Principio di funzionamento di un lidar ad alta risoluzione spettrale

Introduzione

Il presente lavoro di tesi ha come scopo lo studio della tecnica lidar ad alta risoluzione spettrale per l'analisi delle propriet ottiche del particolato atmosferico, ovvero gli aerosol.\\Gli aerosol hanno un ruolo importante tra gli inquinanti a causa dei loro effetti sulla salute umana, l'ambiente e il clima. Le loro propriet ottiche, quindi, risultano fondamentali per una conoscenza pi che approfondita di tali effetti.\\Tra le metodologie utilizzate per stimare le propriet di assorbimento e scattering del particolato, la tecnica lidar, che rivela la luce retrodiffusa dagli aerosol, dopo che questi siano stati irraggiati con luce laser, la pi diffusa e tutt'oggi oggetto di ricerca.\\Nel Capitolo 1, a seguito di una brevissima analisi dell' atmosfera terrestre, si forniscono le generalit e la configurazione di un apparato che si basa sulla tecnica lidar. Successivamente si analizzano il principio di funzionamento di un lidar basato sullo scattering elastico, cio il Metodo Klett-Fernald, e la tecnica Raman, ovvero la rivelazione del segnale retrodiffuso dopo aver subito scattering anelastico. Sono infine confrontate le due metodologie operative.\\Nel Capitolo 2 esposta la teoria sulla quale si basa il lidar ad alta risoluzione spettrale (HSRL): questo un nuovo metodo d'applicazione della tecnica per il telerivelamento laser, tutt'ora in via di sviluppo.\\Nel Capitolo 3, infine, sono riportati i metodi di realizzazione di un HSRL, confrontandoli e riportando i vantaggi/svantaggi di ognuno di essi.

Atmosfera e LIDAR

L'atmosfera terrestre: gli aerosol

Usualmente il termine atmosfera indica l'insieme dei gas che circonda un corpo celeste, le cui molecole sono trattenute dalla forza di gravit del corpo stesso.L'atmosfera terreste, al variare della quota, presenta cambiamenti in termini delle variabili fisiche quali: densit , pressione Nota {Densit e pressione diminuiscono in modo esponenziale all'aumentare dell' altitudine. In particolare l'andamento decrescente della densit influisce sulla temperatura e sui processi di rifrazione della luce.} e temperatura Nota{ L'andamento della temperatura al variare della quota alquanto complesso poich dipende dalla densit e dai processi d'interazione della radiazione elettromagnetica (che avvengono in maniera non uniforme) con i diversi costituenti presenti nell'atmosfera. Vedi figura{fig:1}.}.Tali variazioni hanno permesso la divisione dell'atmosfera in diversi strati, ognuno dei quali caratterizzato, inoltre, dalla maggiore o minore presenza di particolato atmosferico.

FIG: 1

Il particolato atmosferico o, pi semplicemente, aerosol, gioca un ruolo fondamentale in buona parte dei processi atmosferici; esso influenza la formazione di nuvole, le precipitazioni e i processi chimici che avvengono trai i 3-10km e 10-50km di quota, ovvero nella troposfera e nella stratosfera rispettivamente. Gli aerosol hanno sia origine naturale che antropogenica: sono particelle provenienti tanto dai deserti, dalle eruzioni vulcaniche, dalle acque marine, quanto dalle industrie o da altre attivit legate all'uomo [2]. La loro concentrazione pu variare rapidamente e i loro effetti sono fortemente dipendenti dalla specie in considerazione, dalla posizione geografica, dall'altitudine [1]. Risulta allora evidente quanto siano necessari approfonditi studi, cos come nuove ed accurate tecnologie, che ci permettano di conoscere pi in dettaglio gli aerosol e la loro distribuzione, tanto da permettere, in futuro, la formulazione di modelli climatici capaci di previsioni pi accurate di quanto non si ottenga al momento attuale.La conoscenza delle proprieta chimico-fisiche degli aerosol, della loro distribuzione spaziale ed evoluzione temporale costituisce un elemento assolutamente fondamentale ai fini dello sviluppo e dellapplicazione di modelli climatici. La criticit della conoscenza di questi parametri evidenziata nei report del Intergovernmental Panel on Climate Change (http://www.ipcc.ch) il cui report 2013 (Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change 2013), vedi fig. 2, sottolinea come gli aerosol atmosferici e le loro interazioni con le nuvole siano i parametri che intervengono sul forcing radiativo ( nota) sui quali c oggi la maggiore incertezza.

Figura 2. Forcing radiativo per il period 1980-2011. Il forcing radiativo antropogenico calcolato da simulazioni con metodi di Montecarlo ( IPCC- Fifth Ass. Report-2013)

Questa situazione motiva i sempre pi numerosi studi delle propriet ottiche delle nuvole condotti con metodi diversi, sempre pi avanzati. La tecnologia basata sul radar ottico, il lidar, costituisce oggi uno dei principali strumenti per ottenere dati quantitativi che possono aiutare a colmare la lacuna di conoscenza attuale. In particolare le osservazioni lidar da reti internazionali e le applicazioni da satellite permettono di avere misure con alta risoluzione spaziale e temporale.

Il Lidar

GeneralitIl LIDAR Nota{ Dall inglese Light Detection and Ranging} uno degli strumenti fondamentali per quella branca della fisica che ha come scopo l'analisi e la descrizione dell'atmosfera. Apparati di questo tipo sono utilizzati per ottenere informazioni prevalentemente relative alla troposfera e alla stratosfera, talvolta anche alla mesosfera [2].\\ La conoscenza dei processi di scattering della radiazione da parte delle particelle e i modelli teorici atti a descriverli, sono essenziali per la realizzazione del LIDAR ed il suo corretto utilizzo. L'idea che giace alla base di questa tecnologia quella di illuminare mediante un fascio laser un bersaglio ed osservare la luce che ritorna allo strumento dovuta allo scattering, detta luce di backscattering, cos da ottenere informazioni sul bersaglio stesso [1].L'impiego del LIDAR ha fornito importantissimi risultati: ha consentito il monitoraggio delle concentrazioni dei gas provenienti dalle emissioni industriali, al fine di conoscere gli effetti dell'inquinamento e studiarne metodi di riduzione; ha documentato la diminuzione dell'ozono; ha provato l'esistenza di atomi e ioni di metalli nella mesosfera; ma, in particolar modo, ha permesso una pi approfondita conoscenza dei fenomeni metereologici grazie alla determinazione di variabili quali la pressione, la temperatura, l'umidit, la velocit del vento, ma soprattutto grazie alla analisi degli aerosol presenti nell'atmosfera [1, 2].I primi studi sulla composizione dell'alta atmosfera basati sulla risposta all emissione luminosa risalgono al 1930. L'avvento dei laser, nel 1960, consent, nel 1963, la prima realizzazione di un laser al rubino a regime impulsato per rivelazioni atmosferiche [1, 2]. Il rapido sviluppo delle sorgenti laser ha permesso la realizzazione di dispositivi basati su questa tecnologia sempre pi potenti e versatili. In aggiunta ai laser, d'altronde, occorrono numerosi altri dispositivi per la costruzione dei pi avanzati strumenti LIDAR, come ad esempio: filtri ottici ad elevata trasmittivit e selettivit, efficienti rivelatori e computer in grado di processare grandi set di dati.Tra le propriet dei lidar che devono essere citate ci sono: La capacit di dare in poco tempo dati relativi al profilo verticale di parametri atmosferici vari Lalta risoluzione spaziale (dellordine dei metri) Lelevata risoluzione temporale ( dellordine dei secondi) La possibilit di misurare diversi parametri simultaneamente Lapplicabilit da terra, ma anche da stazioni mobili, anche su aereo o satellite La versatilit che consente di usare questa tecnologia anche per misurare distanze, fare rilievi topografici e batimetrici ecc.

