Lidar depolarization techniqueassessment of the hardware polarizing sensitivity and applications

Resumen

Resumen Esta tesis intenta reducir la falta de conocimiento sobre la respuesta polarizadora de los sistemas lídar cuyo efecto tiene especial relevancia en la técnica de despolarización lídar. Además, se incluye el uso de la técnica de despolarización lídar en el campo de investigación del aerosol atmosférico. En primer lugar, se presentan los conceptos claves usados en el campo de investigación del aerosol atmosférico y en la teledetección óptica activa. Seguidamente, se describe el sitio experimental y los dos lídares caracterizados en la tesis: el lídar Raman multiespectral (MULHACEN) y el lídar Raman de escaneo (VELETA). MULHACEN y VELETA son operados en el Instituto Interuniversitario de investigación del Sistema Tierra en Andalucía (IISTA CEAMA) al sur de la ciudad de Granada situada al sureste de la Península Ibérica (37.16°N, 3.61°, 680 m sobre el nivel del mar). Ambos lídares son caracterizados detalladamente en los primeros capítulos ofreciéndose información sobre su configuración y el control de calidad de las medidas. El Grupo de Investigación de Física de la Atmósfera realiza medidas de forma regular con ambos lídares como miembro de la red de lídares europea de investigación del aerosol (EARLINET por sus siglas en inglés). Por otra parte, también se incluye información sobre otros instrumentos, como son el fotómetro solar y el radiómetro de microondas, usados en los estudios de investigación llevados a cabo en esta tesis doctoral. En lo referente a aspectos metodológicos, se incluye principalmente: una descripción detallada sobre el pre-procesado de las señales lídar y los algoritmos de inversión elástica, inelástica y de despolarización. En los párrafos siguientes se resume los principales asuntos tratados en esta tesis. La evaluación de la sensibilidad despolarizadora de los equipos lídar se realizó usando el formulismo Stokes-Müller para modelar ambos lídares. Con este propósito, las diferentes partes de un equipo lídar fueron agrupados siguiente su funcionalidad. Cinco bloques funcionales han sido analizados: láser, óptica emisora láser, óptica receptora, unidad de detección (divisor de haz polarizante y fotomultiplicadores) y calibrador. La cuantificación de la influencia polarizadora de cada bloque funcional se realizó a partir de un simulador, llamado Lidar Polarizing Sensitivity Software (LPSS). Con el objetivo de obtener resultados generales, se consideró un sistema lídar sintético basado en propiedades e incertidumbres de los distintos componentes derivadas de especificaciones técnicas comerciales. El uso de esta herramienta demostró que la sensibilidad polarizadora de los lídares puede afectar a las medidas de despolarización causando errores relativos incluso mayores del 100% en los productos derivados (razón de despolarización lineal volúmica y de partículas). Las propiedades más importantes son el parámetro de pureza del láser y la diatenuación efectiva de la óptica receptora. Además, el programa LPSS se usó para calcular la incertidumbre total de la razón de despolarización volúmica medida con MULHACEN y VELETA. Mejorar el conocimiento de la respuesta polarizadora de los lídares nos permitió comprender los métodos de calibración de la despolarización y desarrollar nuevos procedimientos experimentales para caracterizar los sistemas lídar. En primer lugar, se estudió, experimental y teóricamente, el método de calibración de ¿90°, basado en rotaciones del divisor de haz polarizante o en rotaciones de un polarizador lineal antes de la óptica receptora. El primer método de calibración de ¿90° permite la corrección de la influencia del divisor de haz polarizante y los fotomultiplicadores mientras que el segundo permite realizar la misma corrección además de incluir la corrección de la diatenuación efectiva de la óptica receptora. Este descubrimiento permitió combinar ambos modos de calibración para determinar experimentalmente el valor de la diatenuación efectiva de la óptica receptora. Esta combinación se implementó en MULHACEN obteniéndose una diatenuación efectiva de la óptica receptora de 0.35±0.03. Además, la caracterización de MULHACEN se mejoró gracias a un nuevo procedimiento experimental para determinar el ángulo de desalineamiento entre el plano de polarización del láser y el plano de incidencia del divisor de haz polarizante. Este ángulo desalineamiento se determinó en 7°±1° para MULHACEN. Una vez se llevó a cabo la sensibilidad despolarizadora y la mejora de los sistemas de calibración, la técnica de despolarización lídar se aplicó a medidas de despolarización de MULHACEN para la detección de la altura de la capa límite planetaria (z_PBL ) y el estudio de procesos de mezcla entre capas de aerosol acopladas a la capa límite planetaria (PBL). La primera aplicación de la técnica de despolarización lídar está relacionada con la detección automática de la altura de la capa límite planetaria. A partir de estudios anteriores, se conoce que la detección automática de z_PBL presenta dificultades cuando el aerosol presenta una estratificación compleja en la PBL, bajo la presencia de capas de aerosol en la troposfera libre y ante el acoplamiento entre capas de aerosol y la PBL. Con el fin de mejorar la detección automática de la z_PBL, se ha desarrollado un nuevo método llamado POLARIS (PBL height estimatiOn based on Lidar depolARISation). Este nuevo método se basa en la generación de tres candidatos a z_PBL extraídos de la covarianza transformada ondícula, más conocida como transformada wavelet, aplicada a la señal corregida