אירוסול לידר

מערכות אירוסול לידר הן מערכות חישה מרחוק מתקדמות, המיועדות למדידה רציפה של חלקיקים ואירוסולים באטמוספרה. באמצעות שיגור פולסי לייזר וניתוח האור המוחזר מחלקיקים הנמצאים באוויר, ניתן לקבל מידע על התפלגות האירוסולים בגבהים שונים, לזהות שכבות אבק, עשן וזיהום אוויר ולבחון את המבנה האנכי של האטמוספרה.

בניגוד למכשיר למדידת חלקיקים בנקודה אחת, מערכת LIDAR מספקת פרופיל אנכי של האטמוספרה. כך ניתן להבין לא רק כמה חלקיקים נמצאים סמוך לפני הקרקע, אלא גם באילו גבהים הם מרוכזים, כיצד הם נעים, האם קיימות מספר שכבות נפרדות ומהו הקשר ביניהן לבין תנאי מזג האוויר.

מערכות אירוסול לידר משמשות במחקר אטמוספרי, מטאורולוגיה, ניטור איכות אוויר, חקר אקלים, מעקב אחר סופות אבק, ניטור עשן משריפות, תעופה, מחקר עננים, בדיקת פיזור מזהמים וניתוח שכבת הגבול האטמוספרית.

מטאו-טק מספקת מערכות Cloud & Aerosol Micro LIDAR מדגמי ALS300 ו-ALS450, המיועדות למדידה מרחוק של אירוסולים ועננים בגבהים שונים. דגם ALS300 מציע טווח מדידה של כ-0.15 עד 15 ק"מ, ואילו ALS450 מיועד לטווח של כ-0.5 עד 20 ק"מ.

מהו אירוסול אטמוספרי?

אירוסול אטמוספרי הוא חלקיק מוצק או נוזלי זעיר המרחף באוויר. חלק מהאירוסולים נוצרים ממקורות טבעיים, ואחרים נוצרים כתוצאה מפעילות אנושית.

אירוסולים יכולים לכלול:

• אבק מדברי
• מלח ים
• עשן משריפות
• פיח
• אפר
• טיפות זעירות
• אבקה מצמחים
• חלקיקים תעשייתיים
• פליטות מכלי רכב
• חלקיקי בעירה
• חלקיקים משניים הנוצרים מתגובות כימיות באטמוספרה

למרות גודלם הקטן, לאירוסולים השפעה משמעותית על איכות האוויר, הראות, בריאות הציבור, היווצרות עננים, מאזן הקרינה והאקלים.

מערכת אירוסול לידר מאפשרת לעקוב אחר שכבות החלקיקים האלה בגובה ולבחון את התפתחותן לאורך זמן.

מהי מערכת LIDAR?

LIDAR הם ראשי תיבות של Light Detection and Ranging. זוהי שיטת מדידה המבוססת על שיגור אור לייזר לעבר מטרה או אל האטמוספרה וניתוח האור המוחזר אל המערכת.

מערכת אירוסול לידר שולחת פולסים קצרים של אור כלפי מעלה. כאשר האור פוגע באירוסולים, בטיפות מים, בגבישי קרח או בחלקיקים אחרים, חלק ממנו מתפזר ומוחזר לכיוון המקלט.

המערכת מודדת את זמן החזרה ואת עוצמת האות. מכיוון שמהירות האור ידועה, ניתן לחשב באיזה מרחק ובאיזה גובה התרחש הפיזור.

רצף המדידות יוצר פרופיל אנכי המתאר את עוצמת הפיזור בגבהים שונים. הצגת הנתונים לאורך זמן מאפשרת לראות את תנועת שכבות האירוסולים ואת השינויים במבנה האטמוספרה.

כיצד פועל אירוסול לידר?

פעולת המערכת מבוססת על מספר שלבים:

1. מקור הלייזר משגר פולס אור קצר לאטמוספרה.
2. הפולס נע דרך שכבות האוויר.
3. חלק מהאור מתפזר על ידי מולקולות, אירוסולים, אבק, עשן או עננים.
4. מקלט אופטי קולט את האור המוחזר.
5. גלאי רגיש ממיר את האות האופטי לאות חשמלי.
6. המערכת מחשבת את המרחק ואת גובה שכבת הפיזור.
7. תוכנה ייעודית מעבדת את הנתונים ומציגה פרופילים, גרפים ומפות זמן-גובה.

ככל שהאות המוחזר חזק יותר, ניתן להסיק כי קיימת באותו גובה שכבה בעלת ריכוז משמעותי יותר של חלקיקים או רכיב אטמוספרי המחזיר אור בעוצמה גבוהה.

עם זאת, עוצמת ההחזרה מושפעת גם מגודל החלקיקים, מהרכבם, מצורתם, מאורך הגל של הלייזר ומתנאים אטמוספריים נוספים. לכן ניתוח מקצועי של הנתונים צריך להתבצע תוך התחשבות בתנאי המדידה ובמטרת המחקר.

אילו נתונים ניתן לקבל ממערכת אירוסול לידר?

בהתאם לדגם, לתצורת המערכת ולאופן עיבוד הנתונים, ניתן לקבל מידע כגון:

• פרופיל אנכי של פיזור אופטי
• גובה שכבות אירוסולים
• זיהוי שכבות אבק
• זיהוי עשן משריפות
• זיהוי שכבות זיהום
• גובה שכבת הגבול האטמוספרית
• מבנה שכבות באטמוספרה
• זיהוי עננים
• גובה בסיסי עננים
• תנועת שכבות לאורך זמן
• התפתחות ערבוב אנכי
• חדירת אבק או עשן לאזור המדידה
• שינויים בעומס האירוסולים
• מידע על פיזור מזהמים
• פרופיל זמן-גובה של האות המוחזר

הנתונים יכולים להיות מוצגים כגרף רגיל, כמפת צבעים או כחתך המתאר את התפתחות האטמוספרה לאורך שעות, ימים ותקופות ארוכות.

מהו פרופיל אנכי של אירוסולים?

פרופיל אנכי מציג כיצד החלקיקים מפוזרים מהקרקע כלפי מעלה. לדוגמה, מערכת עשויה לזהות ריכוז גבוה של חלקיקים סמוך לפני הקרקע, שכבת אוויר נקייה מעליה ושכבת אבק נוספת בגובה של מספר קילומטרים.

מידע כזה אינו מתקבל בדרך כלל מתחנה קרקעית רגילה. חיישן קרקעי מודד את האוויר המגיע לנקודת המדידה בלבד, בעוד שאירוסול לידר בוחן עמוד אטמוספרי שלם.

הפרופיל האנכי חשוב במיוחד כאשר שכבת אבק, עשן או זיהום נמצאת בגובה ועדיין אינה משפיעה על פני הקרקע. באמצעות ניטור רציף ניתן לעקוב אחר ירידת השכבה, התרוממותה או מעבר שלה מעל אזור המדידה.

ניטור סופות אבק

ישראל והאזור מושפעים לעיתים קרובות מהסעת אבק ממדבריות סמוכים ומאזורים מרוחקים. סופות אבק יכולות לגרום לירידה בראות, לעלייה בריכוזי החלקיקים, לפגיעה באיכות האוויר ולשיבושים בתעופה ובפעילות תשתיות.

אירוסול לידר מאפשר לזהות:

• את גובה שכבת האבק
• את עובי השכבה
• את זמן הגעתה
• את תנועתה לאורך זמן
• את ירידתה לעבר פני הקרקע
• הפרדה בין מספר שכבות
• שינויים במבנה שכבת האבק

שילוב נתוני הלידר עם נתוני תחנות איכות אוויר, מדידות רוח, מודלים מטאורולוגיים ותמונות לוויין מאפשר לקבל תמונה רחבה ומדויקת יותר של אירוע האבק.

ניטור עשן משריפות

עשן משריפות יער, שטחים פתוחים, מתקנים תעשייתיים או שריפות מרוחקות יכול לנוע למרחקים גדולים ולהישאר בגובה במשך זמן רב.

