חוקרים פיתחו מערכת מבוססת לייזר שיכולה לשמש למדידה מוטסת של גזים אטמוספריים חשובים עם דיוק ורזולוציה חסרי תקדים. היכולת לאסוף נתונים אלה תעזור למדענים להבין טוב יותר כיצד גזים אטמוספריים אלה משפיעים על האקלים ועשויה לסייע בשיפור תחזיות שינויי האקלים.
בכתב העת Optical Society Applied Optics, חוקרים מ- Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V. (DLR) - המרכז הלאומי של גרמניה לחקר תעופה וחלל, אנרגיה ותחבורה - מתאר כיצד מכשיר הלידר שלהם שימש על סיפון מטוס כדי לרכוש מדידות בו-זמניות ראשונות של המבנה האנכי של אדי מים ואוזון באזור הטרופופוזה של האטמוספירה. החוקרים אומרים שהמערכת החדשה עשויה להיות שימושית אפילו לניטור גזים אטמוספריים מהחלל.
הטרופופוזה מפרידה בין שכבת הטרופוספירה המבוססת על פני השטח שבה מתרחש מזג האוויר לבין הסטרטוספירה שמעליה המכילה את שכבת האוזון המגנה על החיים על פני כדור הארץ מקרינה מזיקה. מדענים רוצים לחקור את אדי המים והאוזון בטרופופוזה מכיוון שההפצה של גזים אטמוספריים אלו בשכבה זו ממלאת תפקיד מכריע באקלים של כדור הארץ.
"היכולת לזהות את המבנה האנכי של אדי מים ואוזון היא קריטית להבנת חילופי הגזים האטמוספריים הללו בין הטרופוספירה והסטרטוספירה", אמר אנדריאס פיקס, שהוביל את צוות המחקר."מדידות אלו יכולות לעזור לנו לזהות שגיאות ואי ודאויות במודלים אקלימיים שיעזרו לשפר את התחזיות של האקלים העתידי, שהוא אחד האתגרים המרכזיים עבור החברה והכלכלה שלנו."
קבלת פרספקטיבה תלת-ממדית
ניתן להעריך גזים אטמוספריים עם מכשירים המוטסים לאטמוספירה או עם נתונים שנרכשו מלוויינים. עם זאת, שיטות אלה לא הצליחו לספק תמונה מלאה של התפלגות הגז האטמוספרי, כי הן חסרות את הרכיב האנכי או שאינן מספקות רזולוציה גבוהה מספיק. למרות שמכשירים הנישאים עם בלונים - המכונה ספינות בלונים - יכולים לספק פרופילים אנכיים בעלי פתרון גבוה, הם אינם מציעים רזולוציה זמנית מפורטת וניתן להשתמש בהם רק באתרים נבחרים.
כדי לפתור את הבעיות הללו, החוקרים פיתחו מערכת לידר המשתמשת באור לייזר למדידת אוזון ואדי מים בו-זמנית. הגישה שלהם, הנקראת דיפרנציאל ספיגה lidar (DIAL), משתמשת בשני אורכי גל UV שונים במקצת כדי למדוד כל גז.קרינת ה-UV באורך גל אחד נספגת בעיקר על ידי מולקולות הגז בעוד שרוב אורך הגל השני מוחזר. מדידת היחס בין אותות ה-UV החוזרים מהאטמוספירה מאפשרת חישוב של פרופיל גז מפורט.
פרופילי הגז שנוצרו באמצעות מערכת הלידר החדשה מציגים רזולוציה אנכית של כ-250 מטר ורזולוציה אופקית של כ-10 ק"מ מתחת למסלול הטיסה של המטוס.
"היכולת האנכית הזו היא התקדמות משמעותית בלימוד תהליכי חילופין בטרופופוזה", אמר פיקס. "זה עוזר להתגבר על חסרונות משמעותיים בפתרון ההתפלגות בקנה מידה עדין שהקשו על הבנת התהליכים האחראים להחלפה בזמן הטרופופוזה."
השגת יעילות אנרגטית
כדי לבצע שיטה זו על סיפון מטוס, החוקרים השתמשו במתנד פרמטרי אופטי יעיל ביותר (OPO) שפיתחו בעבר כדי להמיר את פלט הלייזר לאורכי הגל ה-UV הדרושים למדידת אדי מים ואוזון."ההמרה צריכה להיות יעילה מאוד באנרגיה כדי ליצור קרינת UV עם אנרגיות פולסים נאותות והספק ממוצע גבוה מהאנרגיה המוגבלת הזמינה על סיפון מטוס", הסביר Fix.
בדיקות של מערכת הלידר החדשה הראו שהדיוק שלה תואם היטב לזה של ספינות בלון. בשנת 2017, החוקרים הטיסו את המערכת החדשה על סיפון משימת ההחלפה האיזנטרופית (WISE), שכללה מספר טיסות ארוכות טווח מעל צפון האוקיינוס האטלנטי וצפון אירופה. הם גילו שהמכשיר עבד בצורה יוצאת דופן, נשאר יציב במהלך השימוש ויכול למדוד הפצה אופיינית של אוזון ואדי מים בטרופופוזה.
החוקרים מתכננים לנתח את הנתונים החדשים של הרכיבים האנכיים שנרכשו במהלך WISE ולשלב אותם במודלים של אקלים. הם מצפים להשתמש במכשיר כדי לאסוף מידע על גז אטמוספרי על סיפון טיסות עתידיות.
