PARAMETRI OPTICI AI AEROSOLULUI

Dac se consider ca radiaia solar traverseaz un strat de aer care conine particule de aerosol, se obine extincia luminii din cauza atenurii radiaiei luminoase incidente ( prin mprtierea i absorie. Intensitatea luminoas I ( de legea Lambert-Beer: (3.13) Unde este grosimea optic sau drumul optic este suma a trei termini datorit prezenei in atmosfer a picturilor (hidrometeorilor), aerosolului (A) si gazelor (G) atmosferice. (3.14) Drumul optic este o mrime adimensional care depinde de concentraia de particule si de coeficientul de extinctie, . Drumurile optice sunt datorate att mprtierii ct si absoriei, asa c se poate scrie: ) dup parcurgerea unei distane L in mediu, este dat

(3.15)

Unde: (3.16) ( ) sunt coeficienii volumici de mprtiere si, respective, absorie dai prin: (3.17) Unde: ( [ ( ] ( [ ( ]*f( *dr

este raza unei particule din atmosfer: de nor, cea sau de aerosol; ( [ ( ] reprezint funcia de distribuie a particulelor care au raza

sunt limita inferioar i respective superioar a razei; [ si ( ] si [ ( ] sunt factori de eficienta pentru imprastiere si absortie ( indicele de refractive complex.

In studiile de interactive a radiatiei luminoase cu particulele de aerosol care sunt in stare lichida sau solida si care au o compozitie chimica foarte diversa, indicele de refractie este un parametru essential. Daca si au valori constant pe o distanta data, L, drumul optic este considerat omogen si atunci ecuatia (3.16) se simplifica si poate fi scrisa ca ; acesta este o conditie obisnuita atunci cand sunt considerate drumuri optice orizontale. Coeficientii de imprastiere si absortie pot impreuna sa dea coeficietul de extinctie : (3.18) Toti coeficientii Pentru aerosol doar indicele. sunt numiti coeficienti de atenuare. sunt exprimati in mod identic ca in ecuatiile (3.16) (3.18) schimbandu-se

Presupunand ca avem o densitate de particule absorbante cu sectiunea eficace de absortie si o densitate de particule imprastietoare cu sectiunea eficace de imprastiere coeficientii de atenuare au expresiile:

Aceste relatii sunt valabile in ipoteza ca particulele absorb sau imprastie lumina independent de prezenta celorlalte particule. Presupunerea este valabila in cazul cand distantele dintre particule sunt mari comparative cu dimensiunile lor, conditie satisfacuta de mediul gazos atmospheric. In cazul cuplajului radiactiv dintre particulele mediului, coeficientii de atenuare nu ar depinde linear de concentratia particulelor. De asemenea, sectiunile eficace de atenuare ar depinde de intensitatea fasciculului luminous. In acest caz procesul de atenuare este neliniar. In ipoteza liniaritatii proceselor de atenuare, calculul coeficientului de extinctie revine la determinarea sectiunilor eficace de absorbtie si imprastiere. In cazul imprastierii pe moleculele de gaz din atmosfera, difuzia Rayleigh, coeficientul de imprastiere volumic este considerat ca pentru, ( pentru un gaz este dat de: (3.19)

Unde

(

este coeficientul masic de absortie iar (

este densitatea gazului.

Folosind ecuatiile (3.14) si (3.15), ecuatia (3.13) devine: (3.20) Ecuatiile (3.13) (3.20) sunt ecuatiile de baza pentru descrierea atenuarii radiatiilor. Alaturi de marimile definite se mai pot folosi si altele in studiul proceselor de extinctie, ca de exemplu transmitanta (3.21) Ca urmare, in termini de transmitanta, ecuatia (3.20) se poate scrie ca: (3.21) Unde T este transmitanta totala, iar se refera la picaturi, particule de aerosol, imprastiere moelculara (Rayleigh) si absorbtia pe gaze. Revenind la imprastiere moleculara care este caracterizata de coeficientul volumic de imprastiere mentionata ca expreisa acestuia este data de: (3.23)( )

. Expresia transmitantei se deduce imediat din ecuatia (3.13):

Unde: n este indicele de refracie al moleculelor ce alctuiesc aerul, N concentraia moleculelor de aer ( legat de depolarizare. la temperatur i presiune date i D un factor

Att n ct si N depind de presiune i temperatur, aa ncat dac ( este dat pentru condiii normale corecia pentru valorile coeficientului la presiune si temperatura T se obin: (3.24) (

n timp ce coeficienii i sunt funcii continue de , coeficientul masic de absorie a gazelor este o funcie puternic variabil de , datorit numeroaselor benyi de rotaie vibraie i rotaie pur ale moleculelor de aer atmosferic. Ecuaia (3.22) este valabil de asemenea, cnd transmitanele sunt mediate pe lungimea de und; transmitantele mediate se numesc functii de transmisie. Pe langa factorii de eficienta pentru ( ] si [ ( ] se pot introduce si alte marimi care pot fi imprastiere si absortie, [ folosite in studiile propagarii radiatiei in atmosfera.

