ΦΑΣΜΑΤΟΣΚΟΠΙΑ RAMAN KAI ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΤΗΝ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑ

ΣΕΜΙΝΑΡΙΟ ΦΥΣΙΚΗΣ 2012 ΣΑΪΤΗ ΚΥΡΙΑΚΗ

ΣΧΟΛΗ ΕΦΑΡΜΟΣΜΕΝΩΝ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΩΝ ΚΑΙ ΦΥΣΙΚΩΝ

ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ

ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΕΡΓΑΣΙΑΣ: Α. ΠΑΠΑΓΙΑΝΝΗΣ

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Η Φασματοσκοπία Raman Αρχή Λειτουργίας Μαθηματική περιγραφή

φαινομένου και προϋποθέσεις για την παρατήρηση της σκέδασης Raman

Εφαρμογές της Φασματοσκοπίας Raman στην ατμόσφαιρα

Bιβλιογραφία

ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑΔΡΟΜΗ

Για το φαινόμενο της σκέδασης Raman μίλησε πρώτη φορά το 1923, ο Αυστριακός Φυσικός Adolf Smekal, αλλά παρατηρήθηκε για πρώτη φορά το 1928 από τον Ινδό φυσικό Sir C.V Raman.

(βραβείο Νόμπελ,1931)

ΦΑΣΜΑΤΟΣΚΟΠΙΑ Raman

Στηρίζεται στην αυθόρμητη σκέδαση Raman

Εφαρμόζεται στην έρευνα και μελέτη της

δομής των μορίων, ιόντων, καθώς και των κρυσταλλικών ενώσεων, αλλά και στην μελέτη των αερολυμάτων, την καταγραφή των υδρατμών και στη μέτρηση της θερμοκρασίας στην ατμόσφαιρα.

ΑΡΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ (Ι) Μονοχρωματική

ισχυρή δέσμη λέιζερ (λ0=300-800 nm) προσπίπτει σε αέριο-υγρό-στερεό δείγμα.

Ελαστική Σκέδαση Rayleigh: (λRAY = λ0)

Ανελαστική σκέδαση Raman: (λRAMAN ≠ λ0)

ΑΡΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ (ΙΙ)Eπροσπ. = Εσκεδ.

Eπροσπ. > Εσκεδ.

Eπροσπ. < Εσκεδ.

Stokes Vo - nVm

Anti-Stokes Vo + nVm

ΑΡΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ (ΙIΙ)

(Demtroeder, 1982)

Δν<0 Δν>0

Επιλογή επιπέδων δόνησης και περιστροφής: Δυ=0,±1 ΔJ=0,±2

stokesɦwo

ɦwo Anti-Stokes

ΑΡΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ (ΙV)

Δονητικά-περιστροφικά ενεργειακά επίπεδα Ν2, Raman μεταβάσεις και φάσματα

(Weitkamp, 2005)

Δυ=ΔJ=0 Rayleigh

Δυ=+1 StokesΔυ=-1 Anti-Stokes

ΔJ=0 Q-κλάδοςΔJ=+2 S-κλάδοςΔJ=-2 O-κλάδος

ΑΡΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ (V)

(Weitkamp, 2005)

Φάσματα Raman οπισθοσκέδασης μορίων της ατμόσφαιρας (O2, N2 , H2O)

355 nm

376 nm387 nm

407 nm

Εξάρτηση ηλεκτρικού πεδίου (Ε) του Η/Μ

κύματος από το χρόνο(t): E=Eocos2πVot

1. Στην περίπτωση διατομικού μορίου που ακτινοβολείται με φως επάγεται ένα ηλεκτρικό δίπολο ισχύος: P=aE=a Eocos2πVot όπου a=πολωσιμότητα

2. Αν το μόριο ταλαντώνεται με συχνότητα Vm η μετατόπιση του πυρήνα δίνεται από τη σχέση: q=qocos2πVmt

qo=πλάτος ταλάντωσης

ΒΑΣΙΚΕΣ ΣΧΕΣΕΙΣ

4. Η πολωσιμότητα ορίζεται ως:

a = a0 + oqo + …..

