INSTRUMENTOS

Estos son los instrumentos utilizados para llevar adelante las mediciones.

Sistema LIDAR de retrodifusión multilongitud de onda

Sistema LIDAR de retrodifusión multilongitud de onda

Los sistemas LIDAR (Ligth Detection and Ranging) se comenzaron a utilizar para el sondeo de la atmósfera a partir de la década del ‘70 cuando las fuentes de radiación láser ya habían alcanzado una serie de propiedades como la estabilidad temporal y la espacial de modos de emisión, sintonizabilidad de la longitud de onda de emisión, repetibilidad, control de la duración de los pulsos y otras. Esto las convertía en fuentes de gran utilidad en muchas aplicaciones y en particular en la exploración de la atmósfera.

Las dos propiedades fundamentales que posicionan a estos sistemas en un lugar de privilegio en la investigación meteorológica son la posibilidad de extraer información de propiedades de la masa de aire sondeada a una determinada altura sin perturbar el medio sondeado y el hecho de que las longitudes de onda de la radiación utilizada se ubican en las ventanas de transmisión de la atmósfera.

La performance y adecuación de estos sistemas al estudio de diversos problemas de la atmósfera así como la sinergia y complementariedad con instrumentos convencionales en meteorología, las plataformas satelitales y los instrumentos de medición de columna total en superficie los hacen una herramienta importante en el estudio de la dinámica de la atmósfera, de la polución ambiental así como en los problemas de validación y representatividad de los instrumentos en el espacio. Esto explica por qué estos instrumentos son incluidos cada vez más en programas de investigaciones nacionales e internacionales.

El sistema lidar de retrodifusión multilongitud de onda se ha desarrollado para el estudio de la tropósfera desde los 100 m hasta los 15 km permitiendo obtener perfiles de extinción y retrodifusión de aerosoles, la evolución de la capa límite atmósferica y el sensado de cirrus. El sistema se mosta en un contenedor de 6 m de longitud acondicionado como laboratorio móvil. El contenedor cuenta con una división interna, quedando dos partes, una para la oficina del operador y otra para la instalación del equipo, en esta segunda parte cuenta con una abertura en el techo para que posibilite la salida de la radiación láser. El sistema emisor está basado en un láser sólido Nd:YAG (Continuum Surelite III P-IV) de 30 Hz de repetición. La longitud de onda fundamental es 1064 nm con una energía de 200 mJ. El láser genera además la primera y segunda armónica, 532 nm y 355 nm respectivamente, lo que permite obtener información en las tres longitudes de onda simultáneamente con una resolución temporal de 10 s y espacial de 7 m. El sistema receptor está formado por un telescopio newtoniano de 1 m de distancia focal y 20 cm de diámetro. La información luminosa colectada por el telescopio se dirige a una caja espectrométrica para separar las diferentes longitudes de onda. Por medio de fotomultiplicadores Hamamatsu 6780 y un fotodiodo de avalancha Licel (Si-APD) (1064 nm) se convierte la señal luminosa en una señal eléctrica que es digitalizada por un sistema LICEL. Los perfiles digitalizados son mostrados en tiempo real para una rápida interpretación de la evolución de la atmósfera. Los resultados obtenidos, no sólo tienen la capacidad de ofrecer información complementaria para la aeronavegación, en cuanto a la altura y espesor de la capa de aerosoles en suspensión, sino también permiten realizar estudios medioambientales que ayudarán a conocer y comprender mejor la calidad del aire de la región.

El sistema tiene una estructura externa que articula los componentes fundamentales del lidar (laser, telescopio, caja espectrométrica, electrónica de adquisición, almacenamiento de datos y control, y sistema de refrigeración) como se ve en el esquema de la figura 1, un desglosado en las estructuras externa se muestra en la figura 2 y en la figura 3 la estructura interna que alberga el laser, telescopio y caja espectrométrica.

Figura 1: Esquemático del lidar con todos sus componentes

Figura 2: Estructura externa del lidar que protege a sus componentes

Figura 3: Estructura interna del lidar que contiene los sistemas cuya alineación es crítica para el sistema

En la figura 4 se muestra un esquema de la caja espectrométrica es de 6 vías (las elásticas coincidentes con la longitud del láser de 1064 nm, 532 nm y 354,7 nm y las Raman inelásticas de 387 nm y 607 nm de nitrógeno y 408 nm de vapor de agua). El diseño contempla la futura adición de dos vías más para medir depolarización en 355 nm y 532 nm. Las figuras 5, 6, 7, 8 y 9 muestran el lidar, contenedor, la caja espectrométrica y sistema de reenvío.

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Figura 4: Caja espectrométrica mostrando la separación de las longitudes de onda empleadas.

Figura 5: Sistema lidar multilongitud de onda. Se pueden observar todos los componentes en esta foto.

 

Figura 6: Contenedor que alberga al sistema lidar. (Instalación en el aeropuerto de Río Gallegos).

Figura 7: Sistema lidar en operación.

 

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Figura 8: Sistema lidar. Caja espectrométrica.

Figura 9: Telescopio. Espejo de reenvío

 

Actualmente se encuentran operativas 5 estaciones de monitoreo de aerosoles que cuentan con un sistema lidar con las características descriptas. Las estaciones son:

CEILAP-Bariloche 
Aeropuerto de San Carlos de Bariloche, provincia de Río Negro
41o 08’ S 71o 09’ O Alt. 840m

CEILAP-Comodoro 
Aeropuerto de Comodoro Rivadavia, provincia de Chubut
45º 47’ S 67º 27’ O  Atl 49 m

CEILAP-Neuquén 
Aeropuerto de Neuquén, provincia de Neuquén
38º 57’ S 68º 08 O  Alt 271 m

CEILAP-RG 
Aeropuerto de Río Gallegos, provincia de Santa Cruz
51º 36’ S 69º 19’ O  Alt 15 m

AEROPARQUE
Sede del Servicio Meteorológico Nacional de Av. Dorrego 4019 CABA
34o 31’ S 58o 25’ O Alt. 10 m

 

A modo de ejemplo se puede observar la señal lidar de retrodifisión para 1064 nm en unidades arbitrarias para el día 25 de abril de 2015 realizadas en la estación de Aeroparque. En el eje horizontal la hora del día en UTC, en el eje vertical la altura en pies y con la paleta de colores la intensidad de la retrodifisión. En la imagen se puede ver para este día que se destaca la presencia de una capa bien definida de aerosoles a partir de las 04.00 UTC, que según el estudio de los vientos, proviene de la erupción volcánica del Calbuco y que se mantiene prácticamente constante a lo largo del día.

Figura 10: señal lidar de retrodifisión para 1064 nm en unidades arbitrarias para el día 25 de abril de 2015 realizadas en la estación de Aeroparque.

Fecha

03 Septiembre 2017

Tags

LIDAR

 El proyecto SAVER-Net aporta un sistema de gestión de riesgos medioambientales atmosféricos a través del monitoreo en tiempo casi real del estado de los aerosoles, de la capa de ozono y la radiación UV.

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