Własności optyczne i mikrofizyczne aerozolu atmosferycznego. Krzysztof Markowicz Instytut Geofizyki, Wydział Fizyki Uniwersytet Warszawski

Podobne dokumenty
Refraktometria. sin β sin β

Kwantowa natura promieniowania elektromagnetycznego

I. Elementy analizy matematycznej

OGÓLNE PODSTAWY SPEKTROSKOPII

RUCH OBROTOWY Można opisać ruch obrotowy ze stałym przyspieszeniem ε poprzez analogię do ruchu postępowego jednostajnie zmiennego.

Wyznaczanie długości fali światła metodą pierścieni Newtona

7.8. RUCH ZMIENNY USTALONY W KORYTACH PRYZMATYCZNYCH

Temat 2: Podstawy optyki geometrycznej-1. Zasada Fermata. Prawo odbicia światła

dy dx stąd w przybliżeniu: y

INDUKCJA ELEKTROMAGNETYCZNA. - Prąd powstający w wyniku indukcji elektro-magnetycznej.


MECHANIKA 2 MOMENT BEZWŁADNOŚCI. Wykład Nr 10. Prowadzący: dr Krzysztof Polko

Funkcje i charakterystyki zmiennych losowych

AERODYNAMICS I WYKŁAD 6 AERODYNAMIKA SKRZYDŁA O SKOŃCZONEJ ROZPIĘTOŚCI PODSTAWY TEORII LINII NOŚNEJ

Zaawansowane metody numeryczne Komputerowa analiza zagadnień różniczkowych 1. Układy równań liniowych

MATEMATYKA POZIOM ROZSZERZONY Kryteria oceniania odpowiedzi. Arkusz A II. Strona 1 z 5

Ćwiczenie 366. Wyznaczanie współczynnika załamania światła metodą pomiaru kąta najmniejszego odchylenia. I. Wyznaczanie kąta łamiącego pryzmatu

ELEKTROCHEMIA. ( i = i ) Wykład II b. Nadnapięcie Równanie Buttlera-Volmera Równania Tafela. Wykład II. Równowaga dynamiczna i prąd wymiany

Statystyka. Zmienne losowe

Modele wieloczynnikowe. Modele wieloczynnikowe. Modele wieloczynnikowe ogólne. α β β β ε. Analiza i Zarządzanie Portfelem cz. 4.

Metody symulacji w nanostrukturach (III - IS)

Fizyka cząstek elementarnych

EXAFS lokalna sonda strukturalna. Wg. Agnieszka Witkowska i J. Rybicki

1. Podstawy i podział spektroskopii Podział spektroskopii według zakresu promieniowania Podział spektroskopii według rodzajów

XXX OLIMPIADA FIZYCZNA ETAP III Zadanie doświadczalne

Oddziaływanie promieniowania X z materią. Podstawowe mechanizmy

Część teoretyczna IZOLACYJNOŚĆ AKUSTYCZNA PRZEGRÓD

CAŁKOWANIE NUMERYCZNE całki pojedyncze

Projekt 6 6. ROZWIĄZYWANIE RÓWNAŃ NIELINIOWYCH CAŁKOWANIE NUMERYCZNE

Rozkład dwupunktowy. Rozkład dwupunktowy. Rozkład dwupunktowy x i p i 0 1-p 1 p suma 1

Ile wynosi suma miar kątów wewnętrznych w pięciokącie?

Systemy Ochrony Powietrza Ćwiczenia Laboratoryjne

1. Komfort cieplny pomieszczeń

KURS STATYSTYKA. Lekcja 6 Regresja i linie regresji ZADANIE DOMOWE. Strona 1

Stanisław Cichocki. Natalia Nehrebecka. Wykład 7

Stanisław Cichocki Natalia Nehrebecka. Zajęcia 4

Zaawansowane metody numeryczne

α i = n i /n β i = V i /V α i = β i γ i = m i /m

0 0,2 0, p 0,1 0,2 0,5 0, p 0,3 0,1 0,2 0,4

Zespolona funkcja dielektryczna metalu

Wykład Mikro- i makrostany oraz prawdopodobie

Podstawy termodynamiki

W praktyce często zdarza się, że wyniki obu prób możemy traktować jako. wyniki pomiarów na tym samym elemencie populacji np.

METODA ELEMENTU SKOŃCZONEGO. Termokinetyka

POLITECHNIKA POZNAŃSKA ZAKŁAD CHEMII FIZYCZNEJ ĆWICZENIA PRACOWNI CHEMII FIZYCZNEJ

Pomiary parametrów akustycznych wnętrz.