מערכת לידר יכולה לזהות שכבות עשן גם כאשר מקור השריפה אינו נמצא בסביבת התחנה. באמצעות הנתונים ניתן לעקוב אחר חדירת העשן, גובהו, התפשטותו והקשר שלו לתנאי הרוח וליציבות האטמוספרית.

היכולת לזהות עשן בגובה חשובה לצורך:

• הערכת איכות אוויר
• חקר הסעת מזהמים
• ניתוח אירועי שריפה
• מחקר אקלים
• תמיכה במודלים אטמוספריים
• בחינת השפעה אפשרית על תעופה
• מעקב אחר מעבר עשן בין אזורים ומדינות

ניטור איכות אוויר

תחנות איכות אוויר קרקעיות מספקות נתונים מדויקים על ריכוזי מזהמים בנקודת המדידה. עם זאת, הן אינן תמיד מספקות מידע על מקורם האנכי של החלקיקים ועל תנועת השכבות מעל התחנה.

אירוסול לידר משלים את המדידות הקרקעיות באמצעות הצגת ההתפלגות האנכית. שילוב בין שני סוגי המערכות יכול לסייע להבחין בין:

• זיהום מקומי סמוך לקרקע
• שכבת אבק המגיעה מגובה
• עשן מוסע ממקור מרוחק
• שכבה כלואה מתחת להיפוך טמפרטורה
• ערבוב בין שכבות אוויר
• ירידה של אירוסולים מהאטמוספרה העליונה
• התרוממות חלקיקים מפני הקרקע

הנתונים אינם מחליפים בהכרח מדידה כמותית של ריכוזי PM2.5 או PM10, אלא מספקים מידע משלים על המבנה האנכי, התנועה והמקור האפשרי של שכבות החלקיקים.

זיהוי שכבת הגבול האטמוספרית

שכבת הגבול האטמוספרית היא החלק התחתון של האטמוספרה המושפע ישירות מפני הקרקע. גובהה משתנה לאורך היום בהתאם לקרינת השמש, לטמפרטורה, לרוח, ליציבות האטמוספרית ולתנאי השטח.

בשעות היום, חימום פני הקרקע גורם בדרך כלל לערבוב אנכי ולהתרחבות שכבת הגבול. בשעות הלילה, התקררות הקרקע יכולה ליצור שכבה יציבה ונמוכה יותר.

אירוסולים משמשים במקרים רבים כסמנים טבעיים של תהליכי הערבוב. באמצעות ניתוח האות המוחזר ניתן להעריך את גובה שכבת הגבול ולבחון כיצד היא משתנה.

מידע זה חשוב עבור:

• חיזוי איכות אוויר
• ניתוח פיזור מזהמים
• מחקר מטאורולוגי
• הבנת תהליכי ערבול
• שיפור מודלים אטמוספריים
• מחקרי אקלים
• הערכת תנאים לפיזור פליטות

כאשר שכבת הגבול נמוכה ויציבה, מזהמים עשויים להצטבר סמוך לקרקע. כאשר היא גבוהה ומעורבלת, מתאפשר פיזור יעיל יותר בנפח אטמוספרי גדול.

חקר עננים ואינטראקציה בין אירוסולים לעננים

אירוסולים ממלאים תפקיד בתהליכי היווצרות עננים, מכיוון שחלקם יכולים לשמש כגרעיני התעבות שעליהם מתפתחות טיפות מים.

מערכות Cloud & Aerosol LIDAR מאפשרות לבחון הן שכבות אירוסולים והן מבנים הקשורים לעננות. המידע יכול לסייע במחקר הקשר בין ריכוזי חלקיקים, היווצרות עננים, משקעים ומאזן הקרינה.