5. Συνδυάζοντας τις παραπάνω σχέσεις παίρνουμε την τελική σχέση για την ισχύ:

P = ao Eocos2πVot +

oqo Eo [cos{2π(Vo-Vm)t} +

cos{2π(Vo+Vm )t}]

Προϋποθέσεις για να παρατηρηθεί σκέδαση Ramani. Μεταβολή της πολωσιμότητας

κατά τη διάρκεια της δόνησηςii. Μόνο το 1 στα 10 εκατ. φωτόνια

σκεδάζεται κατά Raman Απαιτούνται ισχυρές μονοχρωματικές πηγές ακτινοβολίας laser.

iii. Η συχνότητα της προσπίπτουσας δέσμης πρέπει να είναι διαφορετική από τη συχνότητα απορρόφησης του δείγματος

RAMAN LIDAR – ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΗΣ ΦΑΣΜΑΤΟΣΚΟΠΙΑΣ RAMAN ΣΤΗΝ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑ

Πειραματική διάταξη Raman - Lidar

Laser: Nd:YAG (532 nm, 355 nm)

Διευρυντής δέσμης

Τηλεσκόπιο Οπτικός δέκτης Ανιχνευτικές

διατάξεις (ΡΜΤ) Επεξεργαστής

δεδομένων

(Weitkamp, 2005)

βR(z)expPR(z)=

Εξίσωση Raman

O(z)=συντελεστής επικάλυψης μεταξύ ακτίνας λειζερ και του FOV (οπτικό πεδίο όρασης) του τηλεσκοπίου

KR=σταθερά που περιλαμβάνει όλες τις ανεξάρτητες παραμέτρους του συστήματος

βR(z)=συντελεστής εξασθένησης Raman αR(z)=συντελεστής οπισθοσκέδασης

Rayleigh αο(z)=συντελεστής οπισθοσκέδασης

αερολυμάτων

ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΤΗΝ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑ

(Weitkamp, 2005)

(Gross et al., 2011)

Μελέτη αερολυμάτων

(Papayannis et al., 2012a) )]/ln[

]/ln[(

21

)()(/

21

21

aeraer aa

AER

Μελέτη αερολυμάτων (σωματίδια τέφρας ηφαιστείου-άμμου από Σαχάρα)

Μελέτη αερολυμάτων (Σκόνη από Σαχάρα)

(Papayannis et al., 2012b)

(Papayannis et al., 2012b)

0

1

2

3

4

5

6

7

0 50 100 150 200 0 1 2 3 0 30 60 90 120-1 0 1 2 3 0 2 4 6 8 10EXT. COEF.

[Mm-1]

ALT

ITU

DE

A.S

.L. [

km]

ATHENS, 02 APRIL 2009, 17:40-20:40 UTC

1064nm 532nm 355nm

BACK. COEF.[Mm-1sr-1]

LIDAR RATIO

[sr]

ANGSTROEM EXP.

AERUV-VIS

ABR UV-VIS

ABR VIS-IR

WVMR [gr/kg]

)]/ln[

]/ln[(

21

)()(/

21

21

aeraer aa

AER

Μελέτη αερολυμάτων (σκόνη από Σαχάρα)

Μέτρηση λόγου ανάμειξης υδρατμών

Μέτρηση υδρατμών

(Mamouri et al., 2008)

Μέτρηση υδρατμών

(Mamouri et al., 2008)

Μέτρηση θερμοκρασίας

0 <z< 15-20km PRRS (Pure Rotational Raman

Scattering)20 km<z< 80km Νόμος τέλειων

αερίων + Υδροστατική ΕξίσωσηΥδροστατική εξίσωση:

P(λ,z)=

Ύψος αναφοράς: z*=60 km P(λ, z*)=60 km

N(z)=N(z*)×

p(z)=p(z*) +

p(z)= k×N(z)×T(z)Κατακόρυφη κατανομή θερμοκρασίας

Μέτρηση θερμοκρασίας

(Alpers, 2004)

Μέτρηση θερμοκρασίας

(Alpers, 2004)

Μέτρηση θερμοκρασίας

(Alpers, 2004)

ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ

Μέχρι σήμερα…

• Μέτρηση θερμοκρασίας : 0 – 120 km (Rotational Raman, Rayleigh, Resonance)

• Μέτρηση υδρατμών : 0 – 40 km (Raman, διαφορική απορρόφηση)

• Μέτρηση αερολυμάτων : (Raman (οπτικές ιδιότητες)) Παράδειγμα: Δίκτυο EARLINET όπου συμμετέχει και το Ε.Μ.Π

Βιβλιογραφία[1] Ferraro John R., Kazuo Nakamoto Introductory Raman Spectroscopy[2]Weitkamp Claus, Lidar - Range-Resolved Optical Remote Sensing of the Atmosphere[3]Wikipedia.com[4]Aerosol lidar intercomparis on in the framework of the EARLINET project. 3. Raman lidar algorithm for aerosol extinction, backscatter, and lidar ratio. Pappalardo, Gelsomina Aldo Amodeo , Marco Pandolfi, Ulla Wandinger ,Albert Ansmann , Jens Bo¨ senberg , Volker Matthias, Vassilis Amiridis, Ferdinando De Tomasi, Max Frioud, Marco Iarlori, Leonce Komguem, Alexandros Papayannis, Francesc Rocadenbosch and Xuan Wang Applied Optics, Vol. 43, Issue 28, pp. 5370-5385 (2004)[5]Extinction-to-backscatter ratio of Asian dust observed with high-spectral-resolution lidar and Raman lidar. Liu Zhaoyan, Nobuo Sugimoto and Toshiyuki Murayama 20 May (2002) Vol.41, No. 15 APPLIED OPTICS[6]Examination of the traditional Raman lidar technique. I. Evaluating the temperature-dependent lidar equations Whiteman David N. 20 May 2003 Vol. 42, No. 15 APPLIED OPTICS[7]Raman lidar and sunphotometric measurements of aerosol optical properties over Thessaloniki, Greece during a biomass burning episodeBalis D.S V. Amiridis C. Zerefos E. Gerasopoulos M. Andreae P. Zanis A. Kazantzidis S. Kazadzis A. Papayannis D.S. Balis et al. / Atmospheric Environment 37 (2003)[8]Atmospheric temperature profiling in the presence of clouds with a pure rotational Raman lidar by use of an interference-filter-based polychromatorACombined Raman lidar for the measurement of atmospheric temperature, water vapor, particle extinction coefficient, and particle backscatter coefficient Behrendt Andreas, Takuji Nakamura, Michitaka Onishi, Rudolf Baumgart and Toshitaka Tsudandreas Behrendt and Jens Reichardt APPLIED OPTICS Vol. 39, No. 9 y 20 March (2000)[9]Automated Retrievals of Water Vapor and Aerosol Profiles from an Operational Raman Lidar Turner D.Pacific Northwest National Laboratory, Richland, Washington 20 December (2002) Vol. 41, No.36 APPLIED OPTICS.