Statystyka Inżynierska

Weryfikacja hipotez dla wielu populacji

KOMPUTEROWE SYMULACJE CIECZY

Temat 13. Rozszerzalność cieplna i przewodnictwo cieplne ciał stałych.

termodynamika fenomenologiczna p, VT V, teoria kinetyczno-molekularna <v 2 > termodynamika statystyczna n(v) to jest długi czas, zachodzi

Pomiary dawek promieniowania wytwarzanego w liniowych przyspieszaczach na użytek radioterapii

( ) ( ) 2. Zadanie 1. są niezależnymi zmiennymi losowymi o. oraz. rozkładach normalnych, przy czym EX. i σ są nieznane. 1 Niech X

SPRAWDZANIE PRAWA MALUSA

Rozwiązywanie zadań optymalizacji w środowisku programu MATLAB

Wykład Turbina parowa kondensacyjna

STATECZNOŚĆ SKARP. α - kąt nachylenia skarpy [ o ], φ - kąt tarcia wewnętrznego gruntu [ o ],

Natalia Nehrebecka. Zajęcia 3

Stanisław Cichocki. Natalia Nehrebecka. Wykład 6

Elementy Fizyki Jądrowej

SZACOWANIE NIEPEWNOŚCI POMIARU METODĄ PROPAGACJI ROZKŁADÓW

Egzamin ze statystyki/ Studia Licencjackie Stacjonarne/ Termin I /czerwiec 2010

Płyny nienewtonowskie i zjawisko tiksotropii

Natalia Nehrebecka. Zajęcia 4

Teoria niepewności pomiaru (Rachunek niepewności pomiaru) Rodzaje błędów pomiaru

Analiza danych. Analiza danych wielowymiarowych. Regresja liniowa. Dyskryminacja liniowa. PARA ZMIENNYCH LOSOWYCH

Stanisław Cichocki. Natalia Nehrebecka. Wykład 7

Automatyzacja Statku

Wstęp do fizyki budowli

BADANIA CHARAKTERYSTYK HYDRAULICZNYCH KSZTAŁTEK WENTYLACYJNYCH

EUROELEKTRA. Ogólnopolska Olimpiada Wiedzy Elektrycznej i Elektronicznej. Rok szkolny 2013/2014

KURS STATYSTYKA. Lekcja 1 Statystyka opisowa ZADANIE DOMOWE. Strona 1

STATYSTYKA MATEMATYCZNA WYKŁAD 5 WERYFIKACJA HIPOTEZ NIEPARAMETRYCZNYCH

SZTUCZNA INTELIGENCJA

ZAJĘCIA 3. Pozycyjne miary dyspersji, miary asymetrii, spłaszczenia i koncentracji

Natalia Nehrebecka. Wykład 2

Dobór zmiennych objaśniających

Badanie współzależności dwóch cech ilościowych X i Y. Analiza korelacji prostej

Siła jest przyczyną przyspieszenia. Siła jest wektorem. Siła wypadkowa jest sumą wektorową działających sił.

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

3. ŁUK ELEKTRYCZNY PRĄDU STAŁEGO I PRZEMIENNEGO

Współczynnik przenikania ciepła U v. 4.00

EKONOMIA MENEDŻERSKA. Wykład 3 Funkcje produkcji 1 FUNKCJE PRODUKCJI. ANALIZA KOSZTÓW I KORZYŚCI SKALI. MINIMALIZACJA KOSZTÓW PRODUKCJI.

POMIAR WSPÓŁCZYNNIKÓW ODBICIA I PRZEPUSZCZANIA

XLI OLIMPIADA FIZYCZNA ETAP WSTĘPNY Zadanie teoretyczne

IV. Transmisja. /~bezet

Stanisław Cichocki. Natalia Nehrebecka Katarzyna Rosiak-Lada. Zajęcia 3

Procedura normalizacji

NAFTA-GAZ marzec 2011 ROK LXVII. Wprowadzenie. Tadeusz Kwilosz

Laboratorium ochrony danych

Prawdopodobieństwo geometryczne

ZASADA ZACHOWANIA MOMENTU PĘDU: PODSTAWY DYNAMIKI BRYŁY SZTYWNEJ

PAŃSTWOWA WYŻSZA SZKOŁA ZAWODOWA W PILE INSTYTUT POLITECHNICZNY. Zakład Budowy i Eksploatacji Maszyn PRACOWNIA TERMODYNAMIKI TECHNICZNEJ INSTRUKCJA

