Scintillaties in de atmosfeer De atmosferische grenslaag voor amateursterrenkundigen

Scintillaties in de atmosfeer De atmosferische grenslaag voor amateursterrenkundigen

Henk de Bruin

11-3-2015

KNVWS afdeling Twente

Wie is Henk de Bruin? 1969 Drs Natuurkunde, met Wis- en Sterrenkunde als bijvak 1970 KNMI micrometeorologie, hydrologie en agrometeorologie 1982 Promotie in Wageningen (als KNMI-er)

1986 Wageningen Universiteit UHD Land-Atmosfeer Interactie 2007- fpu; freelancer; parttime wetenschapper en publicist; 2011-2014

11-3-2015

Columnist ZENIT


Grenslaagonderzoek

Klassieke Natuurkunde van de directe leefomgeving van de mens; In principe te begrijpen met wis- en natuurkunde van de HBS-B; In jaren 1970 werd de atmosferische grenslaag bestudeerd op het KNMI omdat luchtverontreiniging een serieus milieuprobleem werd beschouwd. In de jaren 1960 vielen er nog doden tgv smog in een grote steden; Nieuwe meettechnieken werden sindsdien ontwikkeld en die kwamen commercieel op de markt

Gelijktijdig en onafhankelijk werd in Rusland de basistheorie voor stromingen in de atmosferische grenslaag ontwikkeld mede voor astronomische toepassingen. Mede door Star War politiek van Ronald Reagan leidinggevend onderzoek in de VS In de jaren 1980 brak het besef door dat processen in de atmosferische grenslaag in numerieke meteorologische modellen moet worden beschreven voor meerdaagse verwachtingen en door het IPCC in klimaatmodellen.

11-3-2015


Atmosfeer dunne gaslaag die door zwaartekracht de aarde omspant Dikte atmsfeer: 100 km Maar 50% alle massa in eerste 10 km Straal aarde: 6300 km

11-3-2015


Klimaat in een notendop Afstand Aarde-Zon + Sterkte Zon 255 K N2 en O2 en Natuurlijk broeikasgassen H20, CO2 , O3 288 K 11-3-2015


Stralingsbalans Aarde

11-3-2015


Klimaat in een notedop

11-3-2015


Depressie-systemen transporteren warmte van subtropen naar de polen

Ontstaan aan het polaire front

Essentieel is rotatie aarde: Buys Ballot; lage en hogedrukgebieden en fronten kunnen lang bestaan 11-3-2015


De Noorse School • In 1970 richtte de ‘echte’meteorologie zich hoofdzakelijk nog op luchtdrukverdeling en fronten volgens de Noorse School • Meteorologen tekende met de hand fronten in kaarten met waargenomen weer geplot door weerdienst-assistenen (dames) • De grenslaag werd met eenvoudige vuistregels beschreven 11-3-2015


Meteoroloog in actie jaren 1970

11-3-2015


Weerdienstassistes 1963 Artikel in het blad Prinses

11-3-2015


Stevenson Thermometerhut

11-3-2015


Campbell-Stokes heliograaf

11-3-2015


Modern weerstation

11-3-2015


Gemiddeld Temperatuurverloop met hoogte

11-3-2015


Grenslaag is de onderste laag van de troposfeer Atmosferische grenslaag

oppervlaktelaag

Vegetatie of ruwheidslaag

Grenslaag voelt direct aardoppervlak:

•Dagelijkse gang •Turbulent 11-3-2015


Soms top grenslaag zichtbaar

11-3-2015


KNMI meetmast Cabauw, 1974

11-3-2015


Dagelijkse gang luchttemperatuur op 2m hoogte 30

1000 T2 zonnestraling grond

25 Celsius

600

20 400

15

200

10

0

0 11-3-2015

6

12

TIJD


18

24

W/m2

800

Temperatuur verandering/uur Cabauw

1000

3 Zonnestraling T+1h-T

800

2

W/m2

1

600

0

C/uur -1

400

-2

200 -3

0

-4

0

11-3-2015

4

8

12 Tijd


16

20

24

Dagelijkse gang specifieke vochtigheid op 2m hoogte 1000 900

q2 zonnestraling grond

13

Zonnestraling

800

600

11

500 400 300

9 specifieke vochtigheid 2m

200 100

7

0

0 11-3-2015

6

12

TIJD


18

24

W/m2

gram/kg

700

Temperatuur Profiel Cabauw 30

1000

Celsius

25

800

600

20 400

15

200

In nacht T- verschillen (vaak) groter dan overdag 10

0 0

4

8

12 Tijd

11-3-2015


16

20

24

Zonnestralin W/m2

T06 T2 T10 T20 T40 T80 T140 T200 Zonnestraling

Potentiële Temperatuur Profiel Cabauw 30 28 26 24

Celsius

60 cm

TP06 TP2 TP10 TP20 TP40 TP80 TP140 TP200

22 20 18

200 m

16

Verschillen ‘s nachts nu nog Groter dan overdag vanaf 40 m pot. Temp goed gemengd

14 12 10

0

6

12 TIJD

11-3-2015


18

24

noen

Vertikale profielen potentiële temperatuur overdag

Opwarming in de ochtend groter dan na noen!!

