Analisi del flusso di polveri mediante lidar Doppler a bassa coerenza

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 4086 (2023) Citare questo articolo

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La visualizzazione del flusso di polvere e della dinamica del vento vicino alla superficie del terreno è essenziale per comprendere la miscelazione e l'interazione tra geosfera e atmosfera vicino alla superficie. Conoscere il flusso temporale delle polveri è utile per affrontare l’inquinamento atmosferico e i problemi di salute. I flussi di polvere vicino alla superficie del suolo sono difficili da monitorare a causa della loro piccola scala temporale e spaziale. In questo studio, proponiamo un lidar Doppler a bassa coerenza (LCDL) per misurare il flusso di polvere vicino al suolo con elevate risoluzioni temporali e spaziali di 5 ms e 1 m, rispettivamente. Dimostriamo le prestazioni di LCDL in esperimenti di laboratorio utilizzando particelle di farina e carbonato di calcio rilasciate nella galleria del vento. I risultati dell'esperimento LCDL mostrano un buon accordo con la misurazione dell'anemometro per velocità del vento comprese tra 0 e 5 m/s. La tecnica LCDL può rivelare la distribuzione della velocità della polvere, che è influenzata dalla massa e dalla dimensione delle particelle. Di conseguenza, è possibile utilizzare diversi profili di distribuzione della velocità per determinare il tipo di polvere. I risultati della simulazione del flusso di polvere coincidono bene con i risultati sperimentali.

I flussi di polvere sono attivi vicino alla superficie del terreno, dove il flusso del vento è complesso. È importante per comprendere la miscelazione e l'interazione tra la geologia e l'atmosfera superficiale. La dispersione della polvere depositata sulla superficie del suolo rappresenta un grave problema non solo per la conservazione dell'ambiente, ma anche per la salute umana, come le malattie respiratorie, e per l'inquinamento atmosferico da polvere di origine antropica nelle aree urbane1,2,3. In particolare, il flusso di polvere nella bassa atmosfera è complicato dalla topografia e dalle strutture. Il comportamento della dispersione della polvere sul campo è ripido. Visualizzando i venti urbani locali tra gli edifici, chiamati canyon stradali4, è possibile prevedere la distribuzione del flusso di polvere nell'area locale e comprenderne l'impatto sulle aree abitate. In prossimità dell'atmosfera superficiale, alcuni ostacoli come montagne ed edifici bloccano e modificano bruscamente il flusso di polvere. L'alta atmosfera, invece, presenta pochi ostacoli e il flusso delle polveri è piuttosto graduale. Il flusso del vento nell'atmosfera dipende dall'altitudine5. Maggiore è l'altitudine, maggiore è la massa della cella d'aria e l'atmosfera superiore verticale ha una scala spaziale e temporale più ampia6. La forte richiesta di misurazioni del flusso del vento si è verificata nell'alta atmosfera verticale dal punto di vista della sicurezza per il decollo e l'atterraggio degli aerei e del controllo efficiente degli impianti eolici7,8. Per le misurazioni del vento vengono utilizzati anemometri a elica, radiosonde, sodar Doppler e lidar Doppler9,10,11,12. Gli anemometri in situ richiedono la loro installazione nello spazio di misurazione, mentre può modificare il campo del vento stesso. Il sodar Doppler e il lidar Doppler, invece, possono acquisire a distanza le informazioni sul vento nella misurazione13,14. Sono efficaci per le misurazioni del campo eolico a lunga distanza15. Il lidar Doppler è installato negli aeroporti e misura l'atmosfera superiore verticale su un ampio intervallo di misurazione da 200 m a diversi chilometri per un lungo periodo di tempo di diversi minuti in conformità con l'ampia scala spaziale e temporale dell'atmosfera16,17,18. Il lidar Doppler montato sulla navicella è installato negli impianti eolici e misura l'atmosfera orizzontale19. La risoluzione spaziale della misurazione è ancora di diverse decine di metri. I campionatori di polveri convenzionali raccolgono la polvere per un certo periodo di tempo. Tuttavia, questo metodo non può produrre informazioni in tempo reale sul trasporto delle polveri. Il telerilevamento è l'opzione migliore per rilevare la polvere vicino al suolo poiché il campo del vento non viene disturbato durante la misurazione20,21. Le misurazioni ad alta risoluzione e ad alta velocità sono criteri essenziali per rilevare polvere e aerosol vicino al suolo. L’attuale lidar Doppler convenzionale non può catturare il flusso di polvere localizzato e in costante cambiamento vicino al suolo poiché l’atmosfera inferiore ha una piccola scala spaziale e temporale di pochi secondi e metri. È disponibile anche la velocimetria di tracciamento delle particelle utilizzando laser a foglio, ma non fornisce risultati quantitativi. Presenta limitazioni significative, come la necessità di ambienti bui, e non è conveniente per l'uso sul campo22,23,24. In questo articolo, sviluppiamo un lidar Doppler a bassa coerenza (LCDL) che punta orizzontalmente con elevate risoluzioni spaziali e temporali di 1 me 5 ms, rispettivamente, per misurare il flusso di polvere locale. LCDL è una sorta di interferometro ottico a bassa coerenza. Un segnale di interferenza si ottiene solo quando la differenza di lunghezza del percorso ottico tra il percorso di riferimento e quello di misurazione corrisponde alla lunghezza di coerenza. Inoltre, per monitorare i cambiamenti improvvisi nel flusso di polvere, il tempo di integrazione viene ridotto a millisecondi per la misurazione ad alta velocità. Gli obiettivi di questo documento sono: (1) progettare e sviluppare il concetto di sistema LCDL, (2) verificare le prestazioni del sistema LDCL e (3) applicare questo metodo a diversi dispersori e valutare la distribuzione della velocità degli scatter.