Hostetler, W.H. Hunt, D.M. Winker. Calibration technique for polarization-sensitive Lidars. J. Atmos. Ocean. Technol. 23, 683–699, 2006.

 

42    

[20] http://www.thorlabs.de/newgrouppage9.cfm?objectgroup_id=142 [21] M. Anni, G. Giglia, S. Patane, A. Arena, M. Allegrinic, R. Cingolania, Organic microcavities based on thermally evaporated TeOx-LiF dielectric mirrors, Physica E 13, 451 – 454, 2002. [22] M. E. Pollard, S. J. Pearce, R. Chen, S. Oo, M. D. B. Charlton, Polymer waveguide grating couplers for low-cost nanoimprinted integrated optics, Proc. SPIE 8264, Integrated Optics: Devices, Materials, and Technologies XVI, 826418, 2012. [23] M. Prelipceanu, O. Tudose, O.S. Prelipceanu, S. Schrader, K. Grytsenko, Study of oriented growth of oligofluorene–thiophene films onto aligned vacuum-deposited polytetrafluoroethylene layers, Materials Science in Semiconductor Processing 10, 24–35, 2007. [24] S. Stefan, D. Nicolae, M. Caian, Secretele aerosolului atmosferic în lumina laserilor, Ed. Ars Docendi, 2008. [25] Z. Wang, D. Liu, J. Zhou, Y. Wang, Experimental Determination of the Calibration Factor of Polarization-Mie Lidar, Optical Review, 16 (5), 566–570, 2009. [26] L. Belegante, Determinarea parametrilor optici ai aerosolilor folosind tehnici de detecție bazate pe împrăștierea Raman, PhD Thesis, Universitatea Politehnică Bucureşti, 2011. [27] I. Balin, Measurement and analysis of aerosols, cirrus-contrails, water vapor and temperature in the upper troposphere with the Jungfraujoch LIDAR system, PhD Thesis, Ecole Politechnique Federale du Lausanne, 2004. [28] O. Tudose, I. Balin, M. Cazacu, A. Bălănici, Configurație de sistem lidar multi-lungime de undă cu aliniere coaxială unică a emisiei laser”, cerere de brevet O.S.I.M. nr. înreg. U/00030/31.07.2013. [29] V. A. Kovalev, W. E. Eichinger, Elastic LIDAR – Theory, Practice, and Analysis Methods, Wiley InterScience a John Wiley & Sons Inc, 2004. [30] M. Tesche, A. Ansmann, D. Müller, D. Althausen, R. Engelmann, V. Freudenthaler, S. Groß, Vertically resolved separation of dust and smoke over Cape Verde using multiwavelength Raman and polarization Lidars during Saharan Mineral Dust Experiment 2008, J. Geophys. Res. 114, D13202, 2009. [31] C. Talianu, A. Nemuc, D. Nicolae, C.P. Cristescu. Dust event detection from LIDAR measurements, U.P.B. Sci. Bull., Series A, 69 (1), 57- 66, 2007. [32] S. Stefan, A. Nemuc, C. Talianu, D. Nicolae, V. Filip, J. Ciuciu, Dust Intrusion Influence on Atmospheric Boundary Layer Using Lidar Data, Book Nucleation and Atmospheric Aerosols, 1134-1138, 2007. [33] D.N. Nicolae, Tehnici LIDAR pentru caracterizarea aerosolilor din atmosfera joasă, PhD Thesis, Universitatea Politehnică Bucureşti, 2006. [34] O. Tudose, R. Hertanu, O. Couach, I. Balin, Recent PBL investigations in iasi city area using the upgraded esyroLidar, 26th of International Lidar Radar Conference, Porto Heli, Greece, 2012. [35] O. Tudose, A. Balanici, O. Couach, I. Balin, Urban Planetary Boundary Layer investigations in cold season and complex topography in IASI city area using

 

