ZPRÁVA ZA ŘEŠENÍ ETAPY ÚKOLU

VaV/740/2/00: „Vyhodnocení připravenosti České republiky splnit požadavky na kvalitu ovzduší podle směrnic EU a Konvence LRTAP“

Příloha DU03-2.E1 – E2

úkol DU03

Mapování trojrozměrné prostorové struktury polí koncentrací znečišťujících látek dominantních na území ČR

etapa

DU03-2.E1 Zpracování rešeršní studie shrnující základní principy měření koncentrací znečišťujících látek v ovzduší metodou lidarové diferenční absorpční spektroskopie. DU03-2.E2 Sestavení scénářů lidarových měření koncentrací oxidu siřičitého, oxidu dusičitého, ozonu, benzenu, toluenu a detekce aerosolu v ovzduší.

ZPRÁVA ZA ŘEŠENÍ ETAPY ÚKOLU

řešitel úkolu: řešitel etapy: spoluřešitelé:

RNDr. Josef Keder, CSc., ČHMÚ Ing. Pavel Engst, CSc., Lidar s.r.o., V Holešovičkách 2, Praha 8, 180 00

Praha listopad 2000 1



2



Obsah: 1 2

Úvod ...................................................................................................................................5 Popis lidarové a sodarové metody...................................................................................6 2.1

3

4

Princip lidarové metody .............................................................................................6

2.2 Princip sodarové metody ............................................................................................8 LIDAR 510M a SODAR PA2 ..........................................................................................8 3.1

Laser ...........................................................................................................................8

3.2

Optika .......................................................................................................................11

3.3

Řídící a detekční elektronika ....................................................................................12

3.4

Vyhodnocovací software a výstup.............................................................................12

3.5

Měřené škodliviny.....................................................................................................12

3.6 Sodar.........................................................................................................................13 Lidar a jiné metody měření ...........................................................................................13 4.1

Výhody lidarových měření ........................................................................................13

4.2 Nevýhody lidarových měření ....................................................................................14 5 Vhodné oblasti nasazení.................................................................................................14

6

5.1

Vertikální řezy ovzduším...........................................................................................14

5.2

Časový průběh výškového rozložení koncentrace ....................................................15

5.3

Horizontální řezy ovzduším ......................................................................................15

5.4 Řezy kouřovou vlečkou .............................................................................................16 Významné výsledky lidarových měření........................................................................17 6.1

7

Lidarová měření zahraničních subjektů ...................................................................17

6.2 Lidarová měření provedená firmou Lidar s.r.o........................................................18 Scénáře lidarových měření ............................................................................................19 7.1

Lidarová měření ozónu.............................................................................................19

7.2

Lidarová měření NO2................................................................................................19

7.3

Lidarová měření SO2 ................................................................................................19

7.4 Lidarová měření benzenu a toluenu .........................................................................20 8 Závěr ................................................................................................................................20

3



4



1 Úvod Společnost Lidar s.r.o. je spoluřešitelem projektu VaV 740/2/00 „Vyhodnocení připravenosti České republiky vyhovět požadavkům na kvalitu ovzduší podle směrnic EU a Konvence o dálkovém znečišťování ovzduší přecházejícím hranice států (CLRTAP)“, konkrétně jeho části DÚ 03 „Mapování trojrozměrné prostorové struktury polí koncentrací znečišťujících látek dominantních na území ČR“. Odpovědným řešitelem dílčí části projektu „Zmapování trojrozměrné prostorové struktury polí koncentrací znečišťujících látek dominantních na území ČR pomocí lidarových měření“ je ředitel společnosti Lidar s.r.o. Ing. Pavel Engst, Csc. V rámci této dílčí části projektu bude společnost Lidar s.r.o. provádět lidarová měření znečištění ovzduší, která budou souběžně provázena sodarovými měřeními směrů a rychlostí větru v různých výškách nad zemským povrchem. K měření bude použita mobilní měřící laboratoř, které je firma Lidar s.r.o. spoluvlastníkem a která sestává ze systémů LIDAR 510M, resp. SODAR PA2 vyrobených firmami Elight Laser Systems GmbH, resp. Remtech. Cílem této dílčí části projektu je doplnění poznatků o rozložení znečišťujících látek v blízkosti zemského povrchu získaných ze stabilní monitorovací sítě a pozemních mobilních měření o údaje z vyšších vrstev atmosféry, tedy rozšíření do třetího rozměru. Získání vhodného datového materiálu pro ověření metod stanovení reprezentativnosti monitorovacích stanic. Zjištění koncentračních profilů v kouřových vlečkách velkých bodových zdrojů a v závětří plošných zdrojů pro porovnání s modelovými výpočty. Prověření použitelnosti lidarových měření pro trojrozměrné mapování koncentrací znečišťujících látek. Cílem této rešeršní studie je seznámení s principem lidarové a sodarové metody, popis možností použití a nejvhodnějších oblastí nasazení kombinace těchto metod a návrh konkrétních scénářů jednotlivých měření. Tato studie sestává z následujících částí: • • • • • • •

Popis lidarové a sodarové metody - seznamuje stručně se základními principy lidarové a sodarové metody LIDAR 510M a SODAR PA2 - poskytuje podrobný technický popis LIDARU 510M a stručný technický popis SODAR PA2 Lidar a jiné metody měření - nabízí srovnání lidaru s jinými metodami měření znečištění ovzduší včetně výčtu jeho výhod a nevýhod Vhodné oblasti nasazení - seznamuje s tím, jak je možné s lidarem měřit a kde je nejvhodnější jej použít Významné výsledky lidarových měření - uvádí některé výsledky lidarových měření provedených jak zahraničními subjekty, tak firmou Lidar s.r.o. Scénáře lidarových měření - navrhuje konkrétní scénáře jednotlivých lidarových měření, které by bylo možné v rámci projektu VaV 740/2/00 uskutečnit Závěr - stručně shrnuje výsledky této studie