מערכות לידר יכולות לספק מידע על:

• גובה בסיס ענן
• שכבות עננים
• עננות דקה
• אירוסולים מתחת לענן
• שכבות חלקיקים מעל עננים נמוכים
• התפתחות עננות לאורך זמן
• מעברים בין ערפל, ענן ואירוסול

חשוב להבחין בין אירוסול לידר לבין מד גובה בסיס ענן מסוג Ceilometer. שני המכשירים משתמשים בטכנולוגיית לייזר ובמדידת פיזור לאחור, אך המערכת, אופן העיבוד, טווחי המדידה והמטרה העיקרית עשויים להיות שונים. מדי גובה בסיס ענן מיועדים בעיקר למדידת גובה עננים וראות אנכית, בעוד שאירוסול לידר מכוון יותר לניתוח פרופילים של חלקיקים ושכבות אטמוספריות. מטאו-טק מספקת בנפרד גם מערכות Ceilometer למדידת בסיסי עננים.

יישומי אירוסול לידר במטאורולוגיה

במטאורולוגיה ניתן לשלב את נתוני הלידר עם מדידות מתחנות קרקעיות, רדיוסונדות, מכ"ם מזג אוויר, נתוני לוויין ומודלים מספריים.

השילוב מסייע לחקור:

• יציבות אטמוספרית
• חדירת אוויר ימי
• הסעת אבק
• שכבות היפוך
• ערבוב אנכי
• התפתחות שכבת הגבול
• מעבר חזיתות
• היווצרות עננות
• ערפל
• פיזור מזהמים
• שינויים יומיים ועונתיים באטמוספרה

מערכת המבצעת מדידות אוטומטיות ורציפות יכולה לספק רצף נתונים ארוך, הנדרש להבנת תהליכים שאינם ניתנים לזיהוי במדידה נקודתית או בביקור קצר באתר.

שימוש במערכות אירוסול לידר בתעופה

אירוסולים, עננים, אבק, עשן וראות אנכית עשויים להשפיע על פעילות תעופתית. מערכות חישה מרחוק יכולות לספק מידע משלים עבור שדות תעופה, בסיסים, מנחתים וגופי מחקר בתחום התעופה.

יישומים אפשריים כוללים:

• זיהוי שכבות אבק
• מעקב אחר עשן
• זיהוי עננות
• בחינת ראות אנכית
• תמיכה בניתוח תנאים אטמוספריים
• ניטור מבנה האטמוספרה בסביבת שדה תעופה
• תמיכה במחקרי בטיחות וחיזוי

לצורכי תעופה תפעוליים יש להתאים את סוג המערכת, התקינה, זמינות הנתונים והאינטגרציה לדרישות הגוף המפעיל.

ניטור פליטות תעשייתיות

מפעלים, תחנות כוח, נמלים, מחצבות ואתרי תשתית עשויים לייצר או להסיע חלקיקים לאטמוספרה. מערכת אירוסול לידר יכולה להשתלב במערך ניטור רחב יותר לצורך בחינת התפשטות אנכית של פליטות.

באמצעות שילוב עם נתוני רוח ומודלים לפיזור מזהמים ניתן לבחון:

• גובה פלומה
• תנועת שכבת חלקיקים
• ערבוב אנכי
• השפעת תנאי מזג האוויר
• הסעת פליטות הרחק מהמקור
• אירועים חריגים
• הבדל בין פליטה מקומית לאירוע אזורי

מערכת לידר אינה בהכרח מזהה באופן ישיר את ההרכב הכימי של הפליטה. היא מודדת תכונות אופטיות של החלקיקים ולכן יש לשלב את הנתונים עם מכשור נוסף כאשר נדרש זיהוי של חומר מסוים או מדידת ריכוז כמותי.

מחקרי אקלים וקרינה

אירוסולים משפיעים על האקלים באופן ישיר ועקיף. הם יכולים לפזר או לבלוע קרינת שמש ולהשפיע על היווצרות עננים ועל משך חייהם.

מעקב ארוך טווח אחר אירוסולים מסייע לחקור:

• שינויים עונתיים בעומס האבק
• מגמות רב-שנתיות
• מעבר אירוסולים בין אזורים
• השפעת שריפות גדולות
• אינטראקציה בין אירוסולים לעננים
• השפעה על קרינת שמש
• אירועים אטמוספריים חריגים
• קשר בין תנאי אקלים להתפלגות חלקיקים

לצורך מחקר מקיף ניתן לשלב את מערכת הלידר עם פוטומטר שמש, פירנומטרים, ספקטרורדיומטרים, תחנת מזג אוויר ונתוני לוויין.

