Zastosowanie dronów do profilowania aerozoli absorbujących w dolnej troposferze

Ważną grupę wśród aerozoli atmosferycznych stanowią aerozole absorbujące, których wpływ na klimat Ziemi jest złożony i przez to obarczony dużymi niepewnościami. Ponadto aerozole absorbujące pełnią istotną rolę w procesach fizycznych związanych ze smogiem. Największym problemem w skutecznym szacowaniu ich wpływu na klimat oraz w badaniu warunków smogowych jest bardzo ograniczona baza dostępnych pomiarów, szczególnie w przypadku profili pionowej dystrybucji aerozoli absorbujących. W ramach niniejszej pracy zostało podjęte zagadnienie opracowania i weryfikacji metody pozwalającej na pomiary profilu pionowego współczynnika absorpcji oraz koncentracji aerozoli absorbujących z wykorzystaniem bezzałogowych platform latających - dronów jako platformy do przenoszenia miniaturowych czujników atmosferycznych. Pozyskane w ten sposób dane mogą służyć do modelowania strumieni promieniowania, oceny rozwoju i zaniku warunków smogowych, czy wyznaczania poprawki atmosferycznej dla produktów teledetekcyjnych. W oparciu o synergię pomiarów profili współczynnika absorpcji z pomiarami profili współczynnika ekstynkcji prowadzonych za pomocą systemów lidarowych możliwe jest wyznaczenia profili pionowych albedo pojedynczego rozpraszania. Jako optymalną metodę sondowania wybrano profilowanie z wykorzystaniem wielowirnikowego drona z podwieszonym mikroetalometrem oraz radiosondą meteorologiczną. Metoda ta cechuje się wysoką skutecznością prowadzenia obserwacji (duża powtarzalność, łatwość przygotowania, możliwość osiągnięcia wysokich rozdzielczości czasowych i przestrzennych) przy zachowaniu ograniczonych kosztów. W ramach opracowywania i testowania zaproponowanej metody prowadzone były w latach 2013-2015 eksperymenty terenowe w Strzyżowie, Świdrze i Warszawie pozwalające na sondowanie aerozoli w różnych warunkach oraz wykorzystanie danych z kilku systemów lidarowych, umożliwiających na stosowanie różnych metod inwersji. Uzyskane wyniki obejmujące absorpcyjną aerozolową grubość optyczną oraz albedo pojedynczego rozpraszania były porównywane z danymi dostępnymi w ramach sieci pomiarów fotometrycznych AERONET oraz naziemnymi pomiarami in-situ. Wobec niskiej zgodności danych z bazy AERONET z pozostałymi pomiarami zaproponowane zostały metody szacowania absorpcyjnej aerozolowej grubości optycznej w oparciu o synergię pomiarów prowadzonych z wykorzystaniem drona i lidarów, a także naziemnych pomiarów in-situ. W ramach prowadzonych badań podważono jakość danych AERONET obejmujących absorpcyjne własności optyczne aerozolu w szczególności w warunkach niskiej aerozolowej grubości optycznej. Wpływ zmienności profilu pionowego albedo pojedynczego rozpraszania na bezpośrednie wymuszenie radiacyjne, strumienie krótkofalowego promieniowania rozproszonego docierające do górnej graniczy atmosfery i powierzchni ziemi oraz profile ogrzewania radiacyjnego został oszacowany w oparciu o symulacje prowadzone z wykorzystaniem numerycznego modelu transferu radiacyjnego. Zaobserwowane różnice w strumieniach promieniowania rozproszonego były niskie i nie przekraczały 3% niezależnie od kąta zenitalnego słońca, co przekładało się na zmianę wymuszenia radiacyjnego poniżej 10%. Największe zmiany, sięgające 3K, uzyskano dla grzania radiacyjnego. Wpływ na poprawkę atmosferyczną dla wskaźnika stanu roślinności, w zależności od profilu sięgał 7.7%, przy czym dla albedo śniegu wzrastał do wartości przekraczających 20%.

Absorbing aerosols belong to an important group of atmospheric aerosols. They affect Earth's climate in a complex way, hence their influence is difficult to assess. Moreover, those aerosols play a vital role in physical processes connected with smog emissions. The main difficulty in the analysis of their impact on climate and smog conditions is very limited measurement data, especially as far as profiles of vertical distribution of absorbing aerosols are concerned. The aim of this work is to establish and verify a method that would enable to measure vertical profiles of absorption coefficient and concentration of absorbing aerosols with the usage of unmanned aerial vehicles (drones) as platforms for miniature atmospheric sensors. The data acquired in this way can be used to model radiation streams, assess how smog conditions develop and diminish, or to make atmospheric correction for remote sensing devices. Basing on the synergy of profiles of absorption coefficient with those of extinction coefficient, measured by lidar systems, we can establish vertical profiles of single scattering albedo. It was decided that the optimal method for probing would be profiling with multi-rotor drone, with attached micro-aethalometer and meteorological radiosonde. This method is highly efficient for conducting any observation (high level of repetitiveness, easy preparation, high temporal and spatial resolution) on low budget. In the years 2013-2015, the method was tested during field experiments in Strzyzow, Swider and Warsaw for probing aerosols in various conditions and using data from different lidar systems, which allow to apply multiple inversion methods. The results, scoping absorbing aerosols optical depth and single scattering albedo, were then compared with data from the AERONET photometric network and in-situ measurements on ground level. As the compatibility of AERONET data with other measurement was relatively low, it was proposed to asses absorbing aerosols optical depth on the basis of the synergy of measurements conducted with the use of drones and lidars and on-ground in situ measurements. In the course of the research, it was proved that the quality of AERONET data for optical properties of abrobing aerosols, especially in low aerosol optical depth conditions, is rather questionable. In order to assess how changing vertical profile of single scattering albedo affects direct radiative forcing, streams of short-wave diffused radiation reaching the top of atmosphere and surface of the Earth, and profiles of radiative heating, we conducted simulations on the numeric radiative transfer model. The differences observed in the streams of diffused radiation were low, as they did not exceed 3% ,regardless of the zenith angle of the sun, which changed the radiative forcing to below 10%. The greatest changes, up to 3K, were noted for radiative heating. Depending on the profile, the influence on atmospheric correction for vegetation index reached up to 7.7%, with the ratio exceeding 20% for snow albedo.