Stanisław Cichocki. Natalia Nehrebecka. Wykład 6

1. SPRAWDZENIE WYSTEPOWANIA RYZYKA KONDENSACJI POWIERZCHNIOWEJ ORAZ KONDENSACJI MIĘDZYWARSTWOWEJ W ŚCIANIE ZEWNĘTRZNEJ

Hipotezy o istotności oszacowao parametrów zmiennych objaśniających ˆ ) ˆ

Teoria niepewności pomiaru (Rachunek niepewności pomiaru) Rodzaje błędów pomiaru

Analiza struktury zbiorowości statystycznej

Fizyka 1- Mechanika. Wykład 7 16.XI Zygmunt Szefliński Środowiskowe Laboratorium Ciężkich Jonów

Kształtowanie się firm informatycznych jako nowych elementów struktury przestrzennej przemysłu

Transkrypt:

Własnośc optyczne mkrofzyczne aerozolu atmosferycznego Krzysztof Markowcz Instytut Geofzyk, Wydzał Fzyk Unwersytet Warszawsk

Welkośc mkrofzyczne Rozkład welkośc cząstek n(r) Współczynnk załamana śwatłą (współczynnk refrakcj) Kształt cząstek Parametr wzrostu hgroskopjnego

Funkcja rozkładu welkośc n(r) określa lczbę cząstek w jednostce objętośc, których promeń (lub promeń równoważny) zawera sę w przedzale <r, r+dr> Promeń efektywny r eff r r 3 n(r)dr n(r)dr Rozkład powerzchnowy A(r) Dla cząstek sferycznych A(r)=4r n(r) Rozkład objętoścowy V(r) Dla cząstek sferycznych A(r)=4/3r 3 n(r) Rozkład masowy M(r) Dla cząstek sferycznych V(r)=4/3r 3 n(r)(r) r r 3

Rozkład log-normalny n(r) 3 1 N r ln o e 1 lnrlnr ln m N o całkowta lczba cząstek w klase R m promeń modalny dla klasy geometryczne odchylene standardowe dla klasy Dla rozkładu jedno modowego r eff r m exp 5 ln Średn promeń cząstek r r m exp 1 ln Powerzchna cząstek A 4N r exp ln o m Objętość cząstek V 4 / 3N o r 3 m exp 9 ln

Fala elektromagnetyczna Propagacja płaskej fal elektromagnetycznej przez ośrodek materalny E E0 exp(kx t) H H0 exp(kx t) Po podstawenu do równań Maxwella E E mz kz exp exp t 0 ê z Perwszy czynnk wykładnczy w powyższym równanu zwązany jest z zankem ampltudy fal elektromagnetycznej określony jest przez urojoną część współczynnka refrakcj m. Rzeczywsta część współczynnka refrakcj (k) determnuje prędkość fazową fal. Zarówno cześć rzeczywsta jak urojona wpływa na własnośc optyczne mater. N=m+k - zespolony współczynnk załamana śwatła

Jak jest współczynnk załamana śwatła dla aerozolu?

Parametr wzrostu hgroskopjnego Mng and Russell, 001 r wet r dry GF(RH) Parametr wzrostu hgroskopjnego zależy od składu chemcznego, welkośc cząstek oraz wlgotnośc względnej powetrza Jeśl parametr wzrostu wynos to wzrost współczynnka rozpraszana wynos ok. 4 (rozpraszane jest proporcjonalne do powerzchn cząstk) Współczynnk absorpcj w perwszym przyblżenu ne ulega zmane

Podstawowe welkośc optyczne pojedynczej cząstk (sngle scatterng propertes) Przekrój czynny na rozpraszane, absorpcję Współczynnk rozpraszana, absorpcj, ekstynkcj Albedo pojedynczego rozpraszana Funkcja fazowa na rozpraszane Parametr asymetr

Przekrój czynny na rozpraszane, absorpcję ekstynkcję W reżme geometrycznym (rozmary cząstek znaczne wększe od długośc fal) przekrój czynny na ekstynkcję jest równy przekrojow geometrycznemu (dla obektów sferycznych r ) W przypadku obektów porównywalnych z długoścą fal wskutek dyfrakcj śwatła przekrój czynny może być znacząco mnejszy lub wększy od przekroju geometrycznego C Efektywny przekrój czynny Q r C jest przekrojem czynnym na rozpraszane, absorpcję lub ekstynkcję