Βιβλιογραφία[10] Vertical aerosol distribution over Europe:Statistical analysis of Raman lidar data from 10 European Aerosol Research Lidar Network (EARLINET) stations Matthias V, D. Balis, J. Bo¨ senberg, R. Eixmann, M. Iarlori, L. Komguem,. Mattis, A. Papayannis, G. Pappalardo, M. R. Perrone and X. Wang JOURNAL OF GEOPHYSICAL RESEARCH, VOL. 109, D18201, doi:10.1029/2004JD004638, (2004)[11] Raman lidar monitoring of extinction and backscattering of African dust layers and dust characterization Tomasi F.De, A. Blanco and M. R. Perrone Applied optics, (2003)[12]The ALOMAR Rayleigh/Mie/Raman lidar: objectives,con®guration, and performance Zahn U. G. von Cossart J. Fiedler K. H. Fricke G. Nelke G. Baumgarten D. Rees A. Hauchecorne K. Adolfsen Ann. Geophysicae 18, 815±833 (2000)[13]Optical properties of Saharan dust layers as detected by a Raman lidarat Thessaloniki, GreeceBalis D.S, V. Amiridis, S. Nickovic ,A. Papayannis and C. Zerefos GEOPHYSICAL RESEARCH LETTERS, VOL. 31, L13104, doi:10.1029/2004GL019881, (2004)[14]Characterization of Asian dust and Siberian smoke with multiwavelength Raman lidar over Tokyo, Japan in spring 2003 Murayama Toshiyuki,Detlef Mu¨ ller,Katsuya Wada,Atsushi Shimizu,Miho Sekiguchi,and Tatsuro Tsukamoto GEOPHYSICAL RESEARCH LETTERS, VOL. 31, L23103, doi:10.1029/2004GL021105, (2004)[15]Inversion of multiwavelength Raman lidar data for retrieval of bimodal aerosol size distributionVeselovskii Igor, Alexei Kolgotin, Vadim Griaznov , Detlef Muller, Kathleen Franke and David.N.Whiteman APPLIED OPTICS Vol. 43, No. 5 10 February (2004)[16]Raman lidar observations of aged Siberian and Canadian forest fire smoke in the free troposphere over Germany in 2003 Muller Detlef, Ina Mattis, Ulla Wandinger, Albert Ansmann, and Dietrich A. JOURNAL OF GEOPHYSICAL RESEARCH, VOL. 110 (2005)

Βιβλιογραφία[17]Raman lidar measurements of water vapor and cirrus clouds during the passage of Hurricane BonnieWhiteman D.N., K. D. Evans, B. Demoz, D. O’C. Starr, E. W. Eloranta, D. Tobin, W. Feltz, G. J. Jedlovec, S. I. Gutman, G. K. Schwemmer, M. Cadirola, S. H. Melfi and F. J. Schmidlin JOURNAL OF GEOPHYSICAL RESEARCH, VOL. 106, NO. D6, MARCH 27, (2001)[18]Raman lidar observations of aerosol emitted during the 2002 Etna eruption Pappalardo Gelsomina, Aldo Amodeo, Lucia Mona, Marco Pandolfi, Nicola Pergola and Vincenzo Cuomo GEOPHYSICAL RESEARCH LETTERS, VOL. 31, L05120, (2004)[19]Aerosol lidar intercomparison in the framework of the EARLINET project. 1. Instruments Matthias Volker, Volker Freudenthaler, Aldo Amodeo, Ioan Balin, Dimitris Balis, Jens Bosenberg, Anatoly Chaikovsky, Georgios Chourdakis, Adolfo Comeron, Arnaud Delaval, Ferdinando De Tomasi, Ronald Eixmann, Arne Hågård, Leonce Komguem, Stephan Kreipl, Renaud Matthey, Vincenzo Rizi, Jose´ Anto´ nio Rodrigues, Ulla Wandinger and Xuan Wang February(2004) Vol. 43, No. 4 APPLIED OPTICS[20]Raman Lidar Measurements during the International H2O Project. Part I:Instrumentation and Analysis TechniquesWHITEMAN D.N, B. DEMOZ, P. DI GIROLAMO, J. COMER, VESELOVSKII, K. EVANS, Z. WANG, M. CADIROLA, K. RUSH, G. SCHWEMMER, B. GENTRY, S. H. MELFI , D. VENABLE, T. VAN HOVE Volume 23 Journal of Atmospheric and Oceanic Technology February (2006)[21]Rotational Raman Lidar measurements of atmospheric temperature inthe UV Girolamo P. Di,R. Marchese, D. N. Whiteman and B. B. Demoz GEOPHYSICAL RESEARCH LETTERS, VOL. 31, L01106, (2004)[22]Ice formation in Saharan dust over central Europe observed with temperature//humidity//aerosol Raman lidarAnsmann Albert, Ina Mattis, Detlef Mueller, Ulla Wandinger, Marcus Radlach,and Dietrich Althausen JOURNAL OF GEOPHYSICAL RESEARCH, VOL. 110, D18S12, (2005).

ΕΥΧΑΡΙΣΤΩ ΠΟΛΥ ΓΙΑ ΤΗΝ

ΠΡΟΣΟΧΗ ΣΑΣ!!