5



2 Popis lidarové a sodarové metody 2.1 Princip lidarové metody Slovo lidar je akronymem z anglického výrazu Light Detection and Ranging neboli detekce světla a měření vzdálenosti. Třída takových zařízení je poměrně široká a patří sem například lidary pro měření vzdálenosti Země – Měsíc nebo přístroje pro přesné sledování pohybu kontinentů. Při měření znečištění ovzduší používáme lidarovou metodu, která se nazývá DIAL (z anglického Differential Absorption Lidar). Měřící metoda DIAL je založena na faktu, že každý typ plynu absorbuje světlo naprosto jednoznačným způsobem, tj. každý plyn má pouze jedno absorpční spektrum. Lidarové zařízení, jehož součástí je laditelný laser, vysílá do atmosféry (U LIDARU 510M s frekvencí 20 Hz) krátké světelné pulsy na dvou vlnových délkách λon a λoff. Intenzita signálu s vlnovou délkou λon, která je totožná s absorpčním pásem polutantu, je při průchodu znečištěnou atmosférou zeslabována absorpcí. Intenzita světla na referenční vlnové délce λoff, jež není totožná s absorpčním pásem polutantu, absorbována není. Část vysílaného světla (obou vlnových délek, které se liší pouze o několik nm) je rozptýlena od molekul plynů a aerosolů zpět k měřící stanici, která s velmi jemným časovým rozlišením (U LIDARU 510M 40ns) zaznamenává intenzitu tohoto odraženého signálu v každém časovém okamžiku. Systém DIAL využívá zejména Rayleighova rozptylu, k němuž dochází na molekulách vzduchu a jehož intenzita je úměrná čtvrté mocnině frekvence záření. Z této mimořádně silné závislosti je patrné, že foton z oblasti infračerveného záření se na molekulách rozptyluje velmi slabě, zatímco ultrafialové fotony se rozptylují podstatně silněji. Kromě Rayleighova rozptylu na molekulách dochází také k Mieovu rozptylu na aerosolech. Aerosol je poměrně složitý systém, jež může být tvořen právě tak nepravidelnými částečkami prachu, jako na prachových částečkách kondenzovanými kapičkami dokonale kulového tvaru a rozličného průměru. Mieův rozptyl na kulových částicích roste přibližně s reciprokou hodnotou druhé mocniny vlnové délky záření. To znamená, že pro ÚV oblast spektra bude rozhodující Rayleighův rozptyl na molekulách, zatímco v IČ části spektra se uplatní především Mieův rozptyl na aerosolech. Obecně je možno konstatovat, že v oblasti viditelného záření leží místo, kde se kříží závislosti koeficientů rozptylu. LIDAR 510M využívá pro měření koncentrací škodlivin pouze ÚV oblast spektra, kde je Mieův rozptyl řádově menší než rozptyl Rayleighův. K Mieovu rozptylu na aerosolech však přesto dochází a v případě jejich vysokých koncentrací je lidarové měření rušeno. Při husté mlze, kouřmu, nebo vysoké prašnosti může být lidarové měření koncentrací plynných škodlivin dokonce úplně znemožněno. Na druhé straně umožňuje Mieův rozptyl na aerosolech jejich detekci. Existují složité lidarové systémy, které sledují celou řadu parametrů zpětně rozptýleného světla a mohou tak určovat i zastoupení jednotlivých druhů aerosolů v ovzduší a provádět tedy jejich kvalitativní detekci. V případě LIDARU 510M, který je určen především k měření koncentrací plynných škodlivin, lze získat pouze hrubou představu o kvantitativním rozložení aerosolů v ovzduší. Na obr.1 je názorně zobrazen princip lidarové metody měření znečištění ovzduší. V horní části obr.1 vidíme mobilní lidarovou stanici ve vzdálenosti několika set metrů od zdroje emisí. Vzdálenost, v jaké měříme znečištění, můžeme snadno určit ze znalosti rychlosti světla a z naměřené doby, kterou potřeboval laserový puls k uražení dráhy od měřícího systému ke zdroji emisí a zpět. Prvním graf ukazuje hrubá data tak, jak jsou detekována. Intenzita laserového svazku klesá s kvadrátem vzdálenosti, avšak pro vlnovou délku ON, která je 6



absorbována, je pokles v oblasti znečištění rychlejší, než pro referenční vlnovou délku OFF. Na dalším grafu vidíme podíl obou signálů a poslední graf nám ukazuje výsledné rozložení koncentrace měřené látky na dráze laserového paprsku. Po matematické stránce jde při určování koncentrace o řešení diferenciální lidarové rovnice, která je podobná rovnici radarové. Výsledný vztah pro koncentraci polutantu Ngas(r) ve vzdálenosti „r“ od systému na dráze paprsku je N gas (r ) = −

1 2∆σ gas

P (r , λ on ) d ln . dr P (r , λ off )

∆σgas je rozdíl účinných průřezů absorpce měřeného polutantu, což je pro λon a λoff známá a tabelovaná hodnota, P(r,λ) je výkon přijatého signálu pro příslušnou vlnovou délku.

Obr.1 Princip lidarové metody DIAL Mobilní měřící systém LIDAR 510M je vybaven otočným periskopem, který slouží jak k vysílání laserových pulsů, tak k příjmu zpět rozptýleného světla. Periskop umožňuje libovolné nastavení úhlů vysílaných paprsků. Můžeme tak získat 2D a 3D koncentrační řezy nad terénem. Pokud tyto data doplníme o znalost proudění větru, lze vypočítat celkové toky polutantů.

7



2.2 Princip sodarové metody Slovo Sodar je akronymem z anglického výrazu Sound Detection and Ranging. Jedná se akustický systém určený pro měření rychlostí a směrů větru v atmosféře do výšky asi 1500 m. Princip sodaru je podobný principu klasického radaru. Místo rádiových vln se u sodaru používají vlny zvukové. Anténa sodaru vysílá krátké zvukové pulsy, které se odrážejí od teplotních nehomogenit ve vzduchu zpět k vysílači. Vysílací zařízení je tvořeno soustavou reproduktorů, které slouží zároveň jako mikrofony přijímacího zařízení. Z amplitudy a frekvence odraženého signálu se získávají informace o struktuře turbulencí atmosféry. To je umožněno Dopplerovským posunem frekvence vyslaného signálu, který nastává při odrazu zvukových pulsů na teplotních nehomogenitách, jež jsou unášeny větrem. Vzdálenost, ve které dochází k odrazům, lze snadno zjistit změřením doby, kterou potřebuje vyslaný signál k projití dráhy od vysílače přes odraz k přijímači. Pokud se do atmosféry vysílá více signálů pod různými úhly, můžeme získat vertikální profil 3D vektoru rychlosti větru. Rozdílné vysílací úhly jsou generovány fázově posunutým vysíláním a snímáním řad a sloupců reproduktorů.

