Revista de Gestão da Zona Costeira

Abstrato

Alterações climáticas 2019: Reparação dos parâmetros do aerossol estratosférico da Terra a partir de medições polarimétricas do céu - O Zbrutskyi - Instituto Politécnico Igor Sikorsky Kyiv, Ucrânia

P. Nevodovskyi, A. Vidmachenko, O.Ovsak, O.Zbrutskyi, М. Geraimchuk, О. Ivakhiv

As alterações climáticas da Terra são o resultado de alterações naturais no balanço energético da irradiação solar e da influência de fatores antropogénicos nas variações da espessura da camada de ozono e na abundância de aerossóis estratosféricos. Foi desenvolvido um polarímetro ultravioleta em miniatura para experiências polarimétricas de satélite na região ultravioleta do espectro da luz solar. A principal tarefa deste dispositivo é obter informações sobre as propriedades físicas do aerossol como resultado de medições fotopolarimétricas do céu. Este dispositivo foi testado numa bancada especialmente concebida e fabricada por nós. Foi desenvolvido um conjunto de programas de computador especiais para analisar os dados de medições polarimétricas espectrais de céu sem nuvens realizadas no telescópio AZT-2 (Main Astronomical Observatory, Kiev, Ucrânia). Assim é possível calcular as dependências da fase espectral do grau de polarização linear da radiação solar dispersa pela atmosfera terrestre. Um modelo homogéneo de meio gás-aerossol é utilizado quando as características das partículas de aerossol e os seus parâmetros de função de distribuição de tamanhos estão a mudar. Ou seja, as observações terrestres de polarização de um céu sem nuvens permitem estudar muitas características físicas dos aerossóis na troposfera e na estratosfera inferior da Terra.

Foi proposto o método de estudo de aerossóis estratosféricos baseado na utilização de operações de polarímetro ultravioleta (UVP). Confirma-se a possibilidade de as características microfísicas das partículas de aerossol serem determinadas na troposfera e estratosfera atmosféricas da Terra através de uma análise aproximada dos dados de medições polarizadas baseadas no solo de um céu sem nuvens feitas durante o dia e imediatamente após o pôr do sol.

Foram combinados os esforços de três instituições para preparar uma possível experiência para estudar a partir de uma nave espacial as características físicas do aerossol estratosférico. Como resultado, foi criado o modelo do VANT. Este dispositivo permite medições de polarização da estratosfera terrestre a partir de uma nave espacial.

O fotomultiplicador R1893 opera no modo de contagem de fotões. Os sensores de temperatura verificam a temperatura do meio e do recetor. Um motor piezoelétrico de rotor oco com um design especial faz rodar o elemento de polarização. Os dados necessários dos sensores de temperatura (no receptor, no motor, etc.) são transferidos para a interface do computador para fins de processamento e análise posterior. O software especial foi desenvolvido para controlar o plano de polarização dos elementos correspondentes ao controlo de posição, respetivamente ao alvo colocado.

Foi desenvolvida uma bancada especial para montar e estudar o protótipo atual da UVP, os seus blocos individuais e a sua combinação. Pode ser dividido em partes, unidades e blocos intercambiáveis ​​separados. Os estudos UVP realizados na bancada de ensaios permitiram determinar os seus parâmetros técnicos e características de desempenho.

Com este equipamento, foi investigado minuciosamente o funcionamento do receptor de emissão de luz (fotomultiplicador R1893) para determinar o seu limite de ruído a tensões de alimentação na gama de 1050-1500V (os impulsos escuros são de 2-4 impulsos/s) e a tensão de funcionamento do dispositivo foi selecionado. A estabilidade de leitura dos sinais de saída do dispositivo foi extensivamente investigada. Foi determinado durante longas horas de escuridão e medições de sinais úteis. Para verificar a metodologia de condução das observações de polarização do céu sem nuvens, foi utilizada uma modificação do protótipo atual do polarímetro ultravioleta de bordo UVP. Foi montado no telescópio AZT-2 (espelho de 70 cm e distância focal de 15 m). Realizámos as observações polarimétricas com um protótipo melhorado de polarímetro ultravioleta nos dias 26 e 27 de setembro de 2017. Note-se que de 24 a 29 de setembro todos os dias e noites estiveram sem nuvens acima de Kiev, na Ucrânia. Orientámos o telescópio para uma parte do céu com declinação do Sol igual a zero graus para um ângulo igual a 1h do meridiano central. A operação iniciou-se com o desligamento do mecanismo de relógio do telescópio às 14h00 UTC+2 e as observações foram concluídas às 20h00. Utilizámos para as observações o filtro λ = 362 nm localizado entre as regiões espectrais da luz visível e ultravioleta e cortámos também uma porção do céu utilizando um diafragma com um diâmetro de 0,5 mm. O motor piezoelétrico faz rodar a unidade moduladora com o elemento de polarização (prisma Glan) a 45° no mesmo ângulo. Assim, é realizada uma rotação de 360° do modulador em 8 passos. A exposição foi selecionada em 2 segundos. No início da operação, o fluxo de sinal útil era de cerca de 300 k impulsos por segundo, com um fluxo escuro de não mais de 20 impulsos por segundo. Os resultados das observações obtidas, bem como os resultados adicionais foram utilizados para análise e posterior processamento.

A dependência da fase DLP da luz dispersa por pequenas partículas isotrópicas com baixa absorção verdadeira é próxima do espalhamento Rayleigh. No entanto, se a parte imaginária do índice de refração complexo destas partículas aumentar significativamente, os máximos do DLP dos ângulos de fase deslocar-se-ão para valores iguais a 60°/300°, respetivamente. No caso de os parâmetros físicos do aerossol serem inalterados, o DLP da luz dispersa pelas partículas diminui com a diminuição do comprimento de onda. Foram modeladas as características de dispersão de luz por um conjunto estático de partículas homogéneas orientadas aleatoriamente, possuindo a forma não esférica mais simples (por exemplo, esferóides alongados e achatados, cilindros). Os resultados de tais trabalhos mostraram um efeito significativo da forma das partículas nas características da radiação por elas dispersa. No entanto, as tentativas de simular as características de dispersão de partículas de aerossol com formas complexas que realmente existem na natureza (cristais, flocos de neve, fuligem, poeira, etc.) constatam a impossibilidade de uma descrição analítica e a complexidade da algoritmização de tal problema. Os resultados do processamento de dados observacionais mostraram a eficácia da nossa metodologia e códigos de programa para análise de dados de medições polarimétricas espectrais, os valores do grau de polarização linear, dependências de fase da luz do dia e do crepúsculo do céu zenital. A coincidência das formas e dos valores absolutos das dependências do modelo calculado com os dados de medição numa vasta gama de comprimentos de onda indica uma possível correspondência entre os valores dos parâmetros do aerossol do modelo reconstruído e os seus dados reais.

É de realçar que a técnica proposta permite determinar os parâmetros prováveis ​​do meio gás-aerossol calculados em média sobre toda a coluna atmosférica, cuja altura é determinada pela distância zenital ao Sol. A tarefa de determinar a altitude e as características dos modos individuais de aerossol requer mais investigação.