de rango y la razón de despolarización. Una vez se han generado los tres candidatos, se elige la z_PBL entre ellos a partir de un algoritmo diseñado con tal fin. La optimización de POLARIS se hizo con una medida lídar de 36 horas realizada en el marco de ChArMEx 2013 (http://charmex.lsce.ipsl.fr). El proceso de optimización se basó en la comparación de la z_PBL determinada con POLARIS con la z_PBL determinada con otra instrumentación y comprobando la coherencia de los resultados con la evolución temporal de la señal corregida de rango y la razón de despolarización. Una vez optimado, POLARIS se aplicó automáticamente a una medida lídar de 72 horas consecutivas realizada en el marco de ChArMEx 2012 durante un evento de intrusión de masas de aire de origen sahariano. Los resultados indican que POLARIS proporciona correctas z_PBL incluso cuando hay capas de aerosol acopladas a la PBL. Sin embargo, desde el amanecer al mediodía, las capas de mezcla y residual coexisten hasta que los procesos convectivos son suficientemente intensos para que la capa de mezcla exceda la altura de la capa residual. Este hecho se presenta como una contrapartida para los métodos derivativos ya que las alturas de la capa de mezcla y la capa residual pueden ser detectadas indistintamente durante este periodo. Esto está relacionado con el falso aumento de la z_PBL detectado cada mañana durante la campaña. En definitiva, este trabajo demuestra que la técnica de despolarización lídar puede ser una herramienta útil para determinar la z_PBL especialmente en aquellas regiones frecuentemente influenciadas por eventos de intrusión desértica. La técnica de despolarización lídar también se usó para estudiar los procesos de mezcla entre capas de aerosol acopladas y la PBL. Este caso de estudio se realizó aprovechando una especial situación experimental bajo una intrusión sahariana en la que se midió simultáneamente con instrumentación actica, pasiva e in-situ en combinación con instrumentación in-situ a bordo de un avión. Este estudio permitió la caracterización de los mecanismos de interacción entre una capa de aerosol elevada procedente del desierto del Sáhara y la PBL así como la influencia de las partículas minerales sobre las propiedades del aerosol en superficie. Los resultados de este estudio ponen de manifiesto que los procesos convectivos que se desarrollan en la PBL «atrapan» la capa de polvo mineral arrastrando el polvo hacia abajo. El arrastre del polvo mineral dentro de la PBL cause cambios significativos en las propiedades ópticas del aerosol en superficie modificando, por ejemplo, la típica evolución horaria observada en días laborales. En este sentido, la presencia de polvo mineral a nivel superficial provoca una disminución de la conversión gas partícula debido a la mayor deposición de las moléculas gaseosas en la superficie de las partículas. Referencias destacadas: Alvarez, J. M., M. A. Vaughan, C. A. Hostetler, W. H. Hunt, and D. M. Winker (2006), Calibration technique for Polarization-Sensitive Lidars, J Atmos Ocean Tech, 23, 683-699. Ansmann, A., M. Riebesell, and C. Weitkamp (1990), Measurement of Atmospheric Aerosol Extinction Profiles with a Raman Lidar, Opt Lett, 15(13), 746-748. Boucher, O., et al. (2013), Clouds and Aerosols, in Climate Change 2013: The Physical Science Basis, edited by T. F. Stocker and D. Qin, pp. 571-657, CAMBRIDGE UNIVERSITY PRESS, Cambridge, New York, Melbourne, Madrid, Cape Town, Singapore, São Paolo, Delhi, Mexico City. Bravo-Aranda, J. A., F. Navas-Guzmán, J. L. Guerrero-Rascado, D. Pérez-Ramírez, M. J. Granados-Muñoz, and L. Alados-Arboledas (2013), Analysis of lidar depolarization calibration procedure and application to the atmospheric aerosol characterization, International Journal of Remote Sensing, 34(9-10), 3543-3560. Cairo, F., G. Di Donfrancesco, A. Adriani, L. Pulvirenti, and F. Fierli (1999), Comparison of various linear depolarization parameters measured by lidar, Appl Optics, 38, 4425-4432. Fernald, F. G., M. B. Herman, and J. A. Reagan (1972), Determination of aerosol height distributions by liddar, J Appl Meteorol, 11, 482-489. Freudenthaler, V., et al. (2009), Depolarization ratio profiling at several wavelengths in pure Saharan dust during SAMUM 2006, Tellus B, 61(1), 165-179. Granados-Munoz, M. J., F. Navas-Guzman, J. A. Bravo-Aranda, J. L. Guerrero-Rascado, H. Lyamani, J. Fernandez-Galvez, and L. Alados-Arboledas (2012), Automatic determination of the planetary boundary layer height using lidar: One-year analysis over southeastern Spain, J Geophys Res-Atmos, 117. Gross, S., et al. (2011b), Characterization of the planetary boundary layer during SAMUM-2 by means of lidar measurements, Tellus B, 63(4), 695-705. Hayman, M., and J. P. Thayer (2012), General description of polarization in lidar using Stokes vectors and polar decomposition of Mueller matrices, J Opt Soc Am A, 29(4), 400-409. Mattis, I., M. Tesche, M. Grein, V. Freudenthaler, and D. Muller (2009), Systematic error of lidar profiles caused by a polarization-dependent receiver transmission: quantification and error correction scheme, Appl Optics, 48(14), 2742-2751. Sassen, K. (1991), The polarization lidar technique for cloud research: A review and current assessment, Bulletin American Meteorological Society, 72, 1848-1866. Snels, M., F. Cairo, F. Colao, and G. Di Donfrancesco (2009), Calibration method for depolarization lidar measurements, International Journal of Remote Sensing, 30(21), 5725-5736. Tesche, M., et al. (2009b), Vertical profiling of Saharan dust with Raman lidars and airborne HSRL in southern Morocco during SAMUM, Tellus B, 61(1), 144-164.