Spatram: Spectrometer for atmospheric tracers measurements. A prototype equipment for the monotoring of minor compounds of the atmosphere

Abstract

O presente trabalho desenvolveu-se para atingir dois objectivos; um de vertente tecnológica e o segundo de vertente científica: o primeiro, que visou o desenvolvimento de um novo espectrómetro que opera nas regiões espectrais do ultravioleta (UV) e visível (Vis), com as tecnologias mais avançadas disponíveis, assim como a realização do equipamento e a sua instalação no Centro de Geofísica de Évora (CGE); o segundo objectivo, visou o estudo dos algoritmos da Espectroscopia de Absorção óptica Diferencial (DOAS) e da sua aplicação às medidas espectrais das secções eficazes de absorção de gases traçadores atmosféricos (principalmente dióxido de azoto – NO2 e ozono – 03 presentes na estratosfera) a partir dos quais se pode obter as quantidades colunares desses gases. Finalmente, e ainda inserido nos objectivos científicos, foi possível comparar valores colunares de gases atmosféricos, quimicamente relevantes obtidos a partir de observação à superfície (SPATRAM, com valores correspondentes obtidos a partir de observações de satélite. Foi ainda investigada a relação entre episódios de aerossóis (aerossóis do deserto do Sahara) e os conteúdos colunares de gases traçadores atmosféricos. O primeiro objectivo da tese de Doutoramento foi completamente alcançado. Os estudos de física da atmosfera e dos diferentes tipos de equipamento usado para efectuar as medições e para a caracterização da radiação solar, permitiram o desenvolvimento de um protótipo, o espectrómetro denominado SPectrometer for Atmospheric TRAcers Measurements (SPATRÁAO. O SPATRAM opera no UV e Vis (250-950nm) com uma resolução típica de 0.5 nm e está equipado com três possíveis entradas da radiação, uma delas correspondente à observação no zénite . O SPATRAM encontra-se instalado no observatório do CGE desde Abril 2004 e é presentemente utilizado para fazer medições da radiação difusa no zénite. Os estudos da metodologia DOAS permitiram a implementação de uma ferramenta para a determinação da concentração ao longo do percurso óptico da medição de alguns dos componentes atmosféricos com características de absorção muito marcadas (principalmente NO2 e 03) na região espectral coberta pelo SPATRAM. Este objectivo foi também atingido e esta ferramenta foi aplicada tanto a medidas espectrais obtidas com o SPATRAM como com um equipamento semelhante (GASCOD - Gas Analyzer Spectrometer Correlating Optical Differences) instalado na Estação Italiana na Antárctica, desde 1995. Foi ainda possível com o desenvolvimento da metodologia DOAS investigara influência das diferentes temperaturas da secção eficaz do mesmo composto. /Abstract - The goals of this research can be divided in two main subjects: the technological one, regarding the development of a new UV-Visible spectrometer with the most advanced available technologies, the realization of the equipment and is installation at the Geophysics Centre of Évora (CGE). The scientific topic concerning both the deep studies of the Differential Optical Absorption Spectroscopy (DOAS) algorithms and their application to the measured spectral data as well as the measurements and the monitoring of some atmospheric gases (mainly stratospheric NO2 and 03) and the comparison of the obtained results with satellite data. In addition, a relation between episodes of aerosol contamination and the content of atmospheric trace gases is expected to be found. The first goal of the doctorial project was completely reached. The studies on the atmospheric physics and on the different types of equipment used for the measurements and for the characterization of the solar radiation, allowed for the development of a spectrometer prototype called SPectrometer for Atmospheric TRAcers Measurements (SPATRAM. The SPATRAM is a multi purpose UV-Vis. Spectrometer (250-950 nm), with a typical spectral resolution of 0.5nm; it is equipped with three radiation input, one pointing the zenith direction. The SPATRAM is installed at the CGE Observatory since April 2004 and it is presently utilized to carry-out measurements of the zenith scattered radiation. The studies of the DOAS methodology are aimed to the implementation of a tool for the determination of the Slant Column Density (SCD) of some atmospheric compounds with marked absorption spectral features (mainly nitrogen dioxide - NO2 and ozone - 03) in the spectral range covered by SPATRAM. Also this goal was reached, and the tool was applied to the spectral measurements obtained as with the SPATRAM as well as with similar equipment (the GASCOD - Gas Analyzer Spectrometer Correlating Optical Differences) installed at the Antarctic Italian Station since 1995. Also the influence of the different temperatures of the same absorbers cross section utilized in the retrieval was investigated. /Riassunto - Gli obiettivi di questo progetto di ricerca possono essere suddivisi in due diversi tipologia: quella tecnológica che prevede la progettazione, sviluppo e realizzazione di un nuova spettrometro operante nelle regioni spettrali del visibile e delVultravioletto, munito delia piá avanzate soluzioni tecnologiche disponibili e la sua installazione al centro di geofísica dell'Universitá di Evora. L'aspetto scientifico di questa ricerca prevede sia lo studio approfondito degli algoritmi della Spettroscopia ad Assorbimento Ottico Différenziale (DOAS), a la loro applicazione alie serie spettrali misurate con lo spettrometro, sia la misura ed il monitoraggio di alcuni composti minori dell'atmosphera ( principalmente biossido di azoto – NO2, e ozono – 03, in questa prima fase della ricerca) e il confronto dei risultati ottenuti con la strumentazione al suolo con quelli ottenuti da strumenti installati su satelliti. Inoltre, ci si aspetta di ottenere una relazione Ira il contenuto di gas atmosferici ed episodi di contaminazione da particolato (aerosoli). E primo obiettivo del progetto di dottorato è stato completamente raggiunto. Gli studi condotti sui processi fisici in atmosfera e sui diversi tipi di strumenti utilizzati per Ia misura e la caratterizzazione della radiazione solara, hanno permesso di progettare e realizzare un protótipo di spettrometro che è stato chiamato SPATRAM (SPectrometer for Atmospheric TRAcers Measurements). Al fine di ottenere uno strumento multi funzione lo SPATRAM è dotato di ire diversi ingressi (uno punia direitamente lo zenith con un campo di vista di 1.1-10-5 sr, e due ingressi via fibra ottica), che consistono in una serie di specchi piani e sferici che focalizzano la radiazione in ingresso sulla fenditura dIngresso al monocromatore. SPATRAM è uno spettrometro UV-Vis. che opera nella regione spettrale da 250 a 950nm, con una risoluzione ottica típica di 0.5nm. L'intero intervallo spettrale é indagato in finestre successive di 60nm ognuna, grazie all'uso di un motora passo-passo che variando la posizione del reticolo, modifica Vintervallo spettrale che raggiunge il sensore. Quest'ultimo è un CCD (Charged Coupled Device – dispositivo ad accoppiamento di carita) che permette di ottenere prestazioni molto m~ di quella ottenibili con i rivelatori CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor). Il maggior vantaggio nell'uso dei CCD risiede nell'alto rapporto segnale rumore che puó essere ottenuto. Lo SPATRAM è installato all’osservatorio del CGE dal’Aprile dei 2004 ed è attualmente utilizzato per la misura di radiazione solara dessa fungo la verticale.