10 maart 2015

KNVWS afd. Twenthe

Vertikale profielen specifieke vochtigheid overdag

In ochtend neemt q eerst toe tot 9 uur daarna weer af

10specifieke maart 2015

vochtigheid q = aantal waterdamp per kg lucht KNVWSgram afd. Twenthe

Voorlopige conclusie • Maximum temperatuur later dan max. zonnestraling • T-verandering in tijd het grootst vlak na zonsopkomst • Overdag grenslaag > 40 m goed gemengd • Grootste verticale T- verschillen in eerste meter • T gedrag ‘s nachts volkomen anders • Gedrag specifieke vochtigheid vreemd overdag: eerst toename na zonsopkomst, na 10 uur afname ??? 11-3-2015


Lidar Wolkenhoogtemeter KNMI-netwerk (Bron KNMI)

11-3-2015


Invloed vegetatie van belang huidmondje

licht

Droogte

10 maart 2015

KNVWS afd. Twenthe

Schematische beeld van groei grenslaag overdag inversie

droog vrije atmosfeer

9:30

warm

Grenslaaghoogte h

9 Invangen droge lucht

grenslaag

9 q verdamping



9:30 Voelbare warmte

oppervlaktelaag

Bij q vraag: wat wint? Verdamping of ingevangen 10 maart 2015 droge lucht

Voelbare warmte toegevoerd aan grenslaag thermische mengingt: thermiek bellen botsen tegen inversie en grenslaag groeit KNVWS afd. Twenthe

1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0

PBL Height [m]

grenslaaghoogte PBL Height [m]

Energiebalans aan het aardoppervlak heeft grote invloed!!

6

8

10

12

14

16

18

4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 6

8

Tijd

Time Grenslaaghoogte NL boven gras zonder watertekort

11-3-2015

10

12

14

Tijd Time

Grenslaaghoogte NL boven gras tijdens droogte


16

18

Wet Kirchhoff Door broeikasgassen is Atmosfeer een ‘grijze straler’ Zendt IR straling naar oppervlak tussen 4-100 micron, behalve in het ‘venster’ tussen 8-14 micron

0.5

0

11-3-2015

Zon 5700 K

Atmosfeer 291 K

venster

relative units

1

0.1

1 10 wavelength micron KNVWS afdeling Twente

100

Stralingsbalans Cabauw 30 juni

zonnestraling

nettostraling

IR uitgaand IR inkomend

11-3-2015


Inkomende zonne- en IR straling NL Etmaalgemiddelden IR inkomend

Inkomende zonnestraling

11-3-2015


Energiebalans oppervlak

11-3-2015


Warmtegeleiding van stilstaande lucht K = coëfficiënt voor warmtegeleiding

uit tabellenboek K = 2 10-5 m2/s

10 maart 2015

KNVWS afd. Twenthe

Energiehuishouding lid KNVSM afd. Twenthe Activiteit

Energieproductie (J/s) zittend 100 Wandeling pauze 150 Laatste trein 450 halen rennend

Nodige warmteafgifte naar lucht bij 22o 70 85 170

Clucht = 1200 SI eenheden Stilstaande lucht K = 2 10-5 m2/s Thuid = 32 oC, Tlucht = 22 oC

Conclusie: leven onmogelijk in stilstaande lucht!!!

10 maart 2015

KNVWS afd. Twenthe

Potentiële Temperatuur Profiel Cabauw 30 28 26

TP06 TP2 TP10 TP20 TP40 TP80 TP140 TP200

Celsius

24 22 20

60 cm

18 16 14 12

200 m

10

0

6

12

18

24

TIJD

T-gradient in eerste 40 m Gemeten warmtestroom

Temperatuur diffusiecoëfficiënt (K)

11-3-2015


Temperatuur diffusiecoëfficiënt K in m2/s berekend uit metingen 14 uur

2 uur 0.4

15

K

10 0.2 5

0

0

5

10

15

0

0

height m

5

10 height m

Hoogte in m

Hoogte in m

Uit tabellenboek eigenschappen van stilstaande lucht : K = 2 10-5 m2/s Gemeten warden veel groter en afhankelijk hoogte en tijd Stroming in grenslaag is turbulent!! 11-3-2015


15

Stroming in Atmosferische Grenslaag is Turbulent !!!!