LIDAR setup

Nella figura fig:3 mostrato lo schema base di uno strumento LIDAR. Questo essenzialmente costituito da due blocchi: un trasmettitore ed un ricevitore.

FIG: 3

Il trasmettitore costituito da un laser, che funge da sorgente luminosa, e da un collimatore. Il laser emette brevi impulsi Nota{ Circa 10100ns.} con specifiche propriet spettrali, e con lunghezze d'onda che variano da circa 250nm a 11m.Nelle prime applicazioni delle tecniche LIDAR i laser utilizzati furono principalmente quelli al rubino e all'azoto, ma gi nei primi anni '80 si iniziarono a diffondere ampiamente i laser ad eccimeri e quelli Nd:YAG Nota{Laser a stato solido costituito da un minerale sintetico, il granato di ittrio e alluminio, drogato con piccole quantit di neodimio (~1% ).}: i primi producono radiazione ultravioletta, mentre i secondi emettono nella regione dell'infrarosso [1]. Entrambi i tipi di laser, tuttavia, non sono usati univocamente come diretti emettitori LIDAR, ma sono anche impiegati per attivare i processi di pompaggio all'interno di sorgenti laser secondarie.Per quel che riguarda il collimatore (beam expander), questo ha lo scopo di ridurre la divergenza del fascio prima che questa entri nell'atmosfera. Infatti, sebbene i fasci laser siano gi altamente collimati, la loro divergenza spesso ulteriormente ridotta fino al raggiungimento di valori dell'ordine di 100rad [1] cos da ridurre, come vedremo pi avanti, il rumore di fondo dovuto alla luce solare [3].\\La seconda unit principale costituente un LIDAR il ricevitore: esso costituito da un telescopio, un sistema di analisi spettrale, un rivelatore e da un sistema di acquisizione dati.\\Il telescopio ha un diametro variabile da 10 cm ad un metro e la maggior parte delle apparecchiature utilizza dei telescopi riflettori. Esso ha lo scopo di raccogliere i fotoni di backscattering provenienti dall'atmosfera e di inviarli verso il sistema di analisi spettrale.Date le dimensioni, il telescopio gioca un ruolo fondamentale nella disposizione relativa del trasmettitore e del ricevitore, infatti tale disposizione determina la quantit di segnale che viene raccolto a brevi distanze rispetto al LIDAR. A piccole distanze dal LIDAR la porzione di segnale che rivelata cambia fortemente al variare della posizione relativa tra gli assi ottici delle due unit principali costituenti il LIDAR.\\Nei sistemi coassiali il fascio laser emesso lungo l'asse ottico del ricevitore (coincidente con l'asse ottico del telescopio), mentre nei sistemi biassiali gli assi ottici sono separati spazialmente da almeno una lunghezza pari al raggio del telescopio [1], si veda la figura 4.\\La funzione che tiene conto di tutti i parametri geometrici in gioco chiamata funzione di sovrapposizione tra il fascio laser e il campo visivo del ricevitore, o pi semplicemente funzione di overlap (in figura 4 evidenziata la zona di sovrapposizione ), e si indica con O(R) Nota{La variabile R da cui dipende la distanza alla quale il fascio impatta il target bersaglio (lo strato atmosferico in esame). Come si vedr nel paragrafo 1.2.3 Equazione LIDAR.}, questa funzione nulla per distanza prossime al LIDAR, mentre circa 1, e comunque indipendente da R, a distanze alle quali il fascio laser interamente contenuto nel campo di vista del rivelatore [1], che a sua volta determinato dal diaframma di campo (field stop).\\

FIG. 4

Come gi accennato precedentemente, il telescopio, una volta raccolti i fotoni provenienti dall'atmosfera, li focalizza sul field stop e questi, una volta collimati con unopportuna lente, penetrano all'interno di un sistema di analisi spettrale. Tale sistema, nei casi pi semplici, costituito da un filtro interferenziale posizionato davanti al rivelatore: il filtro trasmette la luce la cui lunghezza d'onda contenuta all'interno dell'intervallo d'interesse, tagliando quella al di fuori (ad esempio il rumore di fondo) [1]. I filtri interferenziali sono selettori di lunghezza donda. Essi trasmettono la luce con una determinata frequenza, mentre riflettono quella a frequenza diversa.Sono costituiti da due o pi strati di materiale dielettrico, separati da un certo numero di superfici con spessore ed indice di rifrazione opportuno. Le propriet di tali filtri dipendono dal numero di strati di dielettrico, dalla loro riflettivit, dallindice di rifrazione e dallo spessore. La selettivit dei filtri interferenziali unimportante caratteristica, in particolare per le tecniche lidar.Il potere selettivo legato a tre parametri: la larghezze della banda di lunghezze donda che il filtro fa passare, la trasmissivit allinterno della banda passante e la trasmissivit al di fuori della banda. Un filtro ideale avrebbe una banda passante appena superiore alla larghezza della riga laser, una trasmissivit allinterno della banda pari ad 1 ed una trasmissivit al di fuori pari a zero. Ma queste , appunto sono caratteristiche ideali. Peri i filtri reali occorre ovviamente adottare soluzioni di compromesso. Nota{ Le caratteristiche tipiche di un filtro interferenziale sono: larghezza di banda ~0.5nm; trasmissione nella banda circa 50%; trasmissione fuori banda da 10.410.9%}. Uninsufficiente attivit di bloccaggio, infatti, comporta una maggiore presenza del rumore di fondo durante le rivelazioni; per contro, una selettivit troppo elevata farebbe decrescere la trasmissione della luce alla lunghezza donda prestabilita [3]. E necessaria, dunque, una precisa accordatura del filtro.\\ Sistemi di analisi ottica pi complessi rispetto a quanto descritto, permettono di selezionare stati di polarizzazione, opportunamente scelti dallo sperimentatore.\\Dopo esser passato per i sistemi di analisi spettrale, il segnale ottico giunge ai rivelatori. I principali rivelatori utilizzati sono i fotomoltiplicatori (PMT) Nota{Dall'inglese Photomultiplier}) e i fotodiodi a valanga (APD) Nota{Dall'inglese {Avalanche PhotoDiodes}). A seguire vi un multiscaler ovvero un dispositivo che consente di determinare il tempo di arrivo dei segnali elettrici, rispetto ad un segnale di trigger, e produrre l'istogramma in frequenza di tali tempi. Nel caso del lidar, il segnale di trigger sincrono con l'emissione dell'impulso laser, mentre i segnai dei quali si vuole l'istogramma dei tempi di arrivo sono prodotti dai fotoni di retrodiffusione rivelati. Il multiscaler costituisce, dunque, il sistema di acquisizione del lidar, tuttavia quando i segnali non sono acquisiti in regime di foto-conteggio, ma in regime di rivelazione analogia, questo sostituito da un convertitore analogico-digitale (ADC). I dati cos ottenuti sono infine memorizzati all'interno di un computer [1, 2].\\

