strumentazione - Multisites Network of DMF

STRUMENTAZIONE
♦
Sistemi per il monitoraggio in remoto di parametri
atmosferici
LIDAR
Fotometro solare
♦ Sistema di radiosondaggio per le misure di parametri
atmosferici
Radiosonda VAISALA RS92
♦ Strumenti per il campionamento frazionato del particolato al
suolo
Compionatore di PMx in continua con sorgente a raggi β,
FH 62 I-R
Campionatore di PMx, FH 95 KF
Campionatore automatico bi-canale di PMx, HYDRA
Impattare a cascata a 7 stadi, OH-610-C
Spettrometro dimensionale (0.5-20 µm) APS-TSI
♦ Sistemi per l’analisi morfologica e chimica del particolato
atmosferico
SEM-EDX
Analizzatore OC/BC
Il LIDAR UNILE
Il LIDAR (LIght Detection And Ranging) è un sistema di monitoraggio remoto attivo che
permette di ricavare i profili verticali:
a) di diversi parametri atmosferici quali la temperatura, l’umidita’ relativa, il rapporto di
mescolamento del vapore acqueo;
b) della concentrazione di specie gassose presenti in traccia, quali l’O3;
c) del coefficiente di estinzione e retrodiffusione aerosolica e del rapporto di
depolarizzazione.
Il sistema LIDAR operante presso il Dipartimento di Fisica dell’ Universita’ del Salento
(LIDAR UNILE) è stato ottimizzato per la misura dei profili verticali del coefficiente di
retrodiffusione ed estinzione dell’aerosol, del rapporto di depolarizzazione totale e del rapporto
di mescolamento del vapor acqueo. UNILE è costituito da:
•
•
•
•
un laser Nd:YAG triplicato in frequenza (A) che genera impulsi a 355 nm di durata
temporale di circa 10 ns, energia massima di 360 mJ e frequenza di massima di
ripetizione di 30 Hz.
un telescopio di tipo Newtoniano (B) con uno specchio di 33 cm di diametro e lunghezza
focale 120 cm
un sistema ottico per la selezione spettrale del segnale retrodiffuso (C),
un sistema di rivelazione e acquisizione del segnale analogico digitale (D).
(A)
(D)
(B)
(C)
Lo Fig. 1 mostra uno schema a blocchi del sistema LIDAR UNILE. I segnali retrodiffusi rilevati
a 355, 387 e 407 nm, sono relativi rispettivamente alla lunghezza d'onda del segnale di diffusione
elastica, del segnale di diffusione Raman dalle molecole di azoto e del segnale di diffusione
Raman relativo alle molecole di vapore acqueo. Il segnale elastico è diviso con l’ ausilio di un
cubo polarizzatore in una conponente che conserva la polarizzazione parallela ed una che
conserva la componente perpendicolare a quella della sorgente laser.
Figura 1 Schema a blocchi del LIDAR UNILE
Figura 2 Rete EARLINET-ASOS
Il sistema LIDAR UNILE fa parte della rete LIDAR Europea (Fig. 2) EARLINET-ASOS
(European Aerosol Research Lidar Network-Advanced Suitable System) che e’ stata istituita per
il monitoraggio degli aerosol su scala continentale.
La Fig. 3 mostra i profili verticali del
coefficiente di retrodiffusione elastica (profilo rosso) ed il profilo di depolarizzazione (profilo
blu) ricavati da misure LIDAR effettuate il 17/6/2004 a diverse ore del giorno, durante un evento
di trasporto di polvere dal Sahara. La Fig. 4 e’ un immagine da satellite che mostra la nuvola di
sabbia trasportata dal Sahara.
0.0
Depol. Ratio
0.1 0.2 0.3
Depol. Ratio
0.00 0.04 0.08 0.12
0.4
15:40 - 16:20
Depol. Ratio
0.00 0.04 0.08 0.12
17:50 - 18:30
5000
0.00
Depol. Ratio
0.10
19:00 - 19:45
Quota (m)
Quota (m)
4000
3000
2000
1000
0
0
1
2
3
4 5x10
BackSc. Coeff. (m*sr)
-6
-1
0
1
2
3
4 5x10
BackSc. Coeff. (m*sr)
Figura 3 Profili LIDAR
-6
-1
0
2
4
-6
6x10
BackSc. Coeff. (m*sr)
-1
0
2
4
6x10
-6
BackSc. Coeff. (m*sr)
-1
Figura 4 Immagine da satellite
Radiosonda VAISALA RS92
La radiosonda VAISALA RS92 (Fig. 1a) permette di misurare i profili verticali di
temperatura, umidità relativa e pressione. Questi profili possono poi essere utilizzati per
calcolare i profili di densità dell’aria ed il rapporto di mescolamento di vapor acqueo.
