Zeitschrift für Küstenzonenmanagement

Abstrakt

Klimawandel 2019: Bestimmung der stratosphärischen Aerosolparameter der Erde anhand polarimetrischer Messungen des Himmels – O Zbrutskyi – Igor Sikorsky, Polytechnisches Institut Kiew, Ukraine

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

Die Klimaänderungen auf der Erde sind das Ergebnis natürlicher Änderungen der Energiebilanz der Sonneneinstrahlung und des Einflusses anthropogener Faktoren auf die Schwankungen der Dicke der Ozonschicht und der Häufigkeit von Aerosolen in der Stratosphäre. Es wurde ein Miniatur-Ultraviolett-Polarimeter für polarimetrische Satellitenexperimente im Ultraviolettbereich des Sonnenlichtspektrums entwickelt. Die Hauptaufgabe dieses Geräts besteht darin, durch photopolarimetrische Messungen des Himmels Informationen über die physikalischen Eigenschaften von Aerosolen zu erhalten. Dieses Gerät wurde auf einem speziell von uns entwickelten und hergestellten Prüfstand getestet. Es wurde eine Reihe spezieller Computerprogramme entwickelt, um die Daten der spektralen polarimetrischen Messungen des wolkenlosen Himmels zu analysieren, die am AZT-2-Teleskop (Hauptsternwarte, Kiew, Ukraine) durchgeführt wurden. Auf diese Weise ist es möglich, die spektralen Phasenabhängigkeiten des Grades der linearen Polarisation der von der Erdatmosphäre gestreuten Sonnenstrahlung zu berechnen. Wenn sich die Eigenschaften der Aerosolpartikel und die Parameter ihrer Größenverteilungsfunktion ändern, wird ein homogenes Gas-Aerosol-Mediummodell verwendet. Das heißt, dass die bodengestützten Polarisationsbeobachtungen eines wolkenlosen Himmels es ermöglichen, zahlreiche physikalische Eigenschaften von Aerosolen in der Troposphäre und der unteren Stratosphäre der Erde zu untersuchen.

Es wurde eine Methode zur Untersuchung stratosphärischer Aerosole vorgeschlagen, die auf der Verwendung von Ultraviolett-Polarimetern (UVP) basiert. Die Möglichkeit, die mikrophysikalischen Eigenschaften von Aerosolpartikeln in der atmosphärischen Troposphäre und Stratosphäre der Erde zu bestimmen, wird durch eine ungefähre Analyse der Daten polarisierender bodengestützter Messungen eines wolkenlosen Himmels bestätigt, die tagsüber und unmittelbar nach Sonnenuntergang durchgeführt wurden.

Drei Institutionen haben ihre Bemühungen gebündelt, um ein mögliches Experiment vorzubereiten, bei dem die physikalischen Eigenschaften stratosphärischer Aerosole von einem Raumfahrzeug aus untersucht werden können. Als Ergebnis wurde ein UAV-Modell gebaut. Dieses Gerät ermöglicht Polarisationsmessungen der Stratosphäre der Erde von einem Raumfahrzeug aus.

Der Photomultiplier R1893 arbeitet im Photonenzählmodus. Temperatursensoren prüfen die Temperatur des Mediums und des Empfängers. Ein speziell entwickelter piezoelektrischer Hohlrotormotor dreht das Polarisationselement. Die erforderlichen Daten von Temperatursensoren (am Empfänger, am Motor usw.) werden zur Verarbeitung und weiteren Analyse an die Computerschnittstelle übertragen. Die spezielle Software wurde entwickelt, um die Polarisationsebene der entsprechenden Elementpositionen entsprechend dem platzierten Ziel zu steuern.

A special bench to set up and study the current prototype of the UVP, its individual blocks and their combination, was been developed. It can be divided into the separate interchangeable parts, units and blocks.Such a design makes it possible to change research tasks easily and quickly as well as constantly improve the bench itself. The UVP studies performed at the test bench made it possible to determine its technical parameters and performance characteristics.