3 LIDAR 510M a SODAR PA2 Hlavní součástí mobilního měřícího systému je lidarové zařízení LIDAR 510M pro detekci plynných polutantů, vyrobené německou firmou Elight Laser Systems GmbH. Toto zařízení se skládá z laseru, vysílací a přijímací optiky, detektoru a vyhodnocovacího softwaru. Součástí mobilního měřícího systému je i sodarové zařízení SODAR PA2, vyrobené francouzskou firmou Remtech.

3.1 Laser Laser jako zdroj koherentního záření s dostatečným výkonem je srdcem lidarového systému (obr.2). V našem lidaru se používá pevnolátkový titan-safírový laser s vynikajícími optickými, tepelnými a mechanickými vlastnostmi. Safírový krystal dopovaný titanem (Ti3+:Al2O3) absorbuje optickou energii v spektrální oblasti kolem 500 nm vyzařovanou výbojkami a je teoreticky schopen zářit na vlnových délkách od 700 nm do asi 950 nm, což je dáno jemným, kvazikontinuálním členěním horních energetických hladin vlivem vibrací fononů v mřížce. Vysoká tepelná vodivost krystalu usnadňuje odvod přebytečného tepla. Značná mechanická stabilita umožňuje výborné opracování a zacházení s krystalem. Nevýhodou je naopak vyšší cena a složitost výrobní technologie těchto aktivních prostředí. Samotný laser je tvořen asi 15 cm dlouhým válečkem o průměrem asi 1 cm. Ten je umístěn ve válcové vysoce reflexní dutině spolu se čtyřmi pulsními budícími výbojkami, které jsou plněné xenonem. Délka čerpacího pulsu je asi 8 µs. Tato laserová dutina s krystalem a výbojkami je umístěna v rezonátoru, který je tvořen výstupním polopropustným zrcadlem na jedné straně a vysoce reflexním zrcadlem na straně druhé. V rezonátoru, kde dochází k zesílení stimulované emise, jsou umístěna četná zařízení, která upravují vznikající laserové záření. Pro výběr správné vlnové délky záření slouží disperzní hranoly spolu s pohyblivým koncovým rezonátorovým zrcadlem. Natočením tohoto zrcadla si lze vybrat příslušnou část rozloženého světla z posledního disperzního hranolu tak, aby bylo současně zesilováno v rezonátoru. Vysokonapětová Pockelsova cela umožňuje zkracovat laserové pulsy z 10 µs až na 25 ns, což asi tisíckrát zvyšuje okamžitý výkon přibližně na 4 MW. Pockelsova cela funguje

8



jako elektrooptická uzávěrka, která ovlivňuje činitel jakosti rezonátoru tak, že v závislosti na přiloženém napětí nechává nebo zamezuje světelnému signálu průchod rezonátorem. Sada Brewsterových destiček pomáhá vyfiltrovat jedinou lineární polarizaci světla, která je nezbytná pro správnou funkci Pockelsovy cely. Vzhledem k tomu, že lidar typu DIAL potřebuje laserovat na dvou různých vlnových délkách s frekvencí 10 Hz, bylo by potřeba mít dva takovéto lasery. V případě LIDARU 510M je tento problém řešen tzv. doublerezonátorem. Doublerezonátor je narozdíl od klasického rezonátoru tvořen dvěma koncovými vysoce reflexními pohyblivými zrcadly umístěnými nad sebou, přičemž světelný puls je naveden jednou na horní a podruhé na spodní zrcadlo. Každé z těchto zrcadel může být samozřejmě vyladěné na jinou vlnovou délku (λon a λoff). Vychylování světelného svazku z podélné osy rezonátoru na horní nebo spodní koncové zrcadlo je docíleno rotujícím skleněným hranolem.

9



Obr.2 Schéma laserového systému v LIDARU 510M

10



Odvod tepla z laseru je realizován dvouokruhovým vodním chlazením. Externí chlazení zajišťuje čerpadlo s elektrickou chladničkou (tepelný výměník), funkci interního okruhu procházejícího skrz laserovou dutinu zabezpečuje další čerpadlo. Lidar je určen pro měření znečištění ovzduší na velké vzdálenosti, která je limitována průchodností laserového svazku v atmosféře a výkonem laseru. Z tohoto důvodu je výkon laseru zvýšen optickým zesilovačem, jež je tvořen vysoce reflexní dutinou s titan-safírovým krystalem a čerpacími výbojkami. Umístěním tohoto prvku za laser zvyšuje výkon až na 6 MW. Pro měření většiny polutantů využíváme jejich absorpční spektra v oblasti blízké UV, přesněji v rozmezí 250 nm až 290 nm. Tyto vlnové délky jsou získávány s použitím nelineárních krystalů. Za zesilovacím prvkem je umístěn krystal lithium borátu (LBO), který při správném naladění zdvojnásobuje frekvenci základního režimu laseru (SHG-Second Harmonic Generation). To znamená, že máme na výstupu poloviční vlnové délky (378-440 nm) oproti základnímu režimu (760–880 nm). Tato část výstupu je využívána pouze pro měření koncentrací NO2. Za tímto krystalem následuje THG (Third Harmonic Generation), reprezentovaný barium-β-borátem (BBO). Tento prvek spojením základní a druhé harmonické frekvence vyrábí třetí harmonickou frekvenci, tj. na výstupu je třetinová vlnová délka v porovnání se základní (252–293 nm) a samozřejmě i základní a druhá harmonická. Protože na výstupu jsou vlnové délky v rozmezí 250-880 nm, je potřeba s ohledem na možná poškození zraku vyfiltrovat vše ve viditelné oblasti spektra. K tomu účelu slouží filtr za krystaly, který propouští pouze světlo s vlnovou délkou pod 400 nm. Nezbytnou součástí laseru je i teplotní stabilizace jeho součástek, která zvyšuje stálost výstupního světelného signálu a tím i přesnost měření. Čistota optických dílů je zajištěna konstantním prouděním čistého vzduchu a pravidelnou údržbou. Ladění laseru na správnou vlnovou délku předchází kalibrace vlnové délky v kalibrační cele. Ta využívá optogalvanický jev, kdy svítíme laserem do trubice s argonem a elektrodami a současně plynule měníme vlnovou délku světla. Počítač snímá průběh elektrického proudu v galvatronu, který prudce narůstá v okamžicích absorbování světla plynem. Takto získaný průběh proudu je porovnán s referenčním absorpčním spektrem argonu a přes počítač je provedena kalibrace vlnových délek v laseru. Výhody tohoto pevnolátkového laditelného laseru oproti jiným systémům (např. barvičkový laser čerpaný excimerovým laserem švédské firmy Lighten) jsou především snadná ovladatelnost, kompaktnost, malé rozměry a hmotnost, zdravotní nezávadnost, plná automatizace provozu a ladění a možnost velmi rychlého přelaďování (cca 20 minut). Nevýhodou je naopak vyšší pořizovací cena, širší spektrální čára laseru, což ztěžuje měření polutantů s extrémně úzkou absorpční čárou (rtuť) a vyšší náklady na provoz v podobě výměny čerpacích lamp, které vydrží asi 10 miliónů záblesků.