11-3-2015


Wamtetransport gaat via uitwissling van ‘eddies’ Meest effictief zijn eddies ter groote van ongeveer ½ z

koud z = hoogte warm

10 maart 2015

KNVWS afd. Twenthe

Energiebalans oppervlak

Hoe groter voelbare warmtestroom, hoe groter temperatuurfluctuaties!!!

10 maart 2015

KNVWS afd. Twenthe

Samenvatting • Zonnestraling bereikt in eerste orde ongehinderd aardoppervlak • Aan oppervlak wordt deel gereflecteerd, de rest wordt gebruikt om bodem op te warmen, voor verdamping (latente warmtestroom) en voor opwarming grenslaag (voelbare warmtestroom) • De voelbare warmetestroom doet de grenslaag groeien en genereert turbulentie met een groot mengend vermogen. • Overdag is mengend vermogen zo groot dat potentiële temperatuur boven 40 m bijna constant is met hoogte in de grenslaag • In de nacht mengend vermogen kleiner, IR-straling domineert dan gedrag grenslaag: wind en wrijving kan alleen turbuelentie genereren. Afkoeling aardoppervlak onderdrukt turbulentie

11-3-2015


Nieuwe waarnemingssystemen; snelle sensoren

Sonische anememeter en thermometer

11-3-2015


Temperatuur met snelle sensor

16.9 16.8

16.7 16.6 16.5

0

11-3-2015

1

2


3

Temperatuur met snelle sensor in woestijn in Arizona 46

Temperatuur (0C)

44 42 40 38 36 34 0

2

4

6

Tijd (minuten)

11-3-2015


8

10

Radar wind profiler met Radio Acoustic Sounder System

11-3-2015


Raman Lidar waterdamp profiler

11-3-2015


Pauze

11-3-2015


Atmosferische Turbulentie en ‘Seeing’ sterren kijken doe je ‘s nachts, dus stabiele grenslaag’ meest belangrijk

11-3-2015


hoogte

Grenslaag ‘s nachts en overdag, totaal verschillen

Nacht

Dag

Inversie

Lapse

stabiel

onstabiel

Overdag: Turbulentie gegeneerd door Wind en wrijving en opwarming onderaf

diepte

Nacht Turbulentie gegeneerd door Wind en wrijving Afkoeling oppervlak onderdrukt Turbulentie!!!

Temperatuur

Astronomen werken meestal ‘s nachts KNVWS afdeling Twente

11-3-2015

‘Seeing’ is slecht door: scintillaties en door ‘spikkelvorming’ Scintillaties leiden tot intensiteitfluctuaties van een ster

Spikkelvorming is afbeelding van een ster op een andere plaats tgv verandering van hoek van inval

11-3-2015


Twinkle, twinkle, little star Twinkle, twinkle, little star, How I wonder what you are! Up above the world so high, Like a diamond in the sky. Twinkle, twinkle, little star,

How I wonder what you are!

11-3-2015


Turbulentie is Chaos 46

Temperatuur (0C)

44 42 40 38 36 34 0

2

4

6

8

10

Tijd (minuten)

Voor turbulentie bestaat nog steeds geen echte theorie gebaseerd op eerste principes uit de natuurkunde. Heisenberg promoveerde op Turbulentie onder Sommerfeld en stopte daarmee, want de kans dat je voor turbulentie-onderzoek de Nobelprijs kan winnen is te klein. Hij kreeg later inderdaad de Nobelprijs voor werk aan quantenmechanica 11-3-2015


cascade proces in inertial sub-range

L0

Grote ‘wervels’worden opgewekt, deze zijn onstabiel en breken in kleinere wervels, ook deze breken om uiteindelijk te diffunderen op moleculaire schaal

etc. moleculaire diffusie 10 maart 2015

KNVWS afd. Twenthe

l0

1943 Kolmogorov • Het cascadeproces maakt dat de statistische eigenschappen van turbulentie bekend is, althans voor wervels die kleiner zijn dan de ‘outer scale (Lo)’ maar groter dan de ‘inner scale (l0) ’ • Dit blijkt een universele wetmatigheid en geldt ook voor brekingsindex - fluctuaties in de atmosfeer

11-3-2015


100 m

11-3-2015

 n  0.033 Cn2



11 3

Inner scale

Outer scale

Spectrum van brekingsindex bijdrage van wervelgrootte-klasse tot totale variantie

Sructuurparameter n 10 m 1m 1 cm

1 mm


Golfgetal is evenredig met 1/wervelgrootte

Fonkelfrequentie van een ster op grond van Kolmogorov

11-3-2015


Low Level Jet te Cabauw Treden ‘s nachts op Maximum groter dan windsnelheid in vrije atmosfeer! Verklaring??