Współczynnk rozpraszana, absorpcj ekstynkcj Jeśl w jednostce objętośc znajduje sę N o cząstek o tej samej welkośc (promenu r) wówczas współczynnk rozpraszana, absorpcj ekstynkcj wynoszą: ( ) N C o N o r Q [m 1 ] = abs, scat lub ext Jeśl w cząstk mają różne rozmary wówczas współczynnk rozpraszana, absorpcj ekstynkcj wynoszą: ( ) Q r n(r)dr N o n(r) dr

Absorpcja promenowana Absorpcja (emsja) promenowana występuje podczas przejść elektronowych, wbracyjnych rotacyjnych w atomach oraz cząsteczkach. Ze względu na fakt, że najwększe zmany energ występują w przejścach elektronowych następne wbracyjnych rotacyjnych. Z przejścam elektronowym zwązane są lne wdmowe w obszarze wdzalnym ultrafoletu, z przejścam wbracyjnym absorpcja promenowana od blskej do dalekej podczerwen, z przejścam rotacyjnym absorpcja w dalekej podczerwen oraz w obszarze mkrofal. Struktura ln wdmowych staje sę coraz bardzej skomplkowana gdy przesuwamy sę w kerunku fal dłuższych co jest zwązane z stnenem coraz wększej lośc przejść rotacyjnych oscylacyjno-rotacyjnych. 11

1

Budowy geometryczna a wdmo absorpcyjne 13

Kształt ln wdmowych Wyróżnamy następujące wdma absorpcyjne: Lnowe Pasmowe Cągłe (kontnuum)

Absorpcja promenowana przez poszczególne gazy atmosferyczne.

Zjawsko oddzaływana promenowana z materą w wynku którego następuje zmana kerunku jego rozchodzena. Rozróżna sę rozpraszane śwatła: sprężyste podczas rozpraszana ne następuje zmana energ (częstotlwośc) śwatła nesprężyste podczas rozpraszana zmena sę energa (częstotlwość) śwatła. W atmosferze znaczne ważnejszą rolę odgrywa rozpraszane sprężyste. Rozpraszane śwatła

Reżmy rozpraszana W przypadku małych cząstek (względem długośc fal) pojawające sę dpole w cząsteczce są praktyczne tak samo zorentowane. Można jest zastąpć jednym (efektywnym) dpolem Rozpraszane Raylegha na cząstkach małych w porównanu z długoścą fal (x<<1) Rozpraszane geometryczne na cząstkach dużych w porównanu z długoścą fal (x>>1) Rozpraszane MIE na cząstkach o rozmarach porównywalnych z długoścą fal (x1) Parametr welkośc x W przypadku dużych cząstek (względem długośc fal) pojawające sę dpole w cząsteczce skerowane w różnych kerunkach. x r 18

Rozpraszane Raylegha Radancja promenowana po rozproszenu I I R o 4 1 cos gdze - kąt rozproszena, R - odległość od cząstk na której nastąpło rozproszene, - polaryzowalność ośrodka. rozkład kątowy rozpraszana 19

Rozpraszane Lorenza-Me Rozpraszane na jednorodnych cząstkach sferycznych. Teora Lorenza-Me opsuje metodę rozwązana równań Maxwella. Sprowadza sę ona do rozwązana równana dla pola elektrycznego oraz dentycznego dla pola magnetycznego z warunkam brzegowym na sferze. Można pokazać, że składowe pola rozproszonego na dużych cząstkach w przyblżenu daleko-polowym ma postać E E l r exp(kz kr) S ( ) kr 0 0 E S 1( ) E 0l 0r gdze funkcje ampltudy S 1 S dane są przez neskończone szereg funkcj specjalnych

Efektywne przekroje czynne z teor Lorenza-Me

Funkcja fazowa dla rozpraszana P() Określa kątowy rozkład radancj promenowana rozproszonego. Zwana naczej ndykatrysą rozpraszana Normalzacja funkcj fazowej 0 0 P(cos ) sn dd 1 4 W przypadku rozpraszana Raylegh a ma ona postać: P( ) 3 (1 cos 4 ) W ogólnośc dana jest przez funkcje ampltudy: P( ) 1 S 1 S

Kształt funkcj fazowej małe cząstk Kerunek padającego fotonu Im wększe cząstk tym węcej fotonów rozpraszanych jest do przodu! duże cząstk 3

Stam et al., 004 Funkcja fazowa cd.