3.2 Optika Celý lidarový systém obsahuje velké množství optických elementů, v prvé řadě čočky a zrcadla. Zrcadla jsou vyrobená napařováním vrstev dielektrik tak, že splňují přesně požadavky na ně kladené. Jde mimo jiné o to, aby vykazovala vysokou odrazivost (nebo naopak polopropustnost) pro používaný rozsah vlnových délek s ohledem na použitou polarizaci světla a úhel dopadu laserového svazku. Navíc jsou zrcadla zpracována metodou GRM (Gradient Reflectivity Mirrors), která zmenšuje divergenci světelného svazku způsobenou daným prvkem.

11



Úkolem optických prvků umístěných za krystaly SHG a THG je rozšířit laserový svazek a zmenšit rozbíhavost svazku na minimum (asi 0,2 mrad). Výstupním zařízením lidaru je automatický periskop s rozsahem téměř 360Ox180O, jenž je zakončen křemenným okénkem s průměrem 40 cm. Základem přijímací optiky je tentýž periskop a přijímací teleskop s průměrem 40 cm. Úkolem tohoto teleskopu je zachytit co nejvíce nazpět odražených fotonů a fokusovat je do ohniska, kde je umístěn detektor. Podstatnou roli v návrhu vysílací a přijímací optiky hraje tzv. geometrická komprese, která určuje kolik světla dopadlého zpět na teleskop opravdu skončí v detektoru. Geometrická komprese mimo jiné určuje minimální vzdálenost, od které mají naměřená data smysl. V normálním případě je tato vzdálenost asi 500 m.

3.3 Řídící a detekční elektronika Lidarový systém je řízen buď plně automaticky se zpětnými vazbami nebo je ovládán přes PC. Cílem řídící elektroniky je synchronizovat běh systému jako celku. Pockelsova cela provádí Q-spínání laseru v závislosti na frekvenci a průběhu světelného pulsu z čerpacích lamp, rotace skleněného hranolu vychylujícího laserový paprsek na koncová zrcadla rezonátoru je taktéž řízena elektronicky. Spínání čerpacích lamp laserového zesilovače je trigerováno podle pulsů z laseru a konečně i kmity SHG a THG krystalů jsou závislé na frekvenci a načasování pulsů z laseru a zesilovače. Celá synchronizace musí navíc pracovat pro dvě různé vlnové délky při jednom měření. Počítač přímo řídí krokové motory, které ovládají nastavení vlnové délky, polohu výstupního zrcadla rezonátoru, polohu SHG a THG krystalů, stav filtru a polohy vysílacích zrcadel (kompenzátor a transmitter). Tím je umožněno i automatické ladění systému. Na předchozím sladění a načasování laserového systému je závislý i detektor a vyhodnocovací elektronika. Detektor je tvořen vstupním zařízením v podobě optického vlákna, jehož jeden konec je v ohnisku přijímacího teleskopu a druhý konec směřuje ke kolimační čočce. Ta soustřeďuje zachycený signál na interferenční (mřížkový) filtr, který dále propustí pouze fotony té vlnové délky, na níž se měří. Za filtrem následuje vysokonapěťový fotonásobič, jenž převádí velikost optického signálu na elektrický proud, který je digitalizován a uložen.

3.4 Vyhodnocovací software a výstup Úkolem vyhodnocovacího softwaru je zpracovat naměřená data v požadované formě. Software vychází z teorie lidaru, která je v postatě založená na řešení lidarové rovnice. Z naměřených dat je možné získat rozložení polutantu po dráze vyslaného paprsku s maximálním prostorovým rozlišením 7,5 m. V daném směru se obvykle měří vícekrát a výsledek je statisticky zpracován. Zpracováním více měření se získávají matematickou interpolací buď 2D řezy nebo časové závislosti koncentrace polutantu v daném terénu. Výsledkem je buď grafický výstup v podobě barevné dvojdimenzionální mapy znečištění dané oblasti nebo soubor dat ve formě matice čísel.

3.5 Měřené škodliviny Lidar 510M umožňuje detekci následujících škodlivin. V tab.1 je uveden detekční limit a dosah při měření dané látky. Tyto hodnoty byly na základě směrnice VDI 4210 stanoveny pro 15-timinutový měřící interval, prostorové rozlišení 1000 m, koncentraci ozónu pod 30 µg/m3 a viditelnost nad 20 km.

12



Tab.1 Detekční limit a dosah pro jednotlivé látky SO2

NO2

Ozón

Toluen

Benzen

Aerosol

Detekční limit [µg/m ]

8

20

2

10

10

0,05/km

Maximální dosah [m]

2200

2500

2100

1700

1600

3000

3

3.6 Sodar Sodarové zařízení je složené z matice reproduktorů sloužících zároveň jako mikrofony, řídící elektroniky a PC. Maximální dosah sodaru je 1500 m při prostorovém rozlišení 50 m. Systém pracuje se zvukovými vlnami o vlnové délce 10-30 cm. Obdobné zařízení s téměř stejnými parametry používá také Český hydrometeorologický ústav v Praze na Libuši.

4 Lidar a jiné metody měření Sledování obsahu nečistot v ovzduší se již stalo rutinní a nezpochybnitelnou záležitostí. Existují sítě měřících stanic, které po 24 hodin měří koncentrace vybraných polutantů. Údaje z měření jsou obvykle napojeny na společnou informační síť, která tak neustále zásobuje soustavou dat sledovací centrálu. Nad planetou krouží soustava satelitů, která monitoruje spektrálními detektory stav znečištění atmosféry.

