Os pesquisadores desenvolveram um conjunto de instrumentos lidar com base em diodo que podem ajudar a preencher lacunas importantes nas observações meteorológicas e impulsionar um salto no entendimento, modelagem e previsão do tempo e clima. Os instrumentos são particularmente adequados para insights sobre a dinâmica atmosférica em mesoescala, uma faixa de tamanho equivalente à área de uma pequena cidade até a de um estado dos EUA.
Colaboradores da Montana State University (MSU) em Bozeman e do National Center for Atmospheric Research (NCAR) em Boulder, Colorado discutirá o trabalho durante o Congresso de Sensores e Sensores Ópticos da Sociedade Óptica, que acontecerá de 25 a 27 de junho em San Jose, Califórnia, durante a Sensors Expo 2019.
Até aqui, a equipe criou cinco instrumentos lidar com absorção diferencial de micropulso (DIAL) com base em diodo - instrumentos MPD, para abreviar - para traçar o perfil do vapor de água na baixa troposfera, a região da atmosfera onde ocorre a maior parte do tempo. Instrumentos baseados em diodo laser operam na faixa de comprimentos de onda de 650 a 1, 000 nanômetros, principalmente dentro do espectro infravermelho. Os instrumentos podem ser implantados tanto de dia quanto de noite, em grande parte sem supervisão, sem arriscar danos aos olhos aos humanos.
"A rede de cinco instrumentos de MPD de vapor d'água foi implantada para a medição da radiação atmosférica no observatório atmosférico das Grandes Planícies do Sul em meados de abril, ", disse Catharine Bunn, membro da equipe." A partir deste experimento de campo de três meses, obteremos uma visão de como a previsão do tempo pode ser afetada por medições contínuas de vapor d'água atmosférico por MPD.
Preenchendo lacunas de monitoramento
Vários relatórios da National Academies of Sciences, Engenharia e medicina e outros grupos de especialistas na última década identificaram uma necessidade crítica de perfis de medição vertical de umidade, aerossóis, e temperatura na baixa troposfera. Os especialistas também pedem a criação de uma "rede de redes" para coletar e compartilhar esses dados. Para fornecer a cobertura necessária para melhorar a previsão do tempo e do clima nos EUA, um relatório propôs a implantação de uma série de sensores no solo em cerca de 400 locais em todo o país, separados por cerca de 125 quilômetros.
Contudo, tem havido uma lacuna na instrumentação para atender a essa visão de pesquisa e monitoramento sem depender de dispositivos baseados em aeronaves, que são caros para implantar. Com base no trabalho anterior de outras equipes e colaborando com cientistas do NCAR, Os desenvolvedores de instrumentos MSU se voltaram para a tecnologia MPD baseada em diodo como uma rota econômica para um perfilador que poderia fazer medições precisas e cumprir as especificações desejadas para contínuo, operação autônoma e segurança para os olhos.
Demonstrando valor no campo
Os pesquisadores desenvolveram cinco instrumentos diferentes com base em uma arquitetura comum em que pulsos de laser são enviados para a atmosfera e o sinal de retorno, que varia conforme a luz interage com o vapor de água, é medido com módulos de contagem de fóton único. Todos os cinco instrumentos estão operacionais e dois foram implantados em experimentos de pesquisa meteorológica e climática baseados em solo.
Um instrumento, desenvolvido em colaboração por cientistas MSU e NCAR, foi colocado em campo como parte do Front Range Air Pollution and Photochemistry Experiment (FRAPPE). O instrumento mediu o perfil vertical de vapor de água com menos de 10 por cento de erro médio em uma gama de condições atmosféricas, em comparação com perfis coletados por dispositivos aerotransportados. Ele também funcionou sem supervisão por 50 dias contínuos durante o FRAPPE, sem declínio de desempenho aparente, fornecendo cerca de 95 por cento de cobertura de dados.
Os pesquisadores também avançaram no sentido de traçar o perfil vertical de duas outras características de alto interesse da baixa troposfera:aerossóis e temperatura. Com base na arquitetura MPD, os pesquisadores do NCAR construíram um novo lidar com alta resolução espectral (HSRL) capaz de criar perfis de aerossóis. Complementando este trabalho, um físico MSU adaptou técnicas matemáticas da mecânica quântica para resolver uma equação que abre a porta para o uso de medições de propriedades de moléculas de oxigênio e outros dados atmosféricos para criar um perfil de temperatura vertical. Modelos e experimentos preliminares sugerem que, além de medir o vapor de água e outras partículas transportadas pelo ar, o HSRL pode fornecer medições necessárias para granulação fina, perfis de temperatura de alta frequência.
Durante o Congresso de junho, os pesquisadores estão planejando fornecer as últimas novidades sobre seu trabalho de perfis de temperatura e outras atualizações em sua instrumentação. Por enquanto, Bunn disse, "Estamos começando a recuperar perfis de temperatura da troposfera inferior com uma precisão de +/- 2 Kelvin e estamos trabalhando para melhorar o desempenho do instrumento e do algoritmo de recuperação."