היתרונות של מדידת  LIDAR

חישה מרחוק ללא דגימת אוויר בגובה

אין צורך להעלות חיישן פיזי לכל גובה. המערכת מבצעת את המדידה מהקרקע ומספקת מידע על עמוד אטמוספרי נרחב.

פרופיל אנכי רציף

במקום נתון יחיד מתקבל פרופיל המתאר את התפלגות האות בגבהים שונים.

מדידות אוטומטיות

ניתן לבצע מדידות רציפות לאורך זמן ולבחון שינויים בשעות שונות, בעונות שונות ובאירועים מטאורולוגיים משתנים.

רזולוציה אנכית גבוהה

המערכת מאפשרת לזהות שכבות דקות יחסית ולהבחין בין מבנים אטמוספריים שונים. דגמי ALS300 ו-ALS450 המוצגים בקטגוריה מציעים אפשרויות רזולוציה אנכית של 1.5 או 15 מטר, בהתאם לתצורת העבודה.

טווח מדידה רחב

דגם ALS300 מיועד לטווח של עד כ-15 ק"מ, ואילו ALS450 מגיע עד כ-20 ק"מ. בחירת הטווח המתאים תלויה בגובה התופעות הנחקרות, ברגישות הנדרשת ובתנאי האטמוספרה באתר.

שילוב עם מערכות נוספות

ניתן לשלב את הנתונים עם תחנות מטאורולוגיות, מערכות איכות אוויר, מכ"ם, לוויינים, מודלים וציוד מחקר נוסף.

מגבלות שיש להביא בחשבון

למרות יתרונותיה, מדידת לידר מושפעת ממספר גורמים:

• עננים עבים עלולים לחסום את קרן הלייזר.
• ערפל כבד או משקעים יכולים להשפיע על האות.
• טווח המדידה בפועל תלוי בתנאי האטמוספרה.
• האות המוחזר תלוי בתכונות האופטיות של החלקיקים.
• זיהוי חומר מסוים אינו תמיד אפשרי על בסיס עוצמת ההחזרה בלבד.
• נתונים איכותיים דורשים התקנה נכונה ובקרת איכות.
• חלק מהיישומים דורשים אלגוריתמים וניתוח מקצועי.
• יש להתחשב באזור החפיפה הקרוב למכשיר ובגובה המדידה המזערי.

לכן חשוב להגדיר מראש את מטרת המדידה ואת סוג הנתונים הנדרש, ולא לבחור מערכת רק לפי טווח מקסימלי.

דגם ALS300

מערכת ALS300 היא מערכת Micro LIDAR המיועדת למדידת עננים ואירוסולים. היא מתאימה ליישומים שבהם נדרש ניטור של שכבות האטמוספרה בטווח בינוני עד גבוה.

המערכת המוצגת באתר מטאו-טק כוללת:

• טווח מדידה של כ-0.15 עד 15 ק"מ
• רזולוציה אנכית של 1.5 או 15 מטר
• מדידת אירוסולים ועננים
• הפקת פרופילים אטמוספריים
• התאמה לניטור ולמחקר

הטווח הקרוב יותר של ALS300 יכול להתאים ליישומים שבהם חשוב לקבל מידע על שכבות הנמצאות בגובה נמוך יחסית, לצד יכולת לעקוב אחר תופעות המגיעות עד לגובה של מספר קילומטרים.

דגם ALS450

מערכת ALS450 היא מערכת Cloud & Aerosol Micro LIDAR המיועדת למדידות ארוכות טווח יותר.

המערכת המוצגת באתר מטאו-טק כוללת:

• טווח מדידה של כ-0.5 עד 20 ק"מ
• רזולוציה אנכית של 1.5 או 15 מטר
• מדידת שכבות אירוסולים
• זיהוי תופעות בגובה רב
• התאמה למחקר אטמוספרי ולמערכי ניטור מקצועיים

הטווח המוגדל עשוי להתאים למחקרים שבהם נדרש מעקב אחר עננים גבוהים, שכבות אבק, עשן או אירוסולים הנמצאים בגובה רב יותר.