4.1 Výhody lidarových měření Lokální měřící stanice většinou pracují s odběrem vzorku. To znamená, že do analytické aparatury nasávají vzorek vzduchu, který se pak analyzuje. Vzorek reprezentuje jeden lokální bod, místo vstupu nasávaného vzduchu a nejbližší a vzhledem k proměnlivosti atmosférických vlivů těžko definovatelné okolí. Věrohodné výsledky proto vyžadují dlouhodobé středování, které stírá časově náhodné změny. Monitorováním znečištění ze satelitů lze získat globální pohled na rozložení koncentrací různých nečistot na rozlehlých plochách. Co však chybí, je výškové rozvrstvení polutantů. U kouřové vlečky například nejde zjistit, jak vysoko je nad povrchem. Je tedy patrné, že celá řada informací nám stále ještě schází. Například pohled na dílčí územní celek velikosti průmyslového závodu nebo městské části s detailním prokreslením okamžité situace. Taková data, získávaná navíc s časovým rozlišením mohou informovat o dynamice vzniku, transportu a rozptýlení polutantu do imisní koncentrace. Pokud by se přesnost určení koncentračních oblaků pohybovala v desítkách metrů, lze si představit celou řadu postupů, které by vycházely z takové informace, a ve svém důsledku dovolily kvalifikované zásahy do konkrétní emisní situace. Jednou z cest je použití matematického modelování. Extrapolací z bodových dat při poklidné atmosféře je možno modelovat prostorové rozložení polutantů. Tvrdé předpoklady pro takový model však snižují jeho vypovídací hodnotu. Právě použití lidarové techniky je další variantou. Zařízení založené na absorpčním principu a fungující jako lidar, je přesně to, co může vyplnit prázdný prostor mezi bodovou detekcí a globálním pohledem ze satelitu. Výhoda lidarového měření spočívá v tom, že samotné měření neovlivňuje stav atmosféry, takže ho lze provádět i s časovým rozlišením, za objektivně stále stejných podmínek. Dále je vhodné zdůraznit, že snad kromě extrémně nákladných měření z letadla není možné podobná data získat.

13



4.2 Nevýhody lidarových měření Lidarová měření mají ovšem ve srovnání s měřeními bodovými i určité nevýhody. Za hlavní slabinu považujeme jejich nižší přesnost (což se ovšem nevztahuje na měření koncentrací ozónu) a omezení měřených látek na ty, které absorbují v pásmu přeladitelného laserového záření. Mezi další nevýhody pak patří vyšší cena lidarových měření a nemožnost nasazení lidaru při špatné viditelnosti (mlha, kouřmo).

5 Vhodné oblasti nasazení Lidarová měření mohou být uplatněna buď jako měření samostatná anebo jako doplněk měření bodových v případech, kdy je důležité získat informace o prostorovém rozložení koncentrací škodlivin. Nejsnáze a také s největší přesností lze za pomoci lidaru získat informace o výškovém rozložení koncentrací. V kombinaci se sodarem je navíc možné určit toky měřených látek. Dále zde uvádíme několik variant vhodného použití lidaru.

5.1 Vertikální řezy ovzduším Při měření vertikálních řezů ovzduším získáme koncentrační mapu měřené látky v rovině kolmé na zemský povrch. Tato mapa vypovídá o vertikálním a částečně také horizontálním rozložení koncentrace nad terénem. Vhodné je použít tuto metodu zejména pro měření koncentrací ozónu a NO2. Při měření koncentrací ozónu je velmi důležité znát kromě bodové koncentrace také její výškový profil. Koncentrace ozónu může být již v malých výškách nad zemí podstatně vyšší než přímo při zemském povrchu. Právě tuto důležitou informaci snadno získáme měřením vertikálních řezů. Při měření koncentrací NO2 lze metodu vertikálních řezů použít například pro zjištění výškového rozložení koncentrace podél frekventované komunikace. Jedná li se o ulici uzavřenou bloky budov můžeme mimo jiné určit stupeň znečištění, kterému jsou vystaveni obyvatelé vyšších pater.

Obr.3 Koncentrace NO2 ve vertikálním řezu napříč Domažlickou ulicí v Plzni

14



5.2 Časový průběh výškového rozložení koncentrace Měříme-li kontinuálně několik vertikálních řezů po určitou dobu, můžeme projekcí koncentrací v těchto řezech do vertikální osy a zpracováním časové závislosti získat časový průběh výškového rozložení koncentrace studované látky. Tyto výsledky jsou vzhledem k počtu primárních dat, která jsou při jejich výrobě použita, mnohem přesnější než samotné vertikální řezy. Při měření vertikálních řezů nad oblastí, kde probíhá také pozemní bodové měření, lze časový průběh koncentrace v nejnižší vrstvě nad zemí srovnat s časovým průběhem koncentrace naměřené bodovým měřením. Tento postup je vhodný pro vyhodnocení reprezentativnosti umístění bodového měření pro celou oblast.

Obr.4 Časový průběh výškového rozložení koncentrace NO2 nad Rokycanskou ulicí v Plzni

5.3 Horizontální řezy ovzduším Další možností nasazení lidaru je měření horizontálních řezů ovzduším nad určitou oblastí. Získáme tak koncentrační mapu studované látky v rovině, která svírá přesně definovaný úhel se zemským povrchem ve stanovišti lidaru. Tento úhel lze pro jednotlivá měření libovolně měnit. Metoda horizontálních řezů je vhodná například pro měření úniků látek nad průmyslovým závodem (benzen, toluen, NO2, SO2). Jinou možností aplikace je mapování znečištění pocházejícího z lokálních zdrojů topení (SO2) ve vybrané obci. Případně je možné měřit také horizontální řezy NO2 nad městskou částí s hustou dopravou.