43    

ESYROLIDAR, The General Assembly of the European Geosciences Union, EGU 2012, Viena, Austria, 2012. [36] M.M. Cazacu, A. Timofte, P. Mark, O. Tudose, S. Gurlui, D.O. Dorohoi, I. Balin, New mESYLIDAR system testing measurements: first results considering meteorological context in North East region of Romania, The General Assembly of the European Geosciences Union, EGU 2010, Viena, Austria, 2010. [37] O. Tudose, A. Boscornea, L. Buzdugan, M.M. Cazacu, D. Nicolae, Vertical and temporal variation of aerosol mass concentration at Magurele – Romania during EMEP/PEGASOS campaign, submitted to International Journal of Remote Sensing (nr. înreg. TRES-PAP-2013-0571). [38] M. Tesche, A. Ansmann, D. Müller, D. Althausen, I. Mattis, Vertical profiling of Saharan dust with Raman Lidars and airborne HSRL in southern Morocco during SAMUM. Tellus B61, 144 – 164, 2008. [39] S. Nickovic, A. Papadopoulos, O. Kakaliagou, G. Kallos, Model for prediction of desert dust cycle in the atmosphere. J. Geophys. Res. 106, 18113–18129, 2001. [40] S. Ilavajhala, M.M. Wong, C.O. Justice, Fire Information for Resource Management System: Archiving and Distributing MODIS Active Fire Data, IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 47 (1), 72-79, 2009. [41] G.A. D’Almeida, Desert aerosol characteristics and effects on climate. In: Leinen, M., Sarnthein, M (Eds.), Palaeoclimatology and Palaeometeorology: Modern and Past Patterns of Global Atmospheric Transport. NATO ASI Series C282, 311-338, 1987. [42] M. Escudero, S. Castillo, X. Querol, A. Avila, M. Alarcon, M.M. Viana, A. Alastuey, E. Cuevas, S. Rodriguez, Wet and dry African dust episodes over eastern Spain, Journal of Geophysical Research 110 (D18S08) 1-15, 2005. [43] R. Stull, Meteorology for Scientists and Engineers, third edition, 2010. [44] http://quicklooks.inoe.ro/IASI-UAIC/photogallery.php?album_id=1. [45] T. Ohde, H. Siegel, Impacts of Saharan dust and clouds on photosynthetically available radiation in the area of Northwest Africa, Tellus B, 64, 17160, 2012. [46] J.H. Seinfeld, S.N. Pandis, Atmospheric Chemistry and Physics, Wiley Interscience, 1998. [47] J.M. Haywood, J. Pelon, P. Ormenti, N. Bharmal, M. Brooks, Overview of the dust and biomass-burning experiment and African Monsoon multidisciplinary analysis special observing period, J. Geophys. Res., 113, D00C17, 2008. [48] R. Frouin, H. Murakami, Estimating photosynthetically available radiation at the ocean surface from ADEOS-II global imager data. J. Oceanogr, 22 (3), 493–503, 2007.

 

44    

Contribuții personale Lucrări publicate în jurnale cotate ISI: 1. O. Tudose, M.M. Cazacu, A. Timofte and I. Balin, ESYROLIDAR system developments for troposphere monitoring of aerosols and clouds properties, Proceedings of SPIE - Remote Sensing, 8177, 16.1 - 16.10, 2011 (citări 1). Citări: 1. Unga, Florin; Cazacu, Marius Mihai; Timofte, Adrian; et al., STUDY OF TROPOSPHERIC AEROSOL TYPES OVER IASI, ROMANIA, DURING SUMMER OF 2012, ENVIRONMENTAL ENGINEERING AND MANAGEMENT JOURNAL, Volume: 12, Issue: 2, Pages: 297-303, Published: FEB 2013. 2. M. Prelipceanu, O.S. Prelipceanu, O. Tudose, L. Leontie, B. Grimm, S. Schrader, Study of thermal conversion and patterning of a new soluble poly (p-phenylenevinylene) (PPV) precursor, Materials Science in Semiconductor Processing 10, 77, 2007 (factor de impact 1,33; scor relativ de influență 0.76, citări 8). Citări: 1. Heydari, Reza; Tahamipour, Batool; Torbati, Niloofar Akbarzadeh; et al., One-Pot Synthesis and X-Ray Structure of New, Stable Tetrahydropyrrolo [1,2-a][1,10]phenanthrolines with Four Diastereoisomeric Centers, SYNTHETIC COMMUNICATIONS, Volume: 43, Issue: 15, Pages: 2031-2041, Published: AUG 2013. 2. Heydari, Reza; Tahamipour, Batool, Highly regioselective synthesis of dicyano-8a,10,11-trihydropyrrolo [1,2-a][1,10]phenanthrolines via a domino-Knoevenagel-cyclization, CHINESE CHEMICAL LETTERS Volume: 22, Issue: 11, Pages: 1281-1284, Published: NOV 2011. 3. Al-Hariri, Lara A.; Zheng, Lianqing; Yang, Wei; et al., Thermal Elimination of Precursors to Poly(phenylenevinylene) with a Macrocounterion versus a Small Counterion: A Coordinated Experimental and Simulation Study, MACROMOLECULES, Volume: 44, Issue: 17, Pages: 6663-6668, Published: SEP 2011. 4. Supangat, A.; Zhou, X. J.; Belcher, W.; et al., Chemical vapour deposition of poly(p-phenylenevinylene) nanofilms for use in organic photovoltaics, MATERIALS RESEARCH INNOVATIONS, Volume: 15, Supplement: 2, Pages: 18-20, Published: AUG 2011. 5. Tahamipour, Batool; Heydari, Reza; Torbati, Niloofar Akbarzadeh; et al., Diastereoselective synthesis and X-ray structure of new stable dicyano (8aRS, 10SR, 11SR)-9,9-dicyano-10-aryl-11-benzoyl-8a, 9,10,11-tetrahydropyrrolo[1,2-a][1,10]phenanthrolines, JOURNAL OF CHEMICAL RESEARCH, Issue: 6, Pages: 329-332, Published: JUN 2011. 6. Muroyama, Masakazu; Saito, Wataru; Yokokura, Seiji; et al., Maskless Patterning of Vapor-Deposited Photosensitive Film and its Application to Organic

