STRUMENTAZIONE. Sistemi per il monitoraggio in remoto di parametri atmosferici. Sistema di radiosondaggio per le misure di parametri atmosferici

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1 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 ( µm) APS-TSI Sistemi per l analisi morfologica e chimica del particolato atmosferico SEM-EDX Analizzatore OC/BC

2 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 O 3 ; 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) (B) (D) (C)

3 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 Depol. Ratio Depol. Ratio Depol. Ratio :40-16:20 17:50-18:30 19:00-19: Quota (m) Quota (m) x10-6 BackSc. Coeff. (m*sr) x10-6 BackSc. Coeff. (m*sr) x10-6 BackSc. Coeff. (m*sr) x10-6 BackSc. Coeff. (m*sr) -1 Figura 3 Profili LIDAR Figura 4 Immagine da satellite

4 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, (a) (c) (b) :19-19: Altitude (m) 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).

5 FOTOMETRO SOLARE AERONET Figura 1 Fotometro solare 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. 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

6 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. dv/dlnr (µm 3 /µm 2 ) :00 UTC 15:30 UTC 16:28 UTC 16:55 UTC 30/06/ :51 UTC 15:23 UTC 16:19 UTC 16:45 UTC 27/07/2006 (a) (b) r (µm) r (µm) Figura 3 Distribuzioni colonnari volumetriche ricavate dalle misure fotometriche effettuate rispettivamente il 30/6 ed il 27/7 dell anno SSA (440 nm) :00 AM 12:00 PM 3:00 PM time 30 june 27 July 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.

7 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 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. Concentrations (µg/m 3 ) :00 6/7 12:00 00:00 7/7 12:00 00:00 8/7 12:00 00:00 9/7 Day/Month 12:00 00:00 10/7 12:00 00:00 11/7 Figura 2 Andamento temporale delle concentrazioni in massa di PTS.

8 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.

9 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

10 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.

11 Tabella 1 Portata di aspirazione della pompa (q) e corrispondenti diametri di taglio dei sette stadi dell impattore OH-610-C.

12 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 dell 8/11 alle 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 Figura 6 Sistema APS 3321 a diverse ore del giorno. 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

13 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