15



Obr 5 Horizontální řez koncentrace SO2 nad rafinerií Esso v Antverpách

5.4 Řezy kouřovou vlečkou Při měření řezů kouřovou vlečkou získáme koncentrační profil SO2, nebo NO2 případně i jiné látky v kouřové vlečce. Z těchto dat můžeme také spočítat integrální plošnou koncentraci dané látky v příčném řezu kouřovou vlečkou. Informace o rychlosti a směru větru ve výšce kouřové vlečky získaná sodarovým měřením umožňuje dále výpočet celkového toku škodliviny v kouřové vlečce. Bez odběrů přímo v komíně a bez přístupu do závodu znečišťovatele tak lze kontrolovat dodržování emisních limitů. Nejkomplikovanější možností nasazení lidaru je kombinace této metody se sodarovými měřeními a měřeními horizontálních a vertikálních řezů ve větší vzdálenosti od znečišťovatele. Lidar tak může sloužit k popisu šíření emisí od určitého znečišťovatele do imisí v určitém regionu.

16



Obr.6 Řez kouřovou vlečkou v rafinerii Esso v Antverpách

6 Významné výsledky lidarových měření Lidarový systém je v České republice k dispozici prostřednictvím firmy Lidar s.r.o. teprve od roku 2000. V Evropě i mimo ní jsou však lidarová měření využívána již delší dobu. Na následujících řádcích uvedeme seznam některých zajímavých lidarových měření. Nejprve se bude jednat o měření provedená zahraničními subjekty. Poté uvedeme seznam měření provedených firmou Lidar s.r.o jak v zahraničí, tak v České republice.

6.1 Lidarová měření zahraničních subjektů •

•

•

Účast na evropském výzkumném projektu MEDCAPHOT-TRACE V září 1994 se konala lidarová měření v Athénách v rámci evropského výzkumného projektu projektu "Mediterranean Campaign of Photochemical Tracers - Transport and Chemical Evolution", MEDCAPHOT-TRACE. Projekt podpořila Evropská unie (DG XII). Lidarová měření provedla německá firma Elight Laser Systems GmbH jedním ze starších modelů LIDARU 510M. Cílem celého projektu bylo lepší porozumění procesu tvorby a šíření ozónu a ověření meteorologických a atmosférických modelů. Lidarem byl měřen časový průběh vertikálního rozložení koncentrace ozónu, rozložení aerosolů a koncentrace toluenu jako zástupce VOC. [14] Účast na měřící akci SERRA DO MAR V listopadu 1994 se v Brazílii konala měřící akce s názvem SERRA DO MAR. Lidarová měření provedla německá firma Elight Laser Systems GmbH jedním ze starších modelů LIDARU 510M. Cílem tohoto projektu bylo sledování emisí rafinérie v Cubatau. Lidarem byly měřeny zejména koncentrace toluenu a NO2 ve vertikálních a horizontálních řezech nad rafinerií. Lidar tak detekoval nejen přímé emise z komínů, ale také například úniky a odpařování ze skladovacích nádob v rafinerii. [15] Demonstrační měření v Mexiko City V květnu 1995 se ve spolupráci s Magistrátem města Mexiko City (Departamento del Distrito Federal) a Mexickým petrolejářským ústavem (Instituto Mexicano del Petroleo) 17



•

•

•

•

uskutečnila lidarová měření v Mexiko City. Měření provedla německá firma Elight Laser Systems GmbH jedním ze starších modelů LIDARU 510M. Cílem akce bylo sledování chování koncentrací toluenu a ozónu v různých částech města, byly proto měřeny časové závislosti rozložení koncentrací těchto látek. [16] Měření dopravních emisí ve Stuttgartu V listopadu 1995 provedla firma Elight Laser Systems GmbH jedním ze starších modelů LIDARU 510M demonstrační lidarová měření ve Stuttgartu. Cílem měření bylo popsat šíření znečištění v uličním kaňonu. Měřeny byly koncentrace NO2, toluenu a rozložení aerosolů ve vertikálních řezech podél dvou různých frekventovaných ulic. [17] Kalibrační měření SO2 V roce 1996 provedl francouzský ústav Institut National de l'Environnement Industriel et des Risques (INERIS) kalibrační lidarová měření SO2 za použití testovacích kyvet s definovanými koncentracemi SO2. K měření byl použit jeden ze starších modelů LIDARU 510 M. [18,19] Měřící akce BERLIOZ V létě roku 1998 se v oblasti Berlín-Brandenburg konalo rozsáhlé měření letního smogu. Cílem celé akce byl popis znečištění šířícího se z Berlína do okolních oblastí. Na akci se podílel velký počet institucí, mimo jiné také 4 systémy LIDAR 510M. Měření fotochemického smogu v Paříži V červenci 1999 probíhala ve spolupráci mezi francouzským ústavem Institut National de l'Environnement Industriel et des Risques (INERIS) a německou Universitou Cottbus lidarová měření v Paříži. Cílem měření byl popis vývoje fotochemického smogu. Měření se uskutečnila přímo u Eiffelovy věže. Byly měřeny především koncentrace ozónu. Blízkost Eiffelovy věže umožnila porovnání výsledků lidarových měření s výsledky bodových měření systémů instalovaných v různých výškách na věži.

6.2 Lidarová měření provedená firmou Lidar s.r.o. Firma Lidar s.r.o. provedla od počátku roku 2000 již celou řadu měření jak v zahraničí tak v České republice. Jednotlivé akce zde uvedeme pouze stručně v chronologickém pořádku. • Účast na veletrhu SEP Pollution v italské Padově V březnu 2000 jsme na zakázku firmy Elight Laser Systems GmbH představili LIDAR 510M na veletrhu ekologické techniky v italské Padově. V rámci této prezentace jsme prováděli měření vertikálních řezů ozónu. Na veletrhu získal LIDAR 510M jedno z hlavních ocenění. • Měření dopravních emisí v Plzni V dubnu 2000 jsme měřili na zakázku Útvaru koncepce a rozvoje města Plzně koncentrace NO2 na Rokycanské ulici. Měření jsme provedli ve vertikálních řezech přímo nad Rokycanskou ulicí a v horizontálních řezech nad oblastí, kterou tato komunikace prochází. • Měření u rafinerie v Antverpách V červenci 2000 jsme měřili na zakázku firmy Elight Laser Systems GmbH koncentace SO2 u rafinerie Esso v Antverpách. Měření jsme prováděli formou řezů napříč kouřovými vlečkami a horizontálních řezů nad celou rafinerií. • Měření dopravních emisí v Plzni V září 2000 jsme v rámci velké měřící akce a v návaznosti na naše dubnová měření provedli čtyřdenní měření koncentrací NO2 na různých místech Plzně. Akce se uskutečnila 18



•

na zakázku Útvaru koncepce a rozvoje města Plzně. Koncentrace NO2 jsme určovali ve vertikálních řezech napříč Domažlickou ulicí, podél Rokycanské ulice a nad centrem města a v horizontálních řezech nad Borskými poli. Měření dopravních emisí v Klatovech V září 2000 jsme v Klatovech provedli na zakázku Městského úřadu třídenní měření emisí a imisí pocházejících z dopravy. Měřeny byly koncentrace NO2 ve vertikálních a horizontálních řezech nad různými částmi města.

