Los investigadores han desarrollado un conjunto de instrumentos lidar basados ​​en diodos que podrían ayudar a llenar vacíos importantes en las observaciones meteorológicas y alimentar un salto en la comprensión. modelado y predicción del tiempo y el clima. Los instrumentos son especialmente adecuados para comprender la dinámica atmosférica en la mesoescala, un rango de tamaño equivalente al área de una ciudad pequeña hasta la de un estado de EE. UU.

Colaboradores de la Universidad Estatal de Montana (MSU) en Bozeman y el Centro Nacional de Investigación Atmosférica (NCAR) en Boulder, Colo. Discutirá el trabajo durante el Congreso de Sensores y Sensores Ópticos de la Sociedad Óptica, que tendrá lugar del 25 al 27 de junio en San José, Calif., durante la Sensors Expo 2019.

Hasta aquí, el equipo ha creado cinco instrumentos LIDAR de absorción diferencial (DIAL) de micropulso basados ​​en diodos:instrumentos MPD, para abreviar, para perfilar el vapor de agua en la troposfera inferior, la región de la atmósfera donde ocurre la mayor parte del tiempo. Los instrumentos basados ​​en láser de diodo operan en el rango de longitudes de onda de 650 a 1, 000 nanómetros, principalmente dentro del espectro infrarrojo. Los instrumentos se pueden desplegar tanto de día como de noche, en gran parte desatendido, sin correr el riesgo de dañar los ojos de los seres humanos.

"La red de cinco instrumentos MPD de vapor de agua se desplegó en el observatorio atmosférico de medición de la radiación atmosférica de las Grandes Llanuras del Sur a mediados de abril, ", dijo la miembro del equipo Catharine Bunn." A partir de este experimento de campo de tres meses, obtendremos información sobre cómo el pronóstico del tiempo puede verse afectado por las mediciones continuas de MPD del vapor de agua atmosférico.

Llenar las lagunas de seguimiento

Varios informes de las Academias Nacionales de Ciencias, Ingeniería y Medicina y otros grupos de expertos durante la última década han identificado una necesidad crítica de perfiles de medición vertical de humedad, aerosoles, y temperatura en la troposfera inferior. Los expertos también piden la creación de una "red de redes" para recopilar y compartir estos datos. Para proporcionar la cobertura necesaria para mejorar el pronóstico del tiempo y el clima en los EE. UU., un informe propuso desplegar una serie de sensores en el suelo en aproximadamente 400 sitios en todo el país espaciados aproximadamente a 125 kilómetros de distancia.

Sin embargo, ha habido una brecha en la instrumentación para cumplir con esta visión de investigación y monitoreo sin depender de dispositivos basados ​​en aviones, que son costosos de implementar. Sobre la base del trabajo previo de otros equipos y en colaboración con los científicos de NCAR, Los desarrolladores de instrumentos de MSU recurrieron a la tecnología MPD basada en diodos como una ruta económica hacia un perfilador que podría realizar mediciones precisas y cumplir con las especificaciones deseadas para el funcionamiento continuo, operación desatendida y seguridad ocular.

Demostrar valor en el campo

Los investigadores han desarrollado cinco instrumentos diferentes basados ​​en una arquitectura común en la que se envían pulsos láser a la atmósfera y la señal de retorno, que varía a medida que la luz interactúa con el vapor de agua, se mide con módulos de conteo de fotones individuales. Los cinco instrumentos están operativos y dos se han desplegado en experimentos de investigación meteorológica y climática en tierra.

Un instrumento desarrollado en colaboración por científicos de MSU y NCAR, se presentó como parte del Experimento de fotoquímica y contaminación del aire de Front Range (FRAPPE). El instrumento midió el perfil vertical de vapor de agua con menos del 10 por ciento de error medio en un rango de condiciones atmosféricas. en comparación con los perfiles recopilados por dispositivos aéreos. También funcionó sin supervisión durante 50 días continuos durante FRAPPE sin una disminución aparente del rendimiento, proporcionando una cobertura de datos de aproximadamente el 95 por ciento.

Los investigadores también han avanzado hacia la elaboración de perfiles verticales de otras dos características de gran interés de la troposfera inferior:los aerosoles y la temperatura. Basado en la arquitectura MPD, los investigadores de NCAR construyeron un nuevo lidar de alta resolución espectral (HSRL) capaz de perfilar aerosoles. Complementando este trabajo, un físico de MSU adaptó técnicas matemáticas de la mecánica cuántica para resolver una ecuación que abre la puerta al uso de mediciones de propiedades de moléculas de oxígeno y otros datos atmosféricos para crear un perfil de temperatura vertical. Los modelos y los experimentos preliminares sugieren que, además de medir el vapor de agua y otras partículas en el aire, el HSRL puede proporcionar las medidas necesarias para Perfilado de temperatura de alta frecuencia.

Durante el Congreso de junio, los investigadores planean proporcionar lo último sobre su trabajo de perfilado de temperatura y otras actualizaciones sobre su instrumentación. Por ahora, Bunn dijo, "Estamos comenzando a recuperar los perfiles de temperatura de la troposfera inferior con una precisión de +/- 2 Kelvin y estamos trabajando para mejorar el rendimiento del algoritmo de recuperación e instrumentos".