Equazione LIDAR

La progettazione degli usuali strumenti LIDAR si basa sul fenomeno dello scattering elastico. In questo caso l'equazione LIDAR, ossia lequazione che descrive landamento del segnale ottico rivelato in funzione della distanza percorsa dal fascio laser, pu essere scritta come:

EQ. 1.1

dove P(R) il segnale dovuto allo scattering e ricevuto da una distanza R, E_0 l'energia dell'impulso laser, _L l'efficienza del LIDAR che tiene conto dei rivelatori e dei sistemi di analisi ottica, O(R) la funzione di overlap. Resta da specificare l'identit di (R) e di (R), ma prima osserviamo che nell'equazione scritta non compare esplicitamente la lunghezza donda in quanto essa scritta nell'ipotesi che il processo di interazione con latmosfera sia lo scattering elastico e quindi, la lunghezza d'onda del fascio, prima e dopo l'interazione, resta invariata. Il fattore 2 che moltiplica l'integrale serve a tenere conto del percorso di andata e ritorno del fascio, dalla sorgente al bersaglio atmosferico a distanza R.\\Possiamo ora definire i coefficienti (R) e (R). Essi sono, rispettivamente il coefficiente di backscattering, misurato in km^-1sr^-1; ed il coefficiente di estinzione Nota{Indica quanta luce viene persa nel cammino di andata e ritorno a distanza R}, misurato in km^-1 [1].\\Sia il coefficiente di backscattering che quello di estinzione possono essere espressi come la somma dei contributi dovuti alla presenza di molecole e di aerosol nell'atmosfera, cio:

EQ. 1.2EQ. 1.3

Inserendo le (1.2), (1.3) nella (1.1) e moltiplicando ambo i membri per R^2, la (1.1) diviene:

EQ. 1.4

dove si posto S(R) = R^2P(R) e si assunto O(R) = 1. La funzione di overlap, come precedentemente anticipato, nulla nelle zone prossime al lidar, dove il fascio di luce non interseca il campo visivo del ricevitore ( vedi fig. 4); mentre costante e normalizzata ad 1 nelle zone in cui la sovrapposizione totali. In particolare tale ipotesi verificata a partire da quote che superano i 550-600m [3], in generale.\\ Osserviamo che nellequazione 1.4 compaiono quattro incognite (_{aer}(R), _{mol}(R), _{aer}(R) e _{mol}(R) ), quindi essa risulterebbe evidentemente insolvibile, tuttavia possibile ridurre il numero delle incognite. I coefficienti di backscattering e di estinzione molecolari, _{mol}(R) e _{mol}(R), possono difatti essere calcolati a partire da modelli teorici schematizzanti l'atmosfera [1, 2]. Restano allora i coefficienti _{aer}(R) e _{aer}(R).\\Ci si puo ricondurre ad una sola incognita, nellipotesi che possa essere considerato noto il rapporto (detto Lidar Ratio):

EQ. 1.5

L_{aer}(R) dipende dalla natura chimica, dalla forma, dalla distribuzione e quindi dal tipo di particolato osservatoNota{Trova cos giustificazione la dipendenza da R}.\\In analogia viene definito anche il rapporto:

EQ 1.6

che, noti i coefficienti di backscattering e di estinzione molecolari, univocamente determinato [1].\\Questo, dunque, possibile dimostrare che esiste una soluzione dell'equazione (1.1) per _{aer}(R) che, unitamente al rapporto (1.5), rende possibile anche una stima di _{aer}(R).\\Con lo scopo di trovare tale soluzione, introduciamo la quantit:

EQ. 1.7

Sostituendo allora _{aer}(R) e _{mol}(R), ricavati dai rapporti (1.5), (1.6), nell'equazione (\1.1), e moltiplicando ambo i membri per L_{aer}, otteniamo:

EQ. 1.8

Da cui, dopo aver introdotto Y(R), sostituito il prodotto L_{aer}(r)_{aer}(r) ricavandolo da (1.7) e separato opportunamente gli esponenziali, l'equazione precedente pu essere scritta come:

EQ. 1.9

Facendo, infine, il logaritmo naturale di entrambi i membri dell'equazione (1.9) e differenziandoli rispetto ad R, si ha:

EQ. 1.10

Tale equazione nota come Equazione di Bernoulli [\1].\\Imponendo la condizione al contorno, che equivale a conoscere il valore del coefficiente di backscattering totale ad una quota di riferimento R0:

EQ. 1.11

si in grado di giungere alla soluzione:

EQ. 1.12

con T(r,R_0) = \\Come precedentemente detto, una volta noto _{aer}(R) analiticamente semplice calcolare _{aer}(R) dato il rapporto (1.5). Questa tecnica di soluzione nota come {metodo Klett - Fernald}[1]. \\Il punto centrale di tale metodo risiede interamente nella conoscenza L_{aer}(R), infatti, come gi menzionato, tale rapporto dipende dalle propriet morfologiche, chimiche e microfisiche del particolato atmosferico che, a loro volta dipendono dalla umidit relativa Nota{L'umidit ha un andamento crescente con la quota, ovvero la distanza R dal lidar.}. Inoltre, il metodo Klett-Fernald, fornisce una stima di _{aer}(R) con un buon margine d'errore, il quale si espande per enormemente su _{aer}(R) a causa proprio dell' incertezza con cui noto L_{aer}(R).\\Nel prossimo paragrafo, dunque, sar mostrata una seconda tecnica per mezzo della quale la stima dei coefficienti di backscattering e di estinzione del particolato atmosferico possono essere determinati con maggior precisione.E opportuno ricordare che l'attenzione posta principalmente su _{aer}(R) e _{aer}(R) poich essi contengono le propriet ottiche del particolato atmosferico sondato.