7 Scénáře lidarových měření V této kapitole se pokusíme navrhnout varianty konkrétních scénářů lidarových měření, která by se mohla uskutečnit v rámci dílčí části projektu „Zmapování trojrozměrné prostorové struktury polí koncentrací znečišťujících látek dominantních na území ČR pomocí lidarových měření“

7.1 Lidarová měření ozónu V případě ozónu dochází k velkým změnám jeho koncentrace s výškou. Standardní metody měření nemohou tento jev vesměs podchytit. Navrhujeme proto provést měření koncentrace ozónu metodou vertikálních řezů. Měření by mělo probíhat po dostatečně dlouhou dobu, tak aby byl zachycen denní cyklus ozónu. Doporučujeme navíc opakovat tato měření v různá roční období. Lidarová měření ozónu by mohla být také srovnána s měřeními bodovými. Vzhledem k tomu, že koncentrace ozónu jsou většinou vyšší na krajích měst, navrhujeme provést lidarová měření v Praze na Libuši a srovnat jejich výsledky s výsledky tamní stanice AIM. Vertikální řez ovzduším by měl být veden tak, aby jeho spodní část procházela co nejblíže stanice AIM. Po zpracování naměřených výsledků do závislosti výškového rozložení koncentrace na čase budeme moci srovnat časový průběh koncentrace v nejnižší vrstvě s časovým průběhem koncentrace získaným stanicí AIM.

7.2 Lidarová měření NO2 S ohledem na naši dosavadní zkušenost s lidarovými měřeními se domníváme, že by bylo vhodné provést měření koncentrace NO2 metodou vertikálních řezů podél některé městské komunikace. Přesnost lidarových měření je v případě NO2 nižší než u ostatních látek. Mělo by se tedy jednat o komunikaci dostatečně frekventovanou, nad kterou lze očekávat vysoké koncentrace. Měření by mělo probíhat po dostatečně dlouhou dobu tak, aby byl zachycen celý denní dopravní cyklus. Opět by bylo vhodné provést srovnání s bodovým měřením a to obdobným způsobem jako u měření koncentrace ozónu. Poblíž komunikace by tedy měla být také stanice AIM.

7.3 Lidarová měření SO2 Pro měření koncentrací SO2 navrhujeme dvě možné varianty. Jednou z nich je měření metodou vertikálních a horizontálních řezů nad vybranou obcí v zimním období. Tímto postupem bychom mohli získat informace o znečištění ovzduší pocházejícím z lokálních topenišť. Časové rozmezí měření by mělo být vybráno tak, abychom zachytili pro srovnání období, kdy lidé topí nejméně (noc nebo poledne) a období, kdy topí nejvíce (ráno nebo večer). Druhou variantou je měření koncentračního profilu kouřové vlečky metodou řezu napříč kouřovou vlečkou. V kombinaci se sodarovými daty bychom mohli také odhadnou celkový

19



tok SO2 ve vlečce. Měření by se mělo uskutečnit v jarním nebo letním období, kdy je ve vlečkách obsaženo nejméně vodní páry a aerosolů, které lidarová měření nepříznivě ovlivňují.

7.4 Lidarová měření benzenu a toluenu Benzen a toluen patří mezi velmi nebezpečné karcinogenní látky, jejichž zvýšené koncentrace ve městech způsobuje zejména automobilová doprava. K úniku těchto látek ve vyšších koncentracích dochází také u některých průmyslových provozů, jako jsou rafinerie nebo chemické závody. Detekční limit pro měření koncentrací benzenu a toluenu se u lidaru pohybuje na úrovni, která podle výsledků bodových měření, odpovídám maximům koncentrací těchto látek vzniklých z automobilové dopravy. Měření dopravních emisí benzenu a toluenu lidarem by proto s největší pravděpodobností nemělo smysl. U některých extrémně frekventovaných městských ulic je však úplně nevylučujeme. Raději ale navrhujeme provést měření koncentrací benzenu a toluenu metodou vertikálních a horizontálních řezů nad některou českou rafinerií, nebo chemickým závodem, u kterého by bylo možné očekávat úniky těchto látek.

8 Závěr Lidarová měření znečištění ovzduší se aplikují v České republice zatím pouze krátce. Jediným mobilním lidarovým systémem typu DIAL na území České republiky je LIDAR 510M, který je ve spoluvlastnictví firmy Lidar s.r.o. V okolním světě jsou ovšem lidarová měření tohoto typu využívána již delší dobu. Proběhla celá řada testovacích, kalibračních, srovnávacích i běžných měření, byly tak definovány nejvhodnější oblasti nasazení lidarové metody a lidar si v těchto oblastech získal prestiž a důvěru. Jak na základě zahraničních zkušeností, tak vzhledem k měřením, která jsme v posledním roce provedli sami, se domníváme, že informace o prostorovém rozložení znečištění je často stejně důležitá jako informace o přízemních koncentracích. Jednou z nejvhodnějších metod jak tuto informaci získat je právě metoda lidarová. Lidarová měření mohou být uplatněna samostatně, nebo v kombinaci se standardními metodami. Jsou-li navíc současně aplikována měření sodarová, mohou být informace o prostorovém rozložení koncentrací doplněny o informace o rychlostech a směrech větru v různých výškách. Lze tak získat obraz o šíření znečištění ve třech dimenzích. Doufáme, že účast lidaru na řešení části projektu DÚ 03 „Mapování trojrozměrné prostorové struktury polí koncentrací znečišťujících látek dominantních na území ČR“ bude přínosem. Doufáme také, že se nám podaří uskutečnit v obou letech tohoto projektu většinu měření navržených podle scénářů v kapitole 7.