La Fig. 1c mostra un confronto tra il profilo del rapporto di mescolamento di vapore
acqueo ottenuto con la radiosonda VAISALA (segnale blu) e quello ricavato da misure LIDAR
(segnale rosso) effettuate simultaneamente l’11 ottobre, 2005.
(a)
(b)
(c)
7000
20051011
18:19 -19:14
6000
Altitude (m)
5000
4000
3000
2000
1000
0
0
2
4
6
8
Mixing ratio (g/kg)
Figura 1 (a) Radiosonda VAISALA; (b) pallone sonda; (c) profili verticali di temperatura da
misure del LIDAR UNILE (segnale rosso) e di radiosondaggio (segnale blu).
10
FOTOMETRO SOLARE AERONET
Il fotometro solare automatico CIMEL 318A
(Fig. 1) fa parte della rete mondiale
AERONET
gestita
dalla
NASA
(http//aeronet.gsfc.nasa.gov/)
che
e’
costituita da circa 200 fotometri solari
distribuiti su tutta la Terra (Fig. 2).
Tale rete e’ stata realizzata per lo studio degli
aerosol su scala globale.
Questo strumento misura l'intensità della
radiazione solare, diretta e diffusa a diverse
lunghezze d'onda.
Figura 1 Fotometro solare
I principali parametri aerosolici ricavati dalle misure effettuate dal fotometro AERONET sono:
• spessore ottico aerosolico a differenti lunghezze d’onda,
• indice di rifrazione (parte reale ed immaginaria) a differenti lunghezze d’onda,
• distribuzione dimensionale,
• albedo di singolo scattering a differenti lunghezze d’onda,
• parametro di asimmetria
Figura 2 Localizzazione dei fotometri solari AERONET
Le Figure 3 e 4 mostrano rispettivamente la distribuzione volumetrica e l’ albedo di singolo
scattering (SSA) ricavati da misure effettuate il 30 giugno ed il 27 luglio 2006, durante l’
avvezione di masse d’ aria provenienti rispettivamente dal Nord-Est dell’ Africa e dal Nord dell’
Europa, come mostrano le traiettorie analitiche che sono mostrate a fondo pagina. Si osserva
dalle Figure 3 e 4 che entrambe la distribuzione dimensionale e l’SSA sono influenzati in modo
significativo dal pattern d’avvezione.
15:00 UTC
15:30 UTC
16:28 UTC
16:55 UTC
30/06/2006
14:51 UTC
15:23 UTC
16:19 UTC
16:45 UTC
0.15
27/07/2006
3
2
dV/dlnr (µ
µm )
µ m /µ
0.15
0.10
0.10
0.05
0.05
(a)
0.00
(b)
0.00
6 8
0.1
2
4
6 8
2
4
1
r (µ
µm)
6 8
10
6 8
2
0.1
4
6 8
2
4
1
r (µ
µm)
6 8
10
Figura 3 Distribuzioni colonnari volumetriche ricavate dalle misure fotometriche effettuate
rispettivamente il 30/6 ed il 27/7 dell’ anno 2006
0.94
SSA (440 nm)
0.92
0.90
0.88
0.86
0.84
30 june
27 July
0.82
0.80
9:00 AM
12:00 PM
3:00 PM
time
Figura 4 Andamento temporale del SSA a 440 nm ricavate dalle misure fotometriche effettuate
rispettivamente il 30/6 ed il 27/7 dell’ anno 2006.
CAMPIONATORI DI PARTICOLATO AL SUOLO
SISTEMA FH 62 IR
Il sistema FH 62 I-R della ditta ESM Andersen
Instruments GmbH (DE), dotato di teste per il
campionamento
rispettivamente
di
PTS
(Particolato Totale Sospeso), PM10 e PM2.5
(Fig. 1) e di un ed il filtro è in fibra di vetro per la
raccolta del particolato atmosferico, fornisce la
concentrazione in massa in tempo reale,
utilizzando una sorgente a raggi beta.
La radiosorgente utilizzata è Krypton 85, a 1.85
GBq (= 50 milliCurie3).
Figura 1 Sistema di campionamento FH 62 I-R
250
3
Concentrations (µg/m )
200
La Figura 2 mostra l’ andamento temporale
della concentrazione in massa di PTS ricavato
da misure effettuate dal 6 all’11 Luglio 2004
durante un evento di trasporto di sabbia dal
Sahara. E’ interessante osservare il
significativo aumento delle concentrazioni di
PTS dei giorni 8 e 9 Luglio.