Raman LIDAR

La tecnica del lidar Raman fa uso del processo di scattering anelastico della luce dovuto alle molecole dei gas che costituiscono l'atmosfera. Questo fenomeno implica cambiamenti dei livelli energetici delle molecole, ovvero: una molecola che inizialmente si trova in uno stato A, a seguito dell'interazione con la luce verr a trovarsi in uno stato B diverso da quello iniziale. Il passaggio da uno stato all'altro genera uno spostamento della frequenza ( e quindi della lunghezza d'onda) della radiazione di una quantit che dipende esclusivamente dalla differenza di energia tra lo stato A e lo stato B. Il cambiamento della lunghezza d'onda, inoltre, specifico del tipo di molecola interagente.\\Precedentemente era stato mostrato che l'equazione lidar potesse esser scritta come (1.1). Sorge spontaneo chiedersi, allora, quali siano le modifiche da apportare a tale equazione tenendo conto del processo di scattering anelastico anzich del processo di scattering elastico. In effetti l'equazione (1.1) diviene [1]:

EQ. 1.13

la quale stata modificata introducendo la dipendenza dalla lunghezza d'onda, _{Ra}, e dividendo in due parti l'integrale per tener conto del fatto che il coefficiente di estinzione dipende dalla lunghezza donda e questultima diversa nel percorso di andata rispetto a quello di ritorno del fascio di luce. Il termine _0 la lunghezza d'onda del fascio prima dell' interazione.\\Per distanze del bersaglio abbastanza grandi possiamo evitare di scrivere la funzione di overlap e considerare O(R, _{Ra}) = 1, infatti, nella pratica, tale condizione ottenibile per distanze superiori ai 10002000m di altitudine. Le misure effettuate a quote pi basse possono tuttavia essere corrette tenendo conto di O(R, \lambda_{Ra}) se quest'ultima funzione nota. In particolare la correzione si basa sulla misura dell'andamento di O(R, \lambda_{Ra}) per lo stesso LIDAR [1,2]. Ad ogni modo per semplicit, nei calcoli a seguire, si supporr che le correzioni di overlap siano state gi effettuate in modo da trascurare tale termine.\\Il coefficiente _{Ra}(R) il coefficiente di backscattering Raman}. Esso ottenuto dal prodotto tra la densit del gas in esame, N_{Ra}(R) Nota{Per esempio N_2, O_2. \' E ricavato dagli andamenti standard di pressione e temperatura nell'atmosfera}, e la sezione d'urto differenziale dell'interazione, calcolata alla lunghezza d'onda del laser $\lambda_0$ e all'angolo di scattering . Ovvero [1]:

EQ. 1.14

Questa volta per si calcoler _{aer}(R, _0) per poi ottenere _{aer}(R, _0).\\Dunque, inserendo la (1.14) nella (1.13), riarrangiando i membri, facendo il logaritmo di questi ultimi e derivando il tutto rispetto a R, si ottiene:

EQ. 1.15

dove si riutilizzata l'espressione S(R, _{Ra}) = R^2P(R, _{Ra}). Ricordando la (1.3), la (1.5) pu essere riscritta come:

EQ. 1.16

Al fine di ottenere il coefficiente di estinzione alla lunghezza d'onda trasmessa, $\lambda_0$, dobbiamo introdurre l'esponente di Angstrom, a(R), che descrive la dipendenza del coefficiente di estinzione dalla lunghezza d'onda:

EQ. 1.17

cos, la (1.16) diviene:

EQ. 1.18

Usualmente lesponente a(R) assume valori compresi tra 1 e 2 per gli aerosol atmosferici. Tenuto conto del fatto che lo spostamento della lunghezza d'onda _{Ra} rispetto a _0, piuttosto piccolo, l'incertezza sull'esponente porta ad un'incertezza di qualche unit percentuale sul valore del coefficiente di estinzione [1] Ci resta allora da calcolare il coefficiente di backscattering del particolato atmosferico _{aer}(R, _0), alla lunghezza d'onda del fascio laser.\\Esso pu essere calcolato usando entrambe le equazioni (1.1) e (1.13): la prima, infatti, contiene informazioni sia sugli aerosol che sulle molecole dell'atmosfera; la seconda, invece, esclusivamente sulle molecole. Pertanto il coefficiente di backscattering _{aer}(R, _0)$ si ottiene facendo il seguente rapporto:

EQ. 1.19

Nellequazione 1.8 P(r0,LLambara) e P(R0, lamba0) rappresentano rispettivamente il segnale Raman ed il segnale elastico ottenuti alla quota di riferimento R0, in corrispondenza della quale si suppone di conoscere il valore del coefficiente di backscattering dovuto agli aerosol.

Sostituendo per ciascuno dei quattro segnali la rispettiva equazione LIDAR si ottiene la soluzione:

EQ. 1.20

In questa equazione il rapporto tra i due esponenziali pu essere considerato sempre molto vicino ad 1 a causa del fatto che Lamba o e lambda ra sono molto vicine. In ogni caso una migliore approssimazione pu essere ottenuta utilizzando la relazione 1.17 e la dipendenza di alfa molecolare da lambda-4 Nota {Deriva dalla teoria di Rayleigh dello scattering molecolare}. Nelle relazioni precedenti si utilizzata la variabile R_0: essa indica l'altezza alla quale bisogna stimare un valore di riferimento per il coefficiente di backscattering degli aerosol. Tuttavia basta semplicemente scegliere R_0 in maniera tale da coincidere con la parte pi alta della troposfera, dove la concentrazione di particolato tipicamente trascurabile e quindi poter considerare nullo il coefficiente di backscattering dovuto agli aerosol a questa quota. Questo permette di ridurre al minimo le incertezze sulla soluzione dell'ultima equazione Nota{Per determinare la soluzione baster allora la conoscenza della densit del gas, del coefficiente di backscattering molecolare e dei coefficienti di estinzione.}.\\\\Per come stata fin qui presentata, la tecnica Raman sembra risolvere totalmente il problemi la stima dei coefficienti _{aer}(R) e _{aer}(R). In realt essa ha un notevole punto critico: il fenomeno di scattering anelastico ha una piccola sezione d'urto, difatti l'intensit del segnale Raman sulle molecole di azoto, che il gas pi abbondante in atmosfera, pi bassa, rispetto all'intensit del segnale proveniente da un LIDAR basato su scattering elastico, di un fattore dell'ordine di 1000. Questo ha una serie di conseguenze non banali che si ripercuotono sul procedimento di misura e quindi di acquisizione di dati [1].\\Per cominciare, poich la sezione d'urto proporzionale a ^{-4}, occorre utilizzare laser che abbiano una piccola lunghezza d'onda: usualmente vengono scelti laser con 350nm. E quindi possibile indagare solo componenti atmosferici le cui concentrazioni siano alte. L ampiezza dei segnali rivelati pu essere elevata se si utilizzano laser ad alta intensit, ma questi sono molto costosi e possono essere estremamente pericolosi per la salute dell'uomo. Infine, data la debole intensit del segnale, i processi di misura possono essere effettuati solo di notte: di giorno, infatti, la radiazione solare produrrebbe troppo rumore di fondo che altererebbe i dati acquisiti [1, 2].\\Nel prossimo capitolo sar quindi presentata una nuova tecnica tramite la quale possibile determinare i coefficienti _{aer}(R) e _{aer}(R), ma che al contempo risolve le criticit dei due metodi precedentemente esposti.