 

45    

Light-Emitting Diodes, JAPANESE JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, Volume: 50, Issue: 4, Special Issue: SI, Article Number: 04DK07, Published: APR 2011. 7. Al-Hariri, Lara A.; Schlenoff, Joseph B., Macro-counterions in a precursor to poly(phenylene vinylene): Toward defect-free luminescent films, POLYMER, Volume: 51, Issue: 14, Pages: 2993-2997, Published: JUN 2010. 8. Kim, Yuna; Yun, Chijung; Jadhav, Parashuram; et al., Emissive pattern formation by the photoreaction of poly(p-phenylene vinylene), CURRENT APPLIED PHYSICS Volume: 9, Issue: 5, Pages: 1088-1092, Published: SEP 2009. 3. M. Prelipceanu, O. Tudose, O.S. Prelipceanu, S. Schrader, K. Grytsenko, Study of oriented growth of oligofluorene–thiophene films onto aligned vacuum-deposited polytetrafluoroethylene layers, Materials Science in Semiconductor Processing 10, 24–35, 2007 (factor de impact 1,33; scor relativ de influență 0.76, citări 5). Citări: 1. Rahachou, A. V.; Rogachev, A. A.; Yarmolenko, M. A.; et al., Molecular structure and optical properties of PTFE-based nanocomposite polymer-metal coatings, APPLIED SURFACE SCIENCE Volume: 258, Issue: 6, Pages: 1976-1980, Published: JAN 2012. 2. Jiang, Shidong; Qian, Hualei; Liu, Wei; et al., Vapor Phase Epitaxy of Perylo[1,12-b,c,d]thiophene on Highly Oriented Polyethylene Thin Films, MACROMOLECULES Volume: 42, Issue: 23, Pages: 9321-9324, Published: DEC 2009. 3. Rogachev, Alexander A.; Tamulevicius, Sigitas; Rogachev, Alexander V.; et al., The structure and molecular orientation of polytetrafluoroethylene coatings deposited from active gas phase, APPLIED SURFACE SCIENCE Volume: 255, Issue: 15, Pages: 6851-6856, Published: MAY 2009. 4. Liu, Shuhong; Wang, Wechung Maria; Briseno, Alejandro L.; et al., Controlled Deposition of Crystalline Organic Semiconductors for Field-Effect-Transistor Applications, ADVANCED MATERIALS Volume: 21, Issue: 12, Pages: 1217-1232, Published: MAR 2009. 5. Gritsenko, K. P., Vacuum evaporation-deposited polyterafluoroethylene films: Growth mechanism, properties, and applications, RUSSIAN JOURNAL OF GENERAL CHEMISTRY Volume: 79, Issue: 3, Pages: 642-656, Published: MAR 2009. 4. A. Covăsnianu, O. Tudose, Airborne LIDAR data and GIS technique outputs over Romanian Danube plain with a special attention on geomorphology, Carpathian Journal of Earth and Environmental Sciences, 8 (1), 117 – 126, 2013 (factor de impact 1,49; scor relativ de influență 0.08).