150
100
50
0
00:00
6/7
12:00
00:00
7/7
12:00
00:00
8/7
12:00
00:00
9/7
12:00
00:00
10/7
12:00
Day/Month
Figura 2
Andamento temporale
concentrazioni in massa di PTS.
delle
00:00
11/7
SISTEMA FH 95 KF
Il sistema FH 95 KF della ditta Thermo ESM Andersen mostrato a destra, è un campionatore
manuale dotato di teste per il campionamento rispettivamente di PTS, PM10 e PM2.5. La misura
della concentrazione in massa avviene con il metodo
gravimetrico. Il particolato atmosferico e’ depositato su
filtri del diametro di 47 mm (Fig. 3).
Figura 3 Filtro di filtri di nitrato di cellulosa con porosità
di 0.8 µm prima e dopo il campionamento
SISTEMA HYDRA DUAL SAMPLER
È un campionatore automatico bicanale
della FAI
INSTRUMENTS capace di operare con teste di prelievo di PTS,
PM10, PM2.5 e PM1 in modo indipendente su due distinti
canali distinti. La misura della concentrazione in massa avviene
con il metodo gravimetrico.
IMPATTORE A 7-STADI OH-610-C
È un campionatore a 7 stadi della Kàlmàn System (Ungheria) che permette il campionamento
frazionato di particelle solide in modo automatico. Le particelle dimensionalmente frazionate
vengono raccolte su filtri di quarzo per le successive analisi fisiche e/o chimiche. La Figura 4
mostra (a) l’ impattore e (b) una sezione della testa di campionamento.
(a)
(b)
Figura 4 (a) Testa di misura e sistema di controllo dell’ impattore OH-610-C, (b) sezione della
testa si misura
La Figura 5 mostra alcune immagini del microscopio elettronico a scansione (SEM) ottenute con
un ingrandimento pari a 7000X e relative a stadi dell’ impattare caratterizzati da differenti
parametri di taglio e relative ad un campionamento di 24 ore del 21/11/2005. I diametri di taglio
dei vari stadi in funzione della portata di aspirazione della pompa (q) sono mostrati nella Tabella
1. Le barre in rosso mostrano le condizioni di lavoro relative al campionamento del 21/11/2005
(Fig. 5).
Stadio 1 (5.7 µm)
Stadio 3 (1.4 µm)
Stadio 5 (0.35 µm)
Stadio 7 (0.08 µm)
Figura 5 Immagini del microscopio elettronico a scansione (SEM) relative a stadi dell’ impattare
caratterizzati da differenti parametri di taglio. Il particolato e’ stato raccolto su filtri di quarzo
durante un campionamento di 24 ore effettuato il 21 novembre 2005 presso il Dipartimento di
Fisica dell’Universita’ del Salento.
Tabella 1 Portata di aspirazione della pompa (q) e corrispondenti diametri di taglio dei sette
stadi dell’ impattore OH-610-C.
SPETTROMETRO DIMENSIONALE APS TSI 3321
Il sistema APS (Aerodynamic Particle Sizer)
3321 della TSI (USA), è uno spettrometro
dimensionale a 52 canali per la classificazione di
particelle con diametro aerodinamico da 0.5 a 20
µm (Fig. 6). La Fig. 7 mostra con una mappa a
colori codificata la distribuzione numerica
dimensionale (dN/dlogDp, dove Dp e’ il
diametro delle particelle) in funzione del tempo,
per un campionamento di 24 ore (dalle 09.30
dell’ 8/11 alle 09.30 del 9/11/2006).
Nei grafici di Fig. 8a e 8b sono rappresentate,
rispettivamente, le concentrazioni numeriche e
volumetriche in funzione del diametro
aerodinamico ricavate dal plot di Fig. 7 e relative
a diverse ore del giorno.
Figura 6
Sistema APS 3321
Figura 7 Mappa a
colori
di
dN/dlogDp
in
funzione del tempo
(a)
(b)
Figura 8 Concentrazioni (a) numeriche e (b) volumetriche in funzione di Dp relative a diverse
ore del giorno
ANALIZZATORE SUNSET di OC/EC
Il sistema EC/OC Analyzer
della SUNSET permette di
misurare utilizzando la tecnica,
della trasmittanza termo-ottica
la concentrazione in massa del
Carbonio Elementare (EC) e
del Carbonio Organico (OC)
relativa
del
particolato
atmosferico raccolto su filtri di
quarzo.
MICROSCOPIO ELETTRONICO A SCANSIONE
(SEM/EDAX, JEOL, Model JSM-6480 LV),
Laboratorio di microscopia elettronica del Dipartimento di Fisica dell’ Universita’ del Salento