Lidar ad Alta Risoluzione Spettrale: teoria

Introduzione

Il Lidar ad alta risoluzione spettrale (HSRL) Nota (Dallinglese High Resolution Spectral Lidar) una tecnica alternativa che si basa sulla rivelazione di due segnali per determinare le propriet del particolato atmosferico.Tale metodo utilizza gli spostamenti in frequenza subiti dalla retrodiffusa a causa delleffetto DopplerSia le molecole quanto gli aerosol contribuiscono allo spettro della luce di back- scattering, tuttavia le velocit associate al moto Browniano degli aerosol sono di gran lunga pi piccole delle velocit, dovute al moto termico, dei gas atmosferici, ovvero le molecole Nota(Il moto termico delle molecole funzione della temperatura T, che a sua volta funzionedella quota h. Per h variabile da 0 a 11km la funzione T(h) data da: T (h) = 288.15 0.006564h. [3]) [6]. Questa differenza di velocit nasce poich gli aerosol hanno massa maggiore rispetto alle molecole.La distribuzione delle velocit delle molecole di tipo Maxwell-Boltzman e, ponendoci nel semplice caso monodimesionale, data da [4, 6] :

EQ. 2.1

dove n_m la densit delle molecole, m la massa molecolare media, v la velocit molecolare, K la costante di Boltzman, T la temperatura atmosferica. Le molecole producono dunque, per effetto Doppler, significative variazioni della frequenza della luce osservata rispetto a quella incidente. Tali variazioni ricoprono un intervallo di 2GHz [7].La distribuzione spettrale della luce, inizialmente monocromatica, a seguito dellinterazione con i gas atmosferici data da [4, 6]:

EQ. 2.2

indicando con c la velocit della luce, k_0 il numero donda della radiazione incidente e k il numero donda della radiazione di retrodiffusione.Come dimostrato da G. Fiocco e J.B. DeWolf [6], la distribuzione spettrale dei fotoni che subiscono scattering elastico con il particolato atmosferico, praticamente segue landamento della distribuzione spettrale della radiazione emessa dal laser [6]: ci dovuto al fatto che gli aerosol hanno velocit molto basse.Le variazioni in frequenza dovute al backscattering aerosolico, dunque, sono molto pi piccole rispetto a quelle prodotte dalle molecole e ricoprono un intervallo di 10MHz [7].In figura 2.1 mostrato landamento del segnale di backscattering in funzione della frequenza, che il risultato di quanto detto in precedenza.Il grafico, come si vede, presenta una parte molto piccata e stretta in un intorno della frequenza del laser trasmettitore. Questa causata dallo scattering dei fotoni con il particolato atmosferico ed posta al di sopra della distribuzione prodotta, invece, dallo scattering con le molecole.

FIG. 5

Lidea che giace alla base del lidar ad alta risoluzione risiede nel fatto che, mediante opportuni filtri Nota(Come si vedr successivamente, sono utilizzate celle ad assorbimento o interferometri diFabry-Perot [1, 2].), si possa separare il contributo al segnale degli aerosol da quello molecolare, generando cos due segnali indipendenti. Questi possono poi essere utilizzati per indagare le propriet ottiche degli aerosol che, a loro volta, sono fondamentali per numerosi studi atmosferici.Per sistemi lidar diversi dallHSRL, dal segnale di retrodiffusione possibile determinare le propriet ottiche del particolato atmosferico solo se si assumono note altre quantit come, ad esempio, il lidar ratio e landamento della densit molecolare Nota(Si veda il capitolo precedente.), introducendo cos numerose incertezze.

Principio di funzionamento

Il punto di partenza , ancora una volta, l'equazione lidar (1.1), ovvero [1]:

EQ. 2.3

ricordando che P(R) il segnale ricevuto, E_0 l'energia trasmessa dall'impulso laser, _L l'efficienza del LIDAR e O(R) la funzione di overlap gi introdotta nel precedente capitolo.\\Consideriamo nuovamente i coefficienti di backscattering (R) e di estinzione (R) come la somma di due componenti: una relativa alle molecole, l'altra agli aerosol:

EQ. 2.4EQ. 2.5

I contributi molecolari, _{mol}(R) e _{mol}(R), non sono da considerarsi come incognite in quanto essi possono essere determinati dai modelli teorici per l'atmosfera, cos come fatto per il metodo di Klett-Fernald e la tecnica Raman. Restano allora, come nei casi precedenti, due incognite ed una sola equazione.\\L' obiettivo di un HSLR quello di separare il segnale ricevuto dal lidar in due componenti: una dovuta allo scattering con le particelle ed una dovuto allo scattering con le molecole, rivelate in canali indipendenti Nota(Questo discorso sar affrontato pi in dettaglio nel prossimo capitolo.).\\Lintensit del segnale di retrodiffusione in ognuno dei due canali una combinazione lineare del backscattering dovuto agli aerosol e alle molecole. Ovvero [4]:

EQ. 2.6EQ. 2.7

dove P_aer(R) e P_mol(R) sono i segnali separati degli aerosol e delle molecole rispettivamente; N_aer(R) e N_mol(R) indicano il numero totale di fotoni retrodiffusi dagli aerosol e dalle molecole; B_aer e B_mol il rumore di fondo rispettivamente nel canale degli aerosol e delle molecole; C_(aer, aer)(R) e C_(mol, aer)(R) indicano la frazione di segnale dovuto agli aerosol e alle molecole nel canale aerosolico; C_(aer, mol)(R) e C_(mol, mol)(R) indicano la frazione di segnale dovuto agli aerosol e alle molecole nel canale molecolare; infine lefficienza del lidar ad alta risoluzione.I coefficienti C_(aer, aer)(R), C_(mol, aer)(R), C_(aer, mol)(R) e C_(mol, mol)(R) sono detti anche coefficienti di calibrazione e possono essere determinati a partire dalla distribuzione spettrale della radiazione emessa dal laser, dalla trasmissivit del ricevitore e dalla distribuzione spettrale della radiazione di retrodiffusione dovuta agli aerosol e alle molecole [5].Il contributo dovuto agli aerosol dato dalla convoluzione della distribuzione spettrale del laser, L(k k_0), con la trasmissivit del canale che si sta considerando, cio [5]:

EQ. 2.8

dove k_0 il numero donda della radiazione incidente, k_r il numero donda della radiazione di backscattering dovuto agli aerosol, k* = k_0 k_r la differenza tra i numeri donda della radiazione laser e quella della radiazione retrodiffusa dagli aerosol. Il contributo molecolare ad ogni canale dato, invece, dalla convoluzione tra la (2.8) e la distribuzione spettrale del backscattering dovuto alle molecole. Ovvero [5]:

EQ. 2.9

dove si pu porre (1/Nmol)(dNmol/dk) D(k) [5], con D(k) dato da (2.2).Il calcolo dei coefficienti di calibrazione, per un lidar ad alta risoluzione costruito con un interferometro di Fabry-Perot a specchi piani, stato riportato da J.Sroga et al., pubblicato sulla rivista Applied Optics [5].Dopo aver determinato tali coefficienti, possibile risolvere le equazioni (2.8) e (2.9) cos da ottenere due relazioni indipendenti per il numero totale di fotoni retrodiffusi dagli aerosol e dalle molecole rispettivamente [4]:

EQ. 2.10

EQ. 2.11

con (R) = .Una volta noti N_aer(R) e N_mol(R) si pu procedere al calcolo del loro rapporto detto backscatter ratio [4] :

EQ. 2.12

La separazione in due componenti, una molecolare e laltra aerosolica, pu essere applicata anche allequazione lidar (2.3) ottenendo cos [2]:

EQ. 2.13

EQ. 2.14

dove C_0 un termine che tiene conto di tutte le costanti dellequazione (2.3), mentre T^2(R) il termine di trasmissione dato da:

EQ. 2.15

Il termine di trasmissione pu essere calcolato usufruendo della relazione (2.13), dato che _mol(R) noto da misure sugli andamenti di temperatura e pressione [2]. Si ottiene cos:

EQ. 2.16

Il coefficiente di backscattering del particolato atmosferico, invece, calcolabile facendo il rapporto tra le equazioni (2.13), (2.14) e isolando il termine dinteresse. Ovvero:

EQ. 2.17

Giunti a questo punto ci resta da calcolare il coefficiente destinzione del particolato atmosferico, _aer(R) [2].Per ottenerlo, calcoliamo il coefficiente di trasmissione dovuto agli aerosol, dividendo il risultato (2.16) per il coefficiente di trasmissione dovuto alle molecole (calcolabile anch esso da modelli teorici dellatmosfera) [2]:

EQ. 2.18

Generalmente definita la quantit aer (R) che il logaritmo naturale di T_aer^2(R) [2], cio:

EQ. 2.19

Derivando, dunque, rispetto ad R, si ha il coefficiente che cercavamo [2]:

EQ. 2.20

Si osservi che tutto quanto sviluppato fin ora stato possibile senza la necessit di introdurre nuove quantit e/o nuove ipotesi, riducendo cos al minimo le incertezze.In ci risiede la grande innovazione dell HSRL rispetto alle altre tecniche lidar. Nel prossimo capitolo verr affrontato il problema della realizzazione di tale strumento e di quali siano i metodi di filtraggio della radiazione di backscattering.

Lidar ad Alta Risoluzione Spettrale: realizzazione

Noto il principio di funzionamento del lidar ad alta risoluzione spettrale, occorre studiarne i metodi di realizzazione.\\ Come si visto, un HSRL, deve separare il segnale di backscattering nelle due componenti che lo costituiscono, ovvero quella dovuta agli aerosol e quella dovuta alle molecole.\\Il lidar ad alta risoluzione spettrale pu essere diviso essenzialmente in tre blocchi: un trasmettitore, un ricevitore ed un sistema di acquisizione dati.\\Il trasmettitore costituito da due laser: il primo, ad emissione continua, utilizza una lunghezza d'onda di 1064nm ed alimenta il secondo laser Nd:YAG a regime impulsato che emette alla lunghezza d'onda di 532nm [2}].\\L' apparato di ricezione del segnale di retrodiffusione risulta fondamentale per tale strumento . Esso costituito da un telescopio che raccoglie i fotoni retrodiffusi ed ha il compito, mediante opportuni filtri, di separare nella componente aerosolica e nella componente molecolare, la radiazione di backscattering.\\Nel tempo sono stati vari i tentativi di capire quali fossero le soluzioni migliori per ottenere un corretto filtraggio del segnale ricevuto, ma ancora oggi sono diverse le discussioni a riguardo. I sistemi adoperati fin' ora sono stati tre: interferometri di Fabry-Perot a specchi piani, detti anche Etalon Nota{Un' interferometro di Fabry-Perot detto Etalon} se la distanza tra gli specchi fissata da opportuni distanziatori [10].}; celle ad assorbimento ed interferometri di Fabry-Perot confocali (CFPNota{ Dall'inglese Confocal Fabry-Perot.}). Successivamente saranno trattati tali metodi di filtraggio della radiazione di backscattering e confrontati.\\Il sistema di acquisizione dati, invece, costituito da [4}]:

Un rivelatore e discriminatore di impulsi con frequenza maggiore di 100MHz Un multiscalerNota{Si veda il paragrafo 1.2.1} Un contatore per l'acquisizione del rumore di fondo La possibilit di misurare diversi parametri simultaneamente Un computer per elaborare e memorizzare i dati

Passiamo ora ad analizzare pi in dettaglio i tre diversi metodi per ottenere il segnale di retrodiffusione diviso nella componente dovuta agli aerosol e quella dovuta alle molecole.\\

Etalon

Tale sistema utilizza degli interferometri di Fabry-Perot a specchi piani per separare e successivamente rivelare, in due canali indipendenti, la radiazione di backscattering dovuta al particolato atmosferico e quella dovuta alle molecole.\\

FIG. 6

In figura 6 mostrato lo schema di un apparato di ricezione basato sugli etalon.Il fascio di luce ricevuto, proveniente dal telescopio, passa attraverso un'apertura per poi essere collimato da una lente L1.\\Il fascio cos ottenuto attraversa un primo interferometro, $F1$, che ha il compito di prefiltrare il segnale di backscattering ripulendolo dal rumore di fondo.\\

FIG. 7

Passando attraverso una seconda lente L2 il fascio nuovamente collimato ed indirizzato verso la prima entrata di una "quadrupla-apertura", il cui ingrandimento in figura 7Dopo aver attraverso l'apertura 1, il fascio passa attraverso la lente L3 ed incide sull'interferometro F2. Tale interferometro separa la componente piccata del segnale retrodiffuso dovuta agli aerosol, da quella che ha subito l'allargamento Doppler dovuta alle molecole.\\La luce trasmessa dall'interferometro, che contiene solo la componente aerosolica, collimata dalla lente L4 ed infine rivelata dal fotomoltiplicatore PMT A.\\L'interferometro F2 leggermente inclinato rispetto all'asse ottico del sistema cos da permettere al fascio di intercettare l'entrata 2 della quadrupla-apertura.\\Invece di esser rivelato a questo punto, il fascio riflesso dall'interferometro F2 nuovamente retroriflesso da un prisma posto all'interno della quadrupla-apertura cos da riemergere nuovamente in prossimit dello stesso interferometro.\\Infine, una volta subita la riflessione, tramite l'entrata 4 il fascio fatto incidere su un fotomoltiplicatore PMT $ che lo rivela [4].\\Questo doppio passaggio all'interno della quadrupla-apertura necessario poich riduce la quantit del segnale aerosolico presente nel canale assegnato alla radiazione di backscattering molecolare [4].\\Affinch gli interferometri F1 ed F2 possano rispettivamente filtrare il rumore di fondo e dividere il segnale di retrodiffusione, necessario ottenere un preciso allineamento con l'asse ottico, ma tale procedura non semplice [8].\\ Questa caratteristica del ricevitore di un HSRL basato sugli etalon il motivo per il quale alcuni scienziati preferiscono utilizzare le celle ad assorbimento.

Celle ad assorbimento

Un lidar ad alta risoluzione spettrale basato su tale metodo ha la capacit di separare il segnale di retrodiffusione mediante l'assorbimento della radiazione di backscattering dovuta agli aerosol da parte di un gas, scelto in maniera opportuna, posto all'interno di una cella.\\Ci sono diversi vantaggi nell'utilizzo delle celle ad assorbimento rispetto al metodo visto in precedenza. Anzitutto non necessario l'allineamento ottico poich la separazione del segnale ottenuta sfruttando le propriet del gas utilizzato; possibile effettuare misure della temperatura atmosferica al variare della quota: ci era molto complesso se non impossibile nel caso degli etalon [8]; possibile, inoltre, scegliere la quantit di segnale di backscattering aerosolico da filtrare con semplici variazioni della temperatura della cella ad assorbimento. Questa particolarit mostrata in figura 8 [7].