 

46    

Lucrări trimise spre publicare în jurnale cotate ISI: 1. O.G. Tudose, M.M. Cazacu, Aerosol characteristics under Saharan dust loading above Iasi, Romania during July 2012, trimis spre publicare la Revista de Chimie. 2. O.G. Tudose, A. Boscornea, L. Buzdugan, M.M. Cazacu, D. Nicolae, Vertical and temporal variation of aerosol mass concentration at Magurele – Romania during EMEP/PEGASOS Campaign, trimis spre publicare la International Journal of Remote Sensing. Lucrări publicate în alte reviste: 1. O.G. Tudose - ESYLIDAR, un instrument potrivit pentru monitorizarea atmosferei și a gradului de poluare a acesteia, Știință&Tehnică (ISSN: 1220-6555), 2013. Lucrări publicate în proceeding-urile conferințelor: 1. M. Cazacu, I. Vetres, P. Ristori, P. Mark, O.G Tudose, D. Nicolae, D. Dorohoi, I. Balin – mESYLIDAR – a new up-gradable and versatile LIDAR configuration for 3D monitoring of atmospheric aerosols, clouds and water vapor within ROLINET project, 3rd International Workshop on Optoelectronic Techniques for Environmental Monitoring – OTEM 2009, 30 Septembrie – 2 Octombrie 2009. Prezentări orale: 1. O.G. Tudose, D.O. Dorohoi and I. Balin – Air monitoring in Iasi area by spectroscopic techniques, 31st European Congress on Molecular Spectroscopy - EUCMOS 2012, Cluj Napoca, Romania, August 2012. 2. I. Balin, O.G. Tudose, O. Couach and D. Nicolae - Remote sensing of the atmosphere: Monitoring air pollution - understanding climate changing, 4th International Workshop on Optoelectronic Techniques for Environmental Monitoring – OTEM 2011, Bucuresti, Romania, Septembrie 2011. 3. M.M. Cazacu, O.G. Tudose, I. Balin, mESYLIDAR system developments for troposphere monitoring of aerosols and clouds properties, 8th Swiss Geoscience Meeting, Hot and Cold: Extreme Climates in Space and Time, Fribourg, Switzerland, Noiembrie 2010. 4. M. Cazacu, I. Vetres, P. Ristori, P. Mark, O.G. Tudose, D. Nicolae, D. Dorohoi, I. Balin – mESYLIDAR – a new up-gradable and versatile LIDAR configuration for 3D monitoring of atmospheric aerosols, clouds and water vapor within ROLINET project, 3rd International Workshop on Optoelectronic Techniques for Environmental Monitoring – OTEM 2009; Bucuresti, Romania, Septembrie 2009. Prezentări poster: 1. O.G. Tudose - LIDAR technique: a central puzzle piece to build an integrated observation - modelling approach for air mass aerosols concentration evaluation, The General Assembly of the European Geosciences Union, EGU 2013, Viena, Austria, Aprilie 2013.

 