כיצד לבחור בין ALS300 ל-ALS450?

הבחירה צריכה להתבסס על מספר שיקולים.

טווח המדידה הנדרש

כאשר עיקר העניין הוא בשכבות הנמוכות והבינוניות של האטמוספרה, ALS300 עשוי לתת מענה מתאים. כאשר נדרש טווח גבוה יותר, ALS450 מציע יכולת מדידה עד כ-20 ק"מ.

גובה המדידה הנמוך

יש לבדוק מאיזה גובה המערכת מספקת נתונים שימושיים. ALS300 מתחיל בטווח קרוב יותר לעומת ALS450, בהתאם לנתונים המוצגים בקטגוריה.

מטרת המערכת

יש להגדיר האם המטרה המרכזית היא ניטור אבק, איכות אוויר, מחקר עננים, חקר שכבת הגבול, מחקר אקלים או ניטור רב-שימושי.

תנאי האתר

יש להביא בחשבון טמפרטורה, לחות, אבק, קרבה לים, גישה לחשמל, תקשורת, אבטחה ומיקום ההתקנה.

אינטגרציה עם מערכות קיימות

חשוב לבדוק כיצד יועברו הנתונים, באיזה פורמט הם יוצגו והאם הם צריכים להשתלב במערכת בקרה, במסד נתונים או ברשת מחקר קיימת.

עיבוד הנתונים

יש להגדיר האם נדרשים נתונים גולמיים, מוצרים מעובדים, התרעות, תצוגת זמן אמת, גרפים אוטומטיים או ממשק למודלים חיצוניים.

התקנת מערכת אירוסול לידר

בחירת אתר ההתקנה משפיעה ישירות על איכות הנתונים. מומלץ לבחור מיקום שבו שדה הראייה האנכי פנוי וללא עצמים החוסמים את הקרן.

יש להתייחס לנושאים כגון:

• מרחק ממבנים גבוהים
• עצים ומנופים
• מקורות אור חזקים
• רעידות
• אבק מקומי
• גישה לתחזוקה
• אספקת חשמל יציבה
• תקשורת נתונים
• ניקוז מים
• הגנה פיזית
• הארקה והגנה מפני ברקים
• דרישות בטיחות לייזר

יש להקפיד גם על הוראות היצרן, על סביבת הפעלה מתאימה ועל בדיקות תקופתיות של הרכיבים האופטיים.

תחזוקה ובקרת איכות

מערכת לידר מקצועית מיועדת לעבודה ממושכת, אך היא עדיין דורשת תחזוקה ובדיקות.

פעולות אפשריות כוללות:

• ניקוי חלון אופטי
• בדיקת מערכת החימום או האוורור
• בדיקת תקשורת
• אימות שעון המערכת
• מעקב אחר עוצמת האות
• בדיקת רעש רקע
• גיבוי נתונים
• בדיקת אספקת חשמל
• עדכון תוכנה
• בדיקת חריגות בפרופילים
• השוואה למכשירים סמוכים

בקרת איכות שוטפת מאפשרת להבחין בין שינוי אטמוספרי אמיתי לבין תקלה, לכלוך או הפרעה טכנית.

שילוב אירוסול לידר עם תחנה מטאורולוגית

נתוני רוח, טמפרטורה, לחות, לחץ, קרינה ומשקעים מסייעים לפרש את פרופילי הלידר.

לדוגמה:

• שינוי בכיוון הרוח יכול להסביר הגעה של שכבת אבק.
• עלייה בלחות עשויה לשנות את פיזור האור מחלקיקים.
• משקעים יכולים לנקות חלקיקים מהאטמוספרה.
• התחממות הקרקע יכולה להגדיל את גובה שכבת הערבוב.
• היפוך טמפרטורה יכול לכלוא חלקיקים סמוך לקרקע.

לכן במערכי מחקר וניטור מומלץ לשקול התקנה משולבת של לידר ותחנה מטאורולוגית מקצועית.