FIG. 8

Nell'immagine (a) mostrato il grafico dello spettro di retrodiffusione totale, la cui intensit, ovvero l'area sottesa al grafico, I. Sovrapposto a questo sono mostrate le due curve di trasmissione, F() e $F'()Nota{La forma analitica della curva di trasmissione, alla frequenza , di una cella ad assorbimento, riportata nel lavoro di H. Shimizu et al.} [7].} di due celle ad assorbimento poste a temperatura differente.\\In figura (b) mostrato lo spettro residuo, d'intensit I_{F'}, della cella ad assorbimento con curva di trasmissione F'().Lo stesso vale per la figura (c) in cui lo spettro ha intensit I_F e corrisponde alla curva di trasmissione F(). La cella ad assorbimento relativa allo spettro in figura (b) posta a temperatura pi bassa rispetto alla cella ad assorbimento relativa allo spettro in figura (c).\\Confrontando l'intensit I con l'intensit I_{F'} o I_F si p ottenere una stima dello spettro della radiazione di backscattering dovuta al particolato atmosferico, cos da poter calcolare il backscatter ratio Nota{Si veda il paragrafo 2.1.}.Poich lo spettro della radiazione di retrodiffusione molecolare contiene informazioni sulla temperatura T e la pressione P dell'atmosfera, misure delle intensit I_{F'} e I_F permettono, come gi anticipato, stime di tali quantit [\7].\\Il primo gas utilizzato per una cella ad assorbimento fu il bario (Ba). Questo venne utilizzato per assorbire alla lunghezza d'onda di 554$nm$ e ci richiedeva che la temperatura della cella fosse ~700-800K. Temperature cos alte tuttavia introducevano incertezze non trascurabili e perdite di stabilit per la trasmissione e l'assorbimento da parte del filtro [8].\\Il Ba venne allora sostituito con lo iodio (I), tutt'oggi in uso, poich in grado di assorbire a temperature pi basse, ~300K [8].\\La lunghezza d'onda scelta per lo iodio fu 532nm in quanto corrisponde alla linea d'assorbimento 1109 che ben isolata dalle altre [}].\\In figura 9 riprodotto lo schema del ricevitore di un HSRL basato sulle celle ad assorbimento.

FIG. 9

Nello schema compaiono due celle ad assorbimento in quanto esse sono poste a temperatura differente.\\Il segnale proveniente dal telescopio condotto, tramite delle fibre ottiche, all'interno del ricevitore e poi attraverso una lente che collima il fascio.\\Il fascio collimato viene poi fatto passare attraverso un filtro, in figura indicato come Daystar Nota{Dal nome della casa produttrice Daystar Corporation.}, che elimina dal segnale il rumore di fondo e le componenti rotazionale e vibrazionale dello scattering Raman, evitando cos di includerle nell'analisi dei dati [8].\\Il segnale poi diviso in tre canali: il primo rivela il segnale di retrodiffusione totale mediante un fotomoltiplicatore ( PMT3); i restanti, invece, rivelano il segnale di backscattering molecolare proveniente dalle celle ad assorbimento, privato dunque della componente aerosolica.\\Resta dunque da vedere l'ultimo metodo impiegato per la separazione della radiazione di backscattering in un lidar ad alta risoluzione spettrale.\\

Interferometro di Fabry-Perot confocale

Oltre all'utilizzo degli interferometri di Fabry-Perot a specchi piani e alle celle d'assorbimento, esiste un terzo metodo per filtrare la luce retrodiffusa a seguito dello scattering con le molecole e con il particolato atmosferico. Tale metodo impiega gli interferometri di Fabry-Perot confocali (CFP).\\Le celle ad assorbimento eliminano, entro i limiti sperimentali, il picco dovuto al backscattering con gli aerosol della luce trasmessa dal laser, lasciando passare la componente molecolare della radiazione di backscattering Nota{ Questo effetto rappresentato in figura 8.}.\\Lo svantaggio principale di questa tecnica che impone severi limiti alle lunghezze d'onda alle quali un lidar ad alta risoluzione spettrale pu operare.\\Un metodo per eludere questo problema richiederebbe l'uso degli etalon (un Fabry-Perot a specchi piani) che, in linea di principio, possono essere utilizzati ad ogni lunghezza d'onda.\\Come precedentemente detto per, per funzionare correttamente, tali interferometri richiedono un accurato e non semplice allineamento ottico.\\L'utilizzo di un interferometro di Fabry-Perot confocale combina la possibilit di utilizzare l' HSRL ad ogni lunghezza d'onda con la stabilit dello strumento. Esso infatti, per la sua geometria, molto meno sensibile alle variazioni d'allineamento ottico [2].\\I CFP presentano grandi vantaggi in particolare per i nuovi lidar ad alta risoluzione spettrale che potranno essere collocati sui satelliti.\\Le celle ad assorbimento, infatti, in generale non sono adatte per le applicazioni dallo spazio poich qualunque tipo di perdita o formazione di vapore renderebbe la cella inefficace, ed inoltre esse richiedono un preciso monitoraggio della temperatura alla quale operare che, nelle difficili condizioni di lavoro di un satellite, risulterebbe complesso ottenere [2, 4].\\I CFP, quindi, sono ideali per applicazioni da satellite in quanto evitano il problema legato alle celle ad assorbimento e sono molto pi piccoli rispetto agli etalon, oltre che, come gi detto, meno sensibili alle variazioni dell'allineamento ottico [2].\\Un interferometro di Fabry-Perot confocale costituito da due specchi sferici con lo stesso raggio di curvatura R_0 posti ad una distanza D. Essendo il sistema confocale D = R_0, ovvero ognuno degli specchi posizionato nel centro di curvatura dell'altro.\\

FIG. 9

Se un fascio di luce incide l'interferometro in prossimit dell'asse, il raggio rifratto che si propaga tra i due specchi produce una figura d'interferenza.\\Per capire come si produce l' interferenza consideriamo la figura 9. Il raggio entrante incide sul primo specchio nel punto P_1, che dista y_1 dall'asse, ed il secondo specchio nel punto P_2 la cui distanza dall'asse y_2.\\Il raggio incidente attraversa l'interferometro quattro volte (fig. 9 (a)) compiendo un cammino ottico la cui lunghezza, in generale, data da [12]:

EQ. 2.21

dove _1 l'angolo d'incidenza e _1 l'angolo che si forma tra l'asse del sistema e la retta congiungente il punto P_1 e il centro di curvatura del primo specchio.\\Poich per ipotesi il sistema confocale, il cammino ottico sar semplicemente L = 4R_0.\\A causa delle non perfetta monocromaticit del fascio incidente e delle aberrazioni, come mostrato nella figura 9(b), la luce devia leggermente rispetto al cammino iniziale. Come risultato si ha che i diversi cammini ottici si intersecano in un punto P, distante y dall'asse ottico.\\Il punto P determina la posizione delle frange d'interferenza [11].Facendo riferimento sempre alla figura 9(b), si osserva che possibile dividere i raggi trasmessi in due classi: quelli che hanno subito 4m riflessioni (Tipo 1) e quelli che ne hanno subite (4m + 2) (Tipo 2), dove m un numero intero.\\Se consideriamo i raggi di tipo 1, l'intensit delle frange d'interferenza descritta dalla relazione [11]:

EQ. 2.22

dove (,) = Nella relazione precedente T il coefficiente di trasmissione degli specchi, R il coefficiente di riflessione, l'ampiezza delle frange, la lunghezza d'onda della luce incidente, (, ) l'incremento di fase e D la distanza tra gli specchi.\\ Se consideriamo i raggi di tipo 2, invece, la relazione per l'intensit delle frange [11]:

EQ. 2.23

L'applicazione di un CFP nei lidar ad alta risoluzione spettrale non si discosta molto da quelle fino ad ora incontrate.