With this equipment, that was thoroughly investigated the operation of the light emission receiver (R1893 photomultiplier) to determine its noise threshold at supply voltages in the 1050-1500V range (dark pulses are 2-4 pulses/sec) and the device operating voltage was selected. Reading stability of device output signals has been investigated extensively. It was determined during long hours of dark and useful signals measurements. To verify the methodology for conducting polarization observations of the cloudless sky, there was used a modification of current prototype the onboard ultraviolet polarimeter UVP. It was mounted on the AZT-2 telescope (70 cm mirror and 15 m focal length) . We have realized the polarimetric observations with improved prototype of ultraviolet polarimeter on 26-th and 27-th of September 2017. Remark, that from the 24-th till 29-th of September all days and nights were cloudless above Kyiv, Ukraine. We oriented the telescope at a part of the sky with the Sun declination equal to zero degree for an angle equal to 1h from the central meridian. Operation began by turning off the clockwork mechanism of the telescope at 14:00 UTC+2 and observations were completed at 20:00. We used for observations the λ = 362 nm filter located between the visible and ultraviolet light spectral regions and also have cut a portion of the sky using a diaphragm with a diameter of 0.5 mm. The piezoelectric motor rotates the modulator unit with the polarization element (Glan prism) at a 45° the same angle. Thus, one rotation through 360° the modulator carried out in 8 steps. Exposure was selected in 2 seconds. At the beginning of operation, the useful signal stream was about 300 k pulses per second with a dark stream of no more than 20 pulses per second. The results of obtained observations, as well as the additional results were used for analysis and subsequent processing.

Die DLP-Phasenabhängigkeit von Licht, das von kleinen isotropen Partikeln mit geringer tatsächlicher Absorption gestreut wird, ähnelt der Rayleigh-Streuung. Wenn jedoch der Imaginärteil des komplexen Brechungsindex dieser Partikel erheblich ansteigt, verschieben sich die Maxima der DLP von den Phasenwinkeln in Richtung Werte von 60° bzw. 300°. Bei unveränderten physikalischen Parametern des Aerosols nimmt die DLP des von den Partikeln gestreuten Lichts mit abnehmender Wellenlänge ab. Die Eigenschaften der Lichtstreuung durch ein statisches Ensemble homogener, zufällig ausgerichteter Partikel mit einfachster nicht-sphärisch geformter Form (z. B. längliche und abgeflachte Sphäroide, Zylinder) wurden modelliert. Die Ergebnisse solcher Arbeiten zeigten einen signifikanten Einfluss der Partikelform auf die Eigenschaften der von ihnen gestreuten Strahlung. Versuche, die Streueigenschaften von Aerosolpartikeln mit komplexen Formen, wie sie in der Natur tatsächlich vorkommen (Kristalle, Schneeflocken, Ruß, Staub usw.), zu simulieren, stoßen jedoch auf die Unmöglichkeit einer analytischen Beschreibung und die Komplexität der Algorithmisierung eines solchen Problems. Die Ergebnisse der Verarbeitung der Beobachtungsdaten haben die Wirksamkeit unserer Methodik und Programmcodes für die Datenanalyse spektraler polarimetrischer Messungen der linearen Polarisationsgradwerte und der Phasenabhängigkeiten des Tages- und Dämmerungszenithimmels gezeigt. Die Übereinstimmung der Formen und absoluten Werte der berechneten Modellabhängigkeiten mit den Messdaten in einem breiten Wellenlängenbereich weist auf eine mögliche Übereinstimmung zwischen den Werten der rekonstruierten Modellaerosolparameter und ihren realen Daten hin.

Es sollte betont werden, dass die vorgeschlagene Technik es ermöglicht, die wahrscheinlichen Parameter des Gas-Aerosol-Mediums zu bestimmen, gemittelt über die gesamte Atmosphärensäule, deren Höhe durch den Zenitabstand der Sonne bestimmt wird. Die Aufgabe, die Höhe und die Eigenschaften einzelner Aerosolmodi zu bestimmen, erfordert zusätzliche Forschung.