Parametr asymetr g Welkość określająca anzotropę funkcj fazowej rozpraszana na pojedynczej cząstce Parametr asymetr g jest perwszym momentem funkcj fazowej względem cosnusa kąta rozpraszana dany jest wzorem g P(cos )cos d Parametr asymetr zmena sę w przedzale od -1 do 1, przy czym wartość: -1 oznacza, że całe promenowane jest rozpraszane wsteczne 0 oznacza, że połowa promenowana rozpraszana jest wsteczne a połowa do przodu (rozpraszane Raylegha) 1 oznacza, że całe promenowana jest rozpraszane do przodu.

Parametr asymetr cd. Parametr asymetr na ogół rośne wraz z rozmarem cząstek rozpraszających promenowane (parametrem welkośc). Wartość parametru asymetr w przypadku kropel chmurowych zmena sę na ogół w przedzale od 0.75 do 0.9, zaś w przypadku aerozolu atmosferycznego od 0.5 do 0.7. Parametr asymetr funkcja fazowa dla zboru cząstek o rozkładze welkośc n(r) ma postać g Q Q sca, sca, (m, kr)gr (m, kr)r, n n (r)dr (r)dr P( ) P ( )Q Q sca, sca, r r n n (r)dr (r)dr

Albedo pojedynczego rozpraszana scat ext abs abs 1 ext eext ext Opsuje prawdopodobeństwo rozpraszana fotonu. Wartośc albeda pojedynczego rozpraszana zmenają sę od 0 do 1. np. dla chmur w obszarze wdzalnym wynos 1 dla zaneczyszczeń powetrza (aerozol) średno od 0.9 do 1. dla slne absorbujących cząstek jest mnejsze 0.9 Wartość =0.9 oznacza, że na 10 fotonów 9 jest rozpraszanych a tylko jeden jest absorbowany.

Rozpraszane na cząstkach nesferycznych Metody geometryczne: dla cząstek lub nejednorodnośc znaczne wększych od długośc fal można śwatło traktować jako wązkę neulegających dyfrakcj promen śwetlnych, które ulegają odbcu lub załamanu przy przejścu pomędzy ośrodkam o różnych własnoścach optycznych. Przyblżene to można użyć do opsu welu zjawsk optycznych np. zjawsko tęczy. Zakres stosowana praw optyk geometrycznej można rozszerzyć na nejednorodnośc porównywalne z długoścą fal uwzględnając dyfrakcję promen na nejednorodnoścach. Metoda dyskretnych dpol: polega na przyblżenu cząstek dpolam, które oddzaływają ze sobą padającym promenowanem. 8

Przyblżene dyskretnych dpol Metoda dokładnego rozwązana problemu rozpraszana śwatła na nesferycznych nejednorodnych cząstkach oraz na perodycznych układach cząstek. Przyblżene dyskretnych dpol (ang. dscrete dpole approxmaton, w skróce DDA) opera sę na założenu, że cząstkę rozpraszającą można przyblżyć przez układ mnejszych elementów oddzaływających z falą elektromagnetyczna jak pojedynczy dpol. Metoda polega na uwzględnenu jednoczesnych oddzaływań pomędzy wszystkm dpolam w układze Umożlwa dokładne rozwązane równań rozpraszana śwatła na cząstkach o dowolnym kształce rozkładze nejednorodnośc materału (współczynnka refrakcj). Została zaproponowana przez Purcella Pennypackera stotne rozwnęta w latach 1980-000 przez Dranea Flataua. 9

Metoda DDA. Pole elektryczne promenowane rozproszonego jest sumą pola fal padającej oraz pola ndukowanego przez każdy dpol. Moment dpolowy j-go dpola dany jest wzorem gdze j jest polaryzowalnoścą dpola, E dpole, j określa pole dzałające na dpol j, które jest superpozycją pola padającego oraz pola ndukowanego przez nne dpole. 19.07.005 Krzysztof Markowcz IGF-UW 30

Meszanny cząstek Koncepcja zewnętrznej wewnętrznej meszanny cząstek meszanny zewnętrzna meszanny pół-wewnętrzna meszanny wewnętrzna (a) External mxture, (b) homogeneous nternal mxture, (c) core-shell, and (d) core-shell-shell model. Kahnert et al., 01

Aerosol mxng a) External mxng b) Homogeneous nternal mxng c) Coatng sphere also nternal mxng 19.07.005 QUANTIFY IGF-UW