FIG. 10

La radiazione di backscattering passa attraverso un beam splitter polarizzatore cos una componente del segnale di retrodiffusione diretta su un fotomoltiplicatore, $PMT1$. Il segnale di questo rivelatore ha in s sia il contributo dovuto allo scattering con le molecole sia quello dovuto allo scattering con gli aerosol.\\La radiazione polarizzata ortogonalmente a quella incide sul CFP che, essendo accordato esattamente alla lunghezza d'onda del laser, trasmette la luce di backscattering prodotta dal particolato atmosferico e riflette la luce di backscattering prodotta dalle molecole.\\La radiazione riflessa e trasmessa dal CFP rivelata, rispettivamente, dai fotomoltiplicatori PMT2 e PMT3.\\Per minimizzare linfluenza del rumore di fondo, dinanzi ad ogni fotomoltiplicatore posto un filtro per lunghezze d'onda di larghezza pari a 3nm [2].\\La separazione delle due component della polarizzazione operata dal beam splitter polarizzatore consente di ottenere anche informazioni sulle propriet di depolarizzazione del particolato indagato.\\\\In questo capitolo sono stati presentati i diversi metodi di realizzazione di un lidar ad alta risoluzione spettrale.Come precedentemente accennato, ancora oggi ci sono diverse opinioni su quale dei tre metodi realizzativi sia il migliore.\\Il Dipartimento di Fisica dell' Universit Federico II di Napoli in collaborazione con lIstituto CNR-SPIN ed il Beijing Research Institute for Telmetry di Pechino, sta realizzando un HSRL in Cina seguendo, almeno per il momento, sia lidea di utilizzare le celle ad assorbimento che gli interferometri di Fabry-Perot confocali cos da poter valutare sul campo quale sia la soluzione ottimale.

Conclusioni

Conoscere le propriet ottiche degli aerosol di fondamentale importanza. Essi hanno sia origine naturale che antropogenica: influenzano la formazione di nuvole, le precipitazioni, i processi chimici dell'atmosfera, ma hanno anche notevoli effetti negativi: arrecano danno all'ambiente in termini di corrosione; alla visibilit poich particelle di dimensioni prossime alla lunghezza d'onda della radiazione solare riflettono pi efficacemente la radiazione stessa e danni alla salute umana.\\\'E rilevante, dunque, sia approfondire la conoscenza della distribuzione, le propriet morfologiche, chimiche e microfisiche del particolato atmosferico, che sviluppare nuovi e pi efficienti strumenti di misura che permettano l'analisi delle propriet ottiche degli aerosol. Nel presente lavoro di tesi, lo studio della tecnica lidar ha messo in evidenza le potenzialit del lidar HSRL rispetto alle configurazioni pi tradizionali. La tecnica lidar basata sullo scattering elastico, vista nel Capitolo 1, fornisce infatti una buona stima del coefficiente di backscattering _{aer}(R), ma produce un errore molto alto sul coefficiente di estinzione _{aer}(R). Questo accade perch, avendo un'unica equazione, cio l'equazione lidar (1.1) e due incognite, _{aer}(R) e _{aer}(R), l'assunzione di una nuova quantit, spesso in modo arbitrario, risulta necessaria.\\Il Metodo di Klett-Fernald suppone che sia noto il rapporto L_{aer}(R) (1.5) detto lidar ratio cos da avere due equazioni e due incognite. Il lidar ratio dipendendo dalle propriet morfologiche, chimiche e microfisiche del particolato osservato, non ben noto, motivo per cui _{aer}(R) non noto con precisione.\\Sempre nel Capitolo 1 si analizzata la tecnica Raman che fa uso dei processi di scattering anelastico per la determinazione delle propriet ottiche degli aerosol. Tuttavia lo scattering anelastico ha una piccola sezione d'urto, ci implica che possibile indagare solo componenti atmosferiche le cui concentrazioni siano alte. Per lo stesso motivo non possibile utilizzare questa tecnica di giorno, poich la radiazione solare produrrebbe troppo rumore di fondo che altererebbe i dati acquisiti. \\Nel Capitolo 2 stata esposta la teoria necessaria per comprendere l'utilizzo del lidar ad alta risoluzione spettrale.\\Questo strumento ha come idea quella di separare la componente di luce retrodiffusa dalle molecole da quella retrodiffusa dagli aerosol. La separazione avviene all'interno del lidar stesso mediante opportuni filtri e permette il calcolo dei coefficienti _{aer}(R) e _{aer}(R) in maniera indipendente.\\La realizzazione di un HSRL puo essere fatta in modo diverso a seconda del tipo di filtro impiegato per separare la luce di backscattering nelle sue due componenti.\\Nel capitolo 3 sono presentate le tipologie di filtraggio: gli etalon, le celle ad assorbimento e gli interferometri di Fabry-Perot confocali. Su quale delle tre sia la migliore soluzione tutt'oggi si discute ancora e sono diverse le opinioni a riguardo. \\Gli etalon permettono di utilizzare l'HSRL a qualunque lunghezza d'onda, ma necessitano di un preciso e non semplice allineamento ottico.\\Le celle ad assorbimento eliminano il picco dovuto al backscattering con gli aerosol della luce trasmessa dal laser, lasciando passare invece la componente molecolare della radiazione. Il loro svantaggio principale che precludono l'impiego dell' HSRL a diverse lunghezze d'onda. Per le applicazioni da satellite non sono adatte poich qualunque alterazione delle propriet del gas utilizzato le renderebbe inefficienti.\\Gli interferometri di Fabry-Perot confocali, CFP, sembrano essere, per ora la migliore soluzione. Essi possono essere applicati a diverse lunghezze d'onda, non necessitano di un meticoloso allineamento ottico e sono ideali per le applicazioni da satellite in quanto evitano le problematiche legate alle celle ad assorbimento.\\Il Dipartimento di Fisica dell'Universit "Federico II" di Napoli , in collaborazione con l Istituto CNR-SPIN ed il Beijing Research Institute for Telmetry di Pechino, sta realizzando un lidar ad alta risoluzione spettrale seguendo, almeno per il momento, sia l idea di utilizzare le celle ad assorbimento che gli interferometri di Fabry-Perot confocali.\\

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