Hoe kan dat door wrijving aan het aardoppervla

11-3-2015


Low Level Jets • Astronomische belang • Verspreiding van luchtverontreiniging • Verspreiding van branden

11-3-2015


Low Level Jets gemeten tijdens CASES Intern. meetcampagne ter bestudering van de stabiele grenslaag

windprofilers 11-3-2015


Hoogte (m)

Gemeten Low Level Jets

Wind snelheid (m/s)

11-3-2015

Wind snelheid (m/s)

Het is dus een regionaal verschijnsel! KNVWS afdeling Twente

Wind snelheid (m/s)

Intermittent stable surface layer CASES

11-3-2015

PhD thesis O.Hartogensis KNVWS afdeling Twente

In Orion Betelgeuze is rode reus and Rigel is blauwe dwerg 

2  

7 6

Scintillatie ‘sterkte' of Rigel is groter dan die van Betelgeuze

 2  sec( )11/ 6 11-3-2015


Planeten zijn geen puntbron, maar een aantal puntbronnen. Middelen geeft kleinere scintillaties Planeten twinkelen minder dan sterren

11-3-2015


Verklaring Spikkel Golffront van ster rand van de atmosfeer

Turbulente atmosferische laag

wind

inval sh veran oek derin g

derin

Inva

an k ver e o h s l

g

Verstoorde golffront

Kleine-diameter lens Grote-diameter lens spikkel 11-3-2015

beeld spikkel zonder turbulentie


Spikkelindex

Spikkelindex

D/r0

11-3-2015

ro is Fried parameter KNVWS afdeling Twente

SHEBAR scintillometer met de zon als lichtbron: Utrechtse astronomen, nu in Leiden?

11-3-2015


SHEBAR geïnstalleerd op de Dutch Open Telescoop, La Palma

11-3-2015


Gemeten Cn2-profiel met de SHEBAR en de zon als lichtbron in de grenslaag

11-3-2015


Friedparameter met SHEBAR

11-3-2015


Fried parameter met scintillometer New Mexico

11-3-2015


Scintillometrie, toepassing van scintillaties in de meteorologie • Achtergrond • Groei grenslaag overdag wordt gedreven door voelbare warmtestroom aan het aardoppervlak • In numerieke modellen moet deze beschreven worden op grid-schaal, dwz op km-schaal • Aardoppervlak is niet homogeen op die schaal • Er is behoefte aan een meetmethode om gebiedsgemiddelde warmtestroom te kunnen meten. • Dit leidde tot scintillometrie 11-3-2015


Wat is een scintillometer? Padlengte R

Lichtbron Golflengte 

ontvanger Bundelbreedte D

0

0

Hoogte z: is ongeveer outer scale L0

11-3-2015


Scintillometers voor atmosferische onderzoek

B D

C1

C2

A 11-3-2015


Verschillende scintillometer types Type

D



L

F

F

Spectrum

LAS optical

15 cm

1mm

1- 5 km

 4 cm

L0ut>D>F>l0

Kolmogorov*

XLAS optical

30 cm

1mm

5 – 10 km

 10 cm

L0ut>D>F>l0

Kolmogorov*

RWS Radiowave

15 cm

1 cm

1 -10 km

4m

L0ut>F>D>l0

Kolmogorov

DBLS optical

2.5 mm

0.7 mm

100 m

 1 cm

L0>DFl0

Kolmogorov and Hill

* If saturation corrections are needed Hill spectrum is needed also 11-3-2015


Laser Scintillometer

•

Laserscintillometer,Scintec AG, 11-3-2015


Flevoland experiment

Pad scintillometers

11-3-2015


Cabauw 10 km

11-3-2015


Cabauw: XLAS  Vliegtuig RECAB - 2002 (July 27) 140

XLAS aircraft

Sensible heat flux [W m-2]

120

100

RECAB experiment 80

60

40

20

0 0

4

8

12

16

Time (UTC in decimal hours)

Moene at al. 2006 11-3-2015


20

24

LITFASS, Lindenberg, D 600

25.05.2003

HV Forest N2 Grass SS Water A5 Rye A8 Triticale A7 Rape A4 Maize

Sensible Heat Flux in W/m 2

500 400

N4 Grass FS Water A1 Rye A3 Barley A2 Rape A9 Rape A6 Maize

300 200 100 0 -100 -200 00:00

03:00

06:00

09:00

12:00

UTC

11-3-2015


15:00

18:00

21:00

00:00

China

11-3-2015


Scintillometrie in Ghana

11-3-2015


Scintillometrie in Ghana

Test model voor verdamping Uit satellietbeelden

11-3-2015


VRAGEN?

11-3-2015


Scintillaties in de atmosfeer De atmosferische grenslaag voor amateursterrenkundigen

Recommend Documents