Wyznaczane własnośc optycznych meszanny zewnętrznej ext ext, N o abs scat g ext, ext, ext, ext, abs, scat, N N o o g N N N N o o o o welkośc addytywne welkośc ntensywne P( ) P ( ) ext, ext, N N o o

Wyznaczane własnośc optycznych meszanny wewnętrznej Przypadek szczególny. Meszanna jednorodna np. aerozol hgroskopjny po rozpuszczenu sę sol w kondensującej wodze. Współczynnk załamana śwatła w tym przypadku może być określony na podstawe reguły Maxwella-Garnetta (1904) n 1 n 1 n 1 3f n 1 n 1 f n n n n 1 1 1 1 n gdze n 1, n są współczynnkam refrakcj cząstk perwszej oraz drugej, zaś f jest frakcją objętoścową drugej substancj. Stosując wzór M-G oblczamy współczynnk refrakcj meszanny, a następne rozpraszana Lorenza-Me wyznaczamy własnośc optyczne pojedynczej cząstk.

Wyznaczane własnośc optycznych meszanny wewnętrznej cd W przypadku gdy cząstka aerozolu składa sę z dwóch współśrodkowych cząstek sferycznych (np. nerozpuszczona cząstka sol morskej otoczona warstwa wody) wówczas możemy wykorzystać model Bohren & Huffman (1983)- coated sphere http://www.gf.fuw.edu.pl/meteo/stacja/kody.php Natomast gdy cząstka jest nejednorodna wówczas możemy wykorzystać metodę dyskretnych dpol (DDA) http://ddscat.wkdot.com/start

Zmenność spektralna własnośc optycznych

Zmenność spektralna własnośc optycznych

0 extdz Grubość optyczna ośrodka z ext (z) I o I Grubość optyczna - opsuje stopeń oddzaływana (ekstynkcj) promenowana elektromagnetycznego z materą. Grubość optyczna jest welkoścą bezwymarową występuje jako wykładnk we wzorze Beera: I I o e

Grubość optyczna atmosfery Na całkowtą grubość optyczna atmosfery składają sę następujące przyczynk: rozpraszane Raylegha RAY Rozpraszane absorpcja aerozolu RAY Absorpcja ozonu (UV zakres wdzalny) O3 Para wodna HO Pozostałe gazy (tlen, dwutlenek węgla, metan, dwu tlenek sark azotu) g RAY A O3 HO g

Grubość optyczna atmosfery cd. Najwększy wkład do grubośc optycznej wnoszą rozpraszane absorpcja aerozolu oraz rozpraszane molekularne. Przy czym to ostatne szybko zmnejsza sę z długoścą fal ( -4 ). Przykład: RAY (350nm)=0.61 RAY (500nm)=0.14 RAY (1000nm)=0.008 Grubość optyczną aerozolu jest welkośc bardzo zmenna w czase przestrzen a jej wartość dla długośc fal 500nm zmena sę średno od wartośc blskch zera do ok. 1. ( w skrajnych przypadkach do klku) Średna wartość grubośc optycznej aerozolu w Polsce wynos ok. 0. (500 nm). 40

Grubość optyczna pozostalych gazów atmosferycznych Absorpcja przez ozon w zakrese wdzalnym (pasmo Chappus) przyczyna sę do grubośc optycznej na (0.035 dla ok. 600 nm) Wpływ ozonu w zakrese UV jest bardzo duży a jego grubość optyczna przekracza 10 Wpływ pary wodnej jest bardzo duży jedyne w wąskch zakresach wdmowych (np. dla 940 nm może wynosć rzędu 0.5-1) Wpływ SO NO uwdaczna sę w UV oraz w zakrese wdzalnym

Zmenność spektralna grubośc optycznej aerozolu (AOD) 1) Mono-dyspersyjny rozkład welkośc cząstek aerozolu. n c (r ) =N o (r-r o ) ro ro ( ) ro NoQ,m CQ, m Jeśl przyjąć że r o =1m x=6/ to dla >1 m AOD maleje z długoścą fal! 4