Astfel, albedoul pentru o singura imprastiere este definit ca absorbite de particule si descreste catre zero cand absortia creste. Coeficientul volumic de reimprastiere (3.25) [ ( ( ] ( [( (

si este o masura a radiatiei

este dar de expresia (Mie,1957): ] (

Unde si sunt functiile intensitatii Mie; este foarte important in special in tehnicile lidar. Functia de faza ( descrie distributia unghiulara a intesitatii luminii imprastiate si este data prin: (3.26) ( [ ( ] (

Unde este unghiul de imprastiere si j=1,2 se refera la lumina imprastiata cu vectorul electric perpendicular si respectiv paralel la planul de imprastiere. Pentru lumina nepolarizata, marima ( [ ( ( ] se conserva. Expresiile acestor si frecventa in numere de

marimi si detalii despre ele pentru particulele sferice omogene sunt date de teoria Mie. In teoria Mie se folosesc frecvent marimile: parametrul adimensional unda (

care deseori este folosita in locul lungimii de unda.

Fig. 3.6 arata factorul eficientei de imprastiere ca o functie de parametrul adimensional x, pentru un indice de refractie real cu valoarea 1.35 si cu mai multe valori ale partii imaginare. Pentru adica pentru un reflectator perfect, nu exista nici-o absortie si aunci . Din figura se observa o succesiune de maxime si de minime de amplitudine foarte diferite care sunt rezultatul complexitatii precesului de interactiune a radiatiei luminoase cu o particula considerata sferica. Maximele si minimele mai semnificative sunt datorate interferentei luminii difractate si transmie prin sfera, in timp ce maximele si minimele de amplitudini reduse sunt rezultatul efectelor optice ale radiatiei marginale. ( creste rapid tinzand asimptotic catre valoarea 2, cand parametrul dimensional atinge valoarea 5. Aceasta comportare a factorului de eficienta arata ca o particula mare indeparteaza din radiatia incidenta exact de doua ori cantitatea de radiatie luminoasa pe care ar putea s-o intercepteze. Efectele optice ale particulelor de aerosol domina in spectrul solar dar nu sunt de neglijat nici celelalte lungimi de unda. Cunoasterea setului de marimi optice in functie de lungimea de unda este necesara ca sa se obtina in primul rand adancimea optica de patrundere a aerosolului (AOD in abrevierea din limba engleza-Aerosol Optica Depth) si apoi o perturbatie radiativa: eficienta de imprastiere masica , dependenta functionala a imprastiereii luminii de umiditate relativa,

f(RH), albedoul imprastierii singulare, Penner si al., 1994).

, parametrul de asimetrie, g (Charlson si al., 1992;

Grosimea (Adancimea) Optica a Aerosolului (AOT sau AOD) este o masura a concentratiei aerosolului pe coloana, depinde de lungimea de unda, AOT( si este un parametru standard masurat de fotometrul solar. Adancimea optica de patrundere, , este denumita si turbiditate in multe lucrari de specialitate. Dependenta aceste marimi de lungimea de unda a radiatiei incidende este in principiu destul de complicata, datorita diversitatii componentelor atmosferice. In limite destul de largi, se poate folosi o expresie simplificata numita ecuatia turbiditatii a lui ngstrm (ngstrm, 1970), in care dependenta de lungime de unda se reduce la o proportionalitate inversa cu o putere a lungimii de unda: (3.27) ,

Unde b este asa-numitul coeficient de turbiditate, iar este exponetul ngstrm. In general, exponentul ngstrm se defineste prin relatia: (3.28) (( (

.

Sub aceasta forma, este cunoscut sub numele de parametrul ngstrm. Avantajul relatiei aproximative (3.27) este acela ca exponentul ngstrm se poate determina masurand turbiditatea la doar doua lungimi de unda diferite, : (3.29) (( ( ) )

.

Determinarea parametrului ngstrm este posibila doar in folosirea unui numar mare de canale spectrale, suficient pentru o interpolare precisa a curbei si efectuarea derivatei numerice in relatia (2.28). Parametrul/exponentul ngstrm reprezinta in mod esential panta dependentei spectrale a turbiditatii. Exista o cantitate importanta de informatie ce poate fi extrasa din analiza acestui parametru. In spectrul solar, este un indicator al dimensiunii particulelor din atmosfera care determina AOT-ul. Astfel, valori >1 sunt in principal determinate de modul de particule fine, aerosoli submicronici, in timp ce pentru