Journal de gestion des zones côtières

Abstrait

Changement climatique 2019 : Correction des paramètres des aérosols stratosphériques de la Terre à partir de mesures polarimétriques du ciel - O Zbrutskyi- Igor Sikorsky Institut polytechnique de Kiev, Ukraine

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

Les changements climatiques de la Terre sont le résultat des changements naturels dans le bilan énergétique de l'irradiation solaire et de l'influence des facteurs anthropiques sur les variations de l'épaisseur de la couche d'ozone et de l'abondance des aérosols stratosphériques. Un polarimètre ultraviolet miniature pour les expériences polarimétriques par satellite dans la région ultraviolette du spectre solaire a été développé. La tâche principale de cet appareil est d'obtenir des informations sur les propriétés physiques des aérosols à la suite de mesures photo-polarimétriques du ciel. Cet appareil a été testé sur un banc spécialement conçu et fabriqué par nos soins. Un ensemble de programmes informatiques spéciaux a été développé pour analyser les données des mesures polarimétriques spectrales du ciel sans nuages ​​​​effectuées au télescope AZT-2 (Observatoire astronomique principal, Kiev, Ukraine). Ainsi, il est possible de calculer les dépendances de phase spectrale du degré de polarisation linéaire du rayonnement solaire diffusé par l'atmosphère terrestre. Un modèle homogène de milieu gaz-aérosol est utilisé lorsque les caractéristiques des particules d'aérosol et leurs paramètres de fonction de distribution de taille changent. Autrement dit, les observations de polarisation au sol d'un ciel sans nuages ​​permettent d'étudier de nombreuses caractéristiques physiques des aérosols dans la troposphère et la stratosphère inférieure de la Terre.

Il a été proposé une méthode d'étude des aérosols stratosphériques basée sur l'utilisation d'un polarimètre ultraviolet (UVP). La possibilité que les caractéristiques microphysiques des particules d'aérosols soient déterminées dans la troposphère et la stratosphère atmosphériques de la Terre par une analyse approximative des données de mesures polarisantes au sol d'un ciel sans nuages, effectuées pendant la journée et immédiatement après le coucher du soleil, est confirmée.

Les efforts de trois institutions ont été combinés pour préparer une éventuelle expérience visant à étudier à partir d'un vaisseau spatial les caractéristiques physiques des aérosols stratosphériques. Le résultat a été la création d'une maquette d'un drone. Cet appareil permet de mesurer la polarisation de la stratosphère terrestre à partir d'un vaisseau spatial.

Le photomultiplicateur R1893 fonctionne en mode comptage de photons. Des capteurs de température contrôlent la température du milieu et du récepteur. Un moteur piézoélectrique à rotor creux spécialement conçu fait tourner l'élément de polarisation. Les données nécessaires provenant des capteurs de température (sur le récepteur, sur le moteur, etc.) sont transférées à l'interface informatique pour être traitées et analysées ultérieurement. Un logiciel spécial a été développé pour contrôler le plan de polarisation des éléments correspondants, respectivement pour contrôler la position de la cible.

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.

Français La dépendance de phase DLP de la lumière diffusée par de petites particules isotropes à faible absorption réelle est proche de la diffusion Rayleigh. Cependant, si la partie imaginaire de l'indice de réfraction complexe de ces particules augmente de manière significative, les maxima du DLP des angles de phase se déplacent vers des valeurs égales à 60°/300°, respectivement. Dans le cas où les paramètres physiques de l'aérosol ne changent pas, le DLP de la lumière diffusée par les particules diminue avec la diminution de la longueur d'onde. On a modélisé les caractéristiques de la diffusion de la lumière par un ensemble statique de particules homogènes orientées aléatoirement, ayant la forme non sphérique la plus simple (par exemple, des sphéroïdes allongés et aplatis, des cylindres). Les résultats de ces travaux ont montré un effet significatif de la forme des particules sur les caractéristiques du rayonnement diffusé par elles. Cependant, les tentatives de simulation des caractéristiques de diffusion des particules d'aérosols aux formes complexes qui existent réellement dans la nature (cristaux, flocons de neige, suie, poussière, etc.) se heurtent à l'impossibilité d'une description analytique et à la complexité de l'algorithmisation d'un tel problème. Les résultats du traitement des données d'observation ont montré l'efficacité de notre méthodologie et de nos codes de programme pour l'analyse des données de mesures polarimétriques spectrales des valeurs du degré de polarisation linéaire des dépendances de phase de la lumière du jour et du ciel zénithal crépusculaire. La coïncidence des formes et des valeurs absolues des dépendances du modèle calculées avec les données de mesure dans une large gamme de longueurs d'onde indique une correspondance possible entre les valeurs des paramètres d'aérosols du modèle reconstruit et leurs données réelles.

Il convient de souligner que la technique proposée permet de déterminer les paramètres probables du milieu gaz-aérosol en moyenne sur toute la colonne atmosphérique, dont la hauteur est déterminée par la distance zénithale du Soleil. La tâche de déterminer l'altitude et les caractéristiques des différents modes d'aérosol nécessite des recherches supplémentaires.