Dla <1 m zachowane AOD jest bardzej skomplkowane Z anomalnej teor dyfrakcj ADT mamy Q sn 4 1 cos 4 4(m 1)r sn 1 cos ( ) C 4 4 Zanedbując III wyraz mamy ( ) C 4 4(m 1)r sn 4(m 1)r o o 4(m 1)r o AOD maleje z długoścą fal jeśl / 43

r o 8(m 1) Typowa zmenność współczynnka załamana śwatła (rzeczywsta cześć współczynnka refrakcj) zawera sę w grancach (1.3-1.7) Aby AOD malała z długoścą fal mus być spełnony przyblżony warunek r o </ Dla fal krótszych od 0.5 m AOD dla aerozol w klase akumulacyjnej zmnejsza sę z długoścą fal. Pomary potwerdzają, że AOD zmnejsza sę z długoścą fal dla małych cząstek. Jedyne dla dużych możemy meć odwrotna zależność 44

. Rozkład Junge a zmenność spektralna AOD Zakładając ze rozkład welkośc cząstek ma postać n c (r) Cr 0 r ( 1) 1 r r Możemy wyznaczyć grubość optyczna aerozolu ( ) r r 1 Cr r Q,mr ( 1) dr x r dx dr Po zamane zmennych mamy ( ) C x x 1 Q x,m ( 1) ( 1) x dx 45

( ) C 31 x x 1 ( 1) dx Q x,m x ( ) C ~ k gdze k jest stała opsującą wartość całk po parametrze welkośc x. Typowa wartość dla aerozolu meśc sę w przedzale od do 4. Zatem wykładnk - <0 ( ) Wykładnk Angstroma Wynk obserwacyjne spektralnej zmennośc AOD dowodzą, ż wykładnk Angstroma zmena sę średno w przedzale od 0 do.5 chocaż rejestruje sę równeż ujemne wartośc. 46

Wykładnk Angstroma zwązany jest z parametrem rozkładu welkośc. Im jest on wększy tym mnej jest dużych cząstek odwrotne Małe wartośc odpowadają dużemu aerozolow odwrotne. Chocaż rozkład Junge ma osoblwośc dla r=0 to jednak neźle opsuje rozkład welkośc aerozolu wększego od 0.5 m zaskakująco dobrze zgadza sę w wynkam obserwacyjnym wykładnka Angstroma. Spektralna zmenność AOD zawera ne tylko nformacje o rozkładze welkośc aerozolu ale równeż o współczynnku załamana śwatła 47

Wykładnk Angstroma dla różnych cząstek 48

Rozkład Log-Normalny a zmenność spektralna AOD n c (r) 3 1 N r ln e 1 lnrlnr ln m Tego wzoru ne można scałkować analtyczne podobne jak rozkładu Junge. Jednak korzystając z twerdzena o wartość średnej możemy zapsać: 0 n (r) dr ( ) Q x,m r c 0 r n (r)dr NQx,m r ( ) Q x,m c N r jest całkowtą powerzchną aerozolu w jednostce objętośc 49

AOD możemy polczyć ze wzoru ( ) r Qx,m Q, m Q x,m N r r 3 eff 3 V 4 r eff 3 M 4 r eff r eff r m e 5 ln gdze V jest całkowtą objętoścą aerozolu, zaś M masą w jednostce objętośc. r Nestety jest na ogół welkoścą zależną od promena efektywnego co zasadnczo komplkuje oblczena. Oblczmy loraz: ( ( 1 r Q,m1 ) 1 ) r Q,m Iloraz AOD dla długośc fal ne zależy od masy an objętośc aerozolu a jedyne od welkośc charakteryzujących jego welkość własnośc mkrofzyczne (współczynnk załamana śwatła. 50

Rozważmy przypadek aerozolu ggantycznego x>>1 Wówczas Q (paradoks ekstynkcj) ( ) ( ) 0 3 r n V r c (r)dr 3 S M eff r eff S całkowta powerzchna aerozolu w jednostce objętośc Wzór często stosowany dla kropel chmurowych gdze warunek x>>1 jest spełnony 51

Wykładnk Angstroma Załóżmy, że mamy dwa mody aerozolu o lczbe cząstek odpowedno N 1 oraz N. Wówczas AOD wynos: N 1S1 NS S Qr n (r) dr =1, ln ln 1 1 ln 1 1 ln 1 N1S ln N S 1 1 11 1 1 S11 N / N1S1 1 ln S N / N S NS N S 1 Wykładnk Angstroma zależy od stosunku lczby cząstek w klase akumulacyjnej klase cząstek dużych 5

Relacja Shfrna ( ln lnln ) ln ln ln lub Rozważmy mono-dyspersyjny rozkład cząstek o promenu r M M r Q r Qn(r) dr n(r)dr r N o Q gdyż n(r)=n o (r) M Q Q 53