20



Literatura: [1] [2] [3] [4] [5] [6]

[7] [8] [9] [10] [11] [12] [13]

[14] [15]

[16]

Svanberg, S.: Differential absorption LIDAR (DIAL), Chem.Anal.Ser.127, 85-162, John Wiley & Sons, New York (1994) Weidauer, D.: Analyse und Bewertung von Smog-Situationen mittels LIDAR, Dissertation, Freie Universität Berlin (1998) Weidauer, D.; Eickel, K.-H.; Lahmann, W.; Nikowa, L.; Ulbricht, M.; Weber, K.; Weitkamp, C.; Wolf, J.-P.: Standardization of DAS lidar measurements, 19th ILRC, Annapolis, Maryland, USA (July 6-10, 1998) Ulbricht, M.: Dreidimensionale Analyse der Luft auf Schadstoffe mittels LIDAR, Spektrum der Wissenschaft, 22-24 (Januar 1, 1996) Ulbricht, M.: 3D-Luftschadstoffmessungen mit Lidar, Technisches Messen 63 7/8, pp. 278 – 281 (1996) Frejavon, E.; Kasparian, J.; Rambaldi, P.; Vezin, B.; Boutou, V.; Ju, Y.; Ulbricht, M.; Weidauer, D.; Ottobrini, B.; de Saeger, E.; Krämer, B.; Leisner, T.; Rairoux, P.; Wöste, L.; Wolf, J.P.: Laser applications for atmospheric pollution monitoring, The European Physical Journal D, 4, 231- 238 (1998) Ulbricht, M.: 3D-Luftschadstoffmessungen mit Lidar, Technisches Messen 63 7/8, pp. 278 – 281 (1996) Ulbricht, M.; Rairoux, P.; Reif, J.; Weidauer, D.; Wolf, J.P.: Calibration of LIDAR Systems, SPIE Proceedings Series Vol.2112, 194-200 (1994) Weitkamp, C.: Lidar measurements: Atmospheric constituents, clouds, and ground reflectance, NATO ASI Ser. I 45, Springer-Verlag Berlin (1997) Beyrich, F.; Acker, K.; Kalass, D.; Klemm, O.; Möller, D.; Scaller, E.; Wehrhahn, J.: Boundary layer structure and photochemical pollution in the Harz mountains – an observational study, Atmospheric Environment 30, 8, 1271-1281 (1996) Giannini, L.; Argentini, S.; Mastrantonio, G.; Rossini, L.: Estimation of flux parameters from SODAR wind profiles, Atmospheric Environment 31, 9, 1307-1313 (1997) Beniston, M.; Wolf, J.P.; Beniston-Rebetez, M.; Kölsch, H.J.; Rairoux, P.; Wöste, L.: Use of Lidar Measurements and Numerical Models in Air Pollution Research, J.Geophys.Res. 95, No.D7, pp 9879-9894 (1990) Kölsch, H.J.; Lambelet, P.; Limberger, H.G.; Rairoux, P.; Recknagel, S.; Wolf, J.P.; Wöste, L.: LIDAR-Pollution Monitoring of the Atmosphere, Special issue of "Laser/Optoelektronik in der Technik", W. Waidelich Ed., Springer Berlin Heidelberg (1990) Kambezidis, H. D.; Weidauer, D.; Melas, D.; Ulbricht, M.: Air Quality In The Athens Basin During Sea Breezeand Non-Sea Breeze Days Using Laser-Remote-Sensing Technique, Atmospheric Environment, Vol. 32, No. 12, pp. 2173 - 2182 (1998) Weitkamp, C.; Goers, U.-B.; Glauer, J.; Köhler, S.; Rairoux, P.; Immler, F.; Wöste, L.; Ulbricht, M.; Weidauer, D.: Laser Remote Sensing of Sulfur Dioxide, Nitrogen Dioxide, Toluene, Ozone, and Dust in the Industrial Area of Cubatao (Brazil), Selected Papers of the 18th International Laser Radar Conference (ILRC) in Berlin, Springer Verlag, pp. 423 - 426 (July 22-26, 1996) Weidauer, D.; Rairoux, P.; Ulbricht, M.; Wolf, J.P.; Wöste, L.: Ozone, VOC, NO2 and Aerosol Monitoring with Urban and Industrial Areas using a mobile DIAL Systems in "Advances in Atmospheric Remote Sensing with LIDAR", Selected Papers of the 18th International Laser Radar Conference (ILRC) in Berlin, Springer Verlag, pp. 423 - 426 (July 22-26, 1996)

21



[17] [18] [19]

Kölsch, H.J.; Rairoux, P.; Wolf, J.P.; Wöste, L.: Comparative study of nitric oxide immission in the cities of Lyon, Geneva, and Stuttgart using a mobile differential absorption LIDAR system, Appl.Phys.B 54, 89-94 (1992) Menard, T; Vindimian, E; Godet, Y; Nominé, M; Weidauer, D; Ulbricht, M; Frejafon, E.; Rambaldi, P; Douard, M.; Wolf, J.P.: Calibrage et évaluation de systémes LIDAR, Pollution Atmosphérique, 105-119 (1998) Menard, T.; Godet, Y.; Nomine, M.; Weidauer, D.; Wolf, J.P.: Essais D'Evaluation Du LIDAR 510M, Papers of the 11th World Clean Air and Environment Congress, Volume 4, Session 10A-4 (1998)

Reference: • Elight Lase Systems GmbH, Germany Warthestr. 21, 14513 Teltow • Universität Bayreuth, Germany Lehrstuhl für technische Thermodynamik und Transportprozesse • Brandenburgische Technische Universität Cottbus, Germany Lehrstuhl für Luftchemie und Lufreinhaltung • Hochschule für Technik, Wirtschaft und Kultur Leipzig, Germany Institut für Experimentalphysik • Freie Universität Berlin, Germany (Components for stationary LIDAR system for tropospheric and stratospheric measurements) • University of Warsaw , Poland Institute for Experimental Physics • Technische Universität Graz, Austria Regierung des Landes Steiermark and VOEST-ALPINE Graz • Universidad de Valladolid, Spain Departamento de Física Aplicada • Ville de Lyon, France Dept. d'Ecologie Urbaine • Dunkerque, France Université du Littoral Côte d'Opale • Útvar koncepce a rozvoje města Plzeň, ČR Škroupova 5, 305 84 Plzeň • Městský úřad Klatovy, ČR Náměstí Míru 62, 339 01 Klatovy

22

ZPRÁVA ZA ŘEŠENÍ ETAPY ÚKOLU

Recommend Documents