47    

2. O.G. Tudose, I. Balin - ESYLIDAR - a new powerful configuration for 3D monitoring of tropospheric aerosols and clouds, European Exhibition of Creativity and Innovation (EUROINVENT), Iasi, Romania, 9-11 May 2013. 3. O.G. Tudose, I. Balin, A. Balanici - 3D ATMOSPHERIC POLLUTION EXPERIMENTAL APPROACH IN NORTH EAST REGION OF ROMANIA, “Environmental Legislation, Safety Engineering and Disaster Management”, 25-27 octombrie 2012, Cluj Napoca, Romania. 4. O.G. Tudose, A. Boscornea, L. Buzdugan, M.M. Cazacu, D. Nicolae - VERTICAL AND TEMPORAL VARIATION OF AEROSOL MASS CONCENTRATION AT BUCHAREST DURING EMEP/PEGASOS CAMPAIGN, “Environmental Legislation, Safety Engineering and Disaster Management”, 25-27 octombrie 2012, Cluj Napoca, Romania 5. O.G. Tudose, R. Hertanu, A. Balanici, O. Couach, I. Balin - ESYROLIDAR investigation of Planetary Boundary Layer over Iasi – Romania urban areas, The 9th International Symposium on Tropospheric Profiling (ISTP), L'Aquila, Italy, September 3th-7th, 2012 6. O.G. Tudose, D.O. Dorohoi, I. Balin - OPTICS OF LIDAR SYSTEM USED FOR SPECTROSCOPIC MONITORING OF AIR POLLUTION, European Congress on Molecular Spectroscopy”, 26 - 31 August, 2012, Cluj-Napoca, Romania. 7. O.G. Tudose, D.O. Dorohoi, I. Balin - INVESTIGATION OF ATMOSPHERIC POLLUTION BY LIDAR AND OTHER SPECTROSCOPIC TECHNIQUES, 9th International Conference On Physics Of Advanced Materials (ICPAM-9), Iasi, septembrie 2012. 8. O.G. Tudose, R. Hertanu, O. Couach, I. Balin - Recent PBL investigations in iasi city area using the upgraded esyroLidar, 26th of International Lidar Radar Conference, Porto Heli, Greece, Iunie 2012. 9. O.G. Tudose, A. Balanici, O. Couach and I. Balin - Urban Planetary Boundary Layer investigations in cold season and complex topography in IASI city area using ESYROLIDAR, The General Assembly of the European Geosciences Union, EGU 2012, Viena, Austria, Aprilie 2012. 10. O.G. Tudose, M.M. Cazacu, A. Timofte and I. Balin - ESYROLIDAR system developments for troposphere monitoring of aerosols and clouds properties, Poster 8177-55, SPIE - Remote Sensing, Prague, Septembrie 2011. 11. O.G. Tudose, M.M. Cazacu, A. Timofte, I. Balin, D. Nicolae – Performances analysis of a new powerful LIDAR configuration for 3D monitoring of tropospheric aerosols and clouds, The General Assembly of the European Geosciences Union, EGU 2011, Viena, Austria, Aprilie 2011. 12. I. Balin, M. Cazacu, O.G. Tudose, C. Mahalu, S. Gurlui, D. Costin, V. Ristici, I. Vetres, D. Nicolae, State of the art of the LIDAR systems development for the ROmanian LIdar national NETwork ROLINET, 4th International Workshop on Optoelectronic Techniques for Environmental Monitoring – OTEM 2010, Cluj-Napoca, Romania; Octombrie 2010.

 

48    

13. M.M. Cazacu, O.G. Tudose, V. Ristici, D. Nicolae, I. Balin, Integration of a UV-VIS-NIR Nd:YAG laser system in a new LIDAR system, International Student Workshop on Laser Applications 2010, ISWLA’10, Bran, Romania, Mai 2010. 14. M.M. Cazacu, A. Timofte, O.G. Tudose, D. Dimitriu, S. Gurlui, I.Balin – mESYLIDAR – A new configuration for 3D monitoring of atmospheric aerosols and clouds, A XXXIX-a Conferinta Nationala Fizica si Tehnologiile Educationale Moderne, Iasi, Romania, Mai 2010. 15. M.M. Cazacu, A. Timofte, P. Mark, O.G. Tudose, S. Gurlui, D.O. Dorohoi, I. Balin – New mESYLIDAR system testing measurements: first results considering meteorological context in North East region of Romania, The General Assembly of the European Geosciences Union, EGU 2010, Viena, Austria, Mai 2010. 16. A. Covasnianu, O.G. Tudose, M.M. Cazacu, I. Nichersu, M. Memier, I. Balin - R.E.E.L.D. (Economical and Ecological Reconstruction of the Danube Flood Plain) Campaign: airborne LIDAR data and GIS technique outputs, The General Assembly of the European Geosciences Union, EGU 2010, Viena, Austria, Mai 2010. 17. M. M. Cazacu, P. Ristori, O.G. Tudose, A. Balanici, D. Nicolae, V. Ristici, D. Balin, I. Balin, mESYLIDAR: a new cost-effective powerful lidar configuration for tropospheric aerosols and clouds investigations, 5th Workshop Lidar Measurements in Latin America, Buenos Aires, Argentina, Decembrie 2009. 18. M.M. Cazacu, P. Ristori, O.G. Tudose, A. Balanici, D. Nicolae, V. Ristici, D. Balin, I. Balin – mESY LIDAR - a new cost-effective, versatile and powerful lidar configuration for tropospheric aerosols, clouds and water vapor investigations, The General Assembly of the European Geosciences Union, EGU 2009, Viena, Austria, Aprilie 2009.