Rozważmy obecne rozkład pol-dyspersyjny N 0 r Q n(r)dr N o r Q n(r)dr Korzystamy ze wzoru Q M Q ( ) 1 N0r M( )Qn(r)dr Zauważmy że d N Qn(r)r M ( ) d Wzór Shfrna 0 Wzór pozwala wyznaczyć wykładnk Angstroma cząstek o pol-dysperysyjnym rozkładze welkośc gdy znamy wykładnk Angstroma dla poszczególnych składowych meszanny. dr 54

Rozważmy atmosferę w której w dolnej częśc mamy aerozol o grubośc optycznej 1 wykładnku Angstroma 1 powyżej zaś warstwę scharakteryzowana przez wartośc oraz. Mamy węc dwa równana: 1 1 1 Oznaczmy przez q : q 1 / 1 1 1 1 1 1 1 q 1 1 1 q 55

1 1 1 1 1 1 q q 1 q q Gdy q>>1 czyl 1 >> to wówczas 1 o le ne jest blske zero 1 Ze wzoru Shfrna wynka, że jedyne aerozole o znaczącym wkładze do całkowtej grubośc optycznej mogą efektywne wpływać na wartość wykładnka Angstroma Przykład. soot =0.0 soot =.0 seasalt =0. seasalt =0.0 Na postawe wzoru Shfrna mamy: =0.18. Nawet gdyby soot =0.05 to =0.4. Grubość optyczna sadzy nawet dla bardzo zaneczyszczonych rejonów śwata jest bardzo mała (podobne jak w powyższym przykładze). 56

Rozważamy osobno przypadek małych dużych cząstek zdefnowanych przez parametr welkośc x 1) Dla x>>1 Q=const= stad =0 ) Dla x<<1 a) gdy cześć urojona współczynnka refrakcj k=0 Q()=Q scat =C/ 4 b) gdy cześć urojona współczynnka refrakcj k 0 Q()=Q abs =C/ Paradoks Angstroma M 4 1 k=0 k 0 małe cząstk Oblczmy albedo pojedynczego rozpraszana SSA (Sngle Scatterng Albedo) Q Q abs 1 4 Q abs x Q x scat 57

x 1 Dla x<<1 4 11 0 x x Dla cząstek dużych Q ext = Q abs =1 (gdy k>0) Stad =0.5 Paradoks Angstroma występuje nawet dla k=10-10. Wówczas to =0 oraz =1 58

Załóżmy, że mamy małe cząstk dla których spełnona jest zależność Q abs =x Stąd abs a 1 Wykładnk Angstroma dla absorpcj wynos 1 ext e 1 abs 1 ext a e 1 Dla aerozolu o wykładnka Angstroma równym 1 mamy płaską zależność albeda pojedynczego rozpraszana z długoścą fal. 1) Dla <1 SSA rośne z długoścą fal ) Dla >1 SSA maleje z długoścą fal 59

Zmenność spektralna wykładnka Angstroma (AE) Wykładnk Angstroma wykazuje zmenność z długośc fal co jest przejawem faktu, że rozkład welkośc cząstek ma węcej nż jedną klasę. ( ) d ln d ln Pochodna wykładnka Angstroma jest dana wzorem '( ) '( ) ln d d ln ln ln ln 1 ln ln ln ln ln ln 1 1 1 1 1 zdefnowane nad podstawe AOD 3 długośc fal

Zmenność spektralna wykładnka Angstroma cd. Jeśl ogranczyć sę do członu kwadratowego AOD dln o 1 ln można wyznaczyć zmanę spektralną wykładnka Angstroma ' d d ln >0 czyl <0 oznacza, że w rozkładze welkośc domnuje klasa akumulacyjna <0 czyl >0 oznacza, że w rozkładze welkośc domnuje klasa cząstek dużych ln

Przykład Zakładając, że aerozol składa sę z dwóch klas rozmarów opsywanych rozkładem Junge grubość optyczna wynos o1 o 1 o o gdze o oznacza referencyjną długość fal np. 500 nm, zaś o1 oraz o odpowadające jej grubość optyczna dla 1 klasy rozmarów. Pommo, że w tym przypadku wykładnk Angstroma 1 oraz są stałe to efektywny wykładnk Angstroma dla meszanny aerozolu zmena sę z długoścą fal.

Eck et al., 1999 Zmany spektralne AE a rozkład rozmaru cząstek 0 DUST &SOOT

Eck et al., 1999 >0 URBAN <0 DUST