for the degree of Physicist - ETH E

Diss.
ETH No 7755
DIAGNOSIS OF THE ATMOSPHERE THROUGH OPTICAL MEASUREMENTS PERFORMED
WITH A MOBILE
STATION.
submitted
A dissertation
SWISS FEDERAL
to
the
INSTITUTE OF TECHNOLOGY ZURICH
degree of
for the
Doctor of Natural
Sciences
presented by
Heimo Alain
Physicist
born 21-03-1948
citizen of
accepted
Prof.
Dr.
C.
1985.
Dr.
Fribourg
on
the
H.U.
and Oberschott
recommendation of
Diitsch, examiner
Frbhlich,
co-examiner.
-
iii
SUMMARY
study is based on the two fundamentally different interactions be¬
tween light and matter: absorption and scattering, leading to the ex¬
This
tinction of the incident
wave.
Chapter 1 presents the theoretical backgrounds needed to understand
the basic properties of the radiation field in the atmosphere.
Chapter 2 describes the instruments used. A few basic results concer¬
ning the non-spectral measurements which are more dedicated to solar
energy applications are presented in chapter 3.
Chapter 4 deals with the properties of the physical interactions tak¬
ing place when photons of light traverse the atmosphere. The problem of
spectral extinction in the near UV, visible and near IR is first handled,
leading to values of the total optical depth which in turn can be split
into three components:
-
-
-
Rayleigh optical depth, due to scattering by particles with radii
much smaller than the wavelength of the incident light,
depth, due to the absorption of
Chappuis absorption band,
Ozone optical
Aerosol
of the
optical
depth, due
order of
same
to
magnitude
the
as
ozone
in
the weak
scattering by particles with
the incident wavelength.
radii
optical depth depends on its absorption characteristics
obtained by laboratory measurements, and on its total content
in the atmosphere. A method for the retrieval of the ozone content based
The
ozone
which
on
are
of the
measurements
total
depth is presented.
optical
the Rayleigh and ozone absorption characteristics, the aerosol
depth is computed. Departures from the "classical" power law be¬
haviour lead to the determination of a more representative relationship
for the parametrisation of the aerosol extinction.
Knowing
optical
optical depth as function of wave¬
by the shape of the size distribution of the
Since the behaviour of the aerosol
length
mainly
is
particles,
tical
an
depth by
caused
attempt to retrieve this information from the aerosol
an inversion method is discussed.
op¬
direct beam is only one aspect of the interaction of
radiation with the atmosphere. Chapter 5 deals with the scattering pro¬
cesses yielding diffuse sky radiance and depending on the kind of par¬
Extinction of the
ticles
tion
cal
involved.
are
too
method
allowing
sky conditions
An
extended
As
the mathematical
methods
complicated to be applied
at
on
used
for their determina¬
operational
bases,
an
empiri¬
simulation of the
three
instrument
wavelengths
radiance distribution for clear
is derived.
package yielding
more
information
erties of atmospheric radiation is proposed in chapter 6.
on
the
prop¬
-
iv
-
RESUME
distinctes d'interactions entre la lumiere et la matiere,
1'absorption et la diffusion, entrainent 1'extinction de l'onde lumineuformes
Deux
incidente.
se
Le chapitre
1 presente
comprehension des
les
bases
theoriques necessaires
a
la bonne
proprietes fondamentales du champ radiatif dans 1'at¬
mosphere.
instruments de
Les
2.
mesure
Quelques resultats
dediees
a
illustres
a
disposition sont decrits dans le chapitre
concernant
des applications
dans
les
le
informations non-spectrales plutot
de l'energie sol aire sont
domaine
dans le chapitre 3.
Le chapitre 4 est consacre a 1'etude des caracteristiques des interac¬
tions physiques qui ont lieu lorsoue des photons lumineux traversent
1'atmosphere. Le probleme de 1'extinction spectrale dans le proche UV,
le visible et le proche IR est d'abord aborde, menant a la determination
de la profondeur optique totale. Celle-ci peut etre decomposee en:
,
-
-
-
profondeur optique de Rayleigh causee par la diffusion par des particules dont le rayon est tres petit compare a la longueur d'onde de
la lumiere incidente,
profondeur optique due a Vabsorption
bande d'absorption de Chappuis,
par
1'ozone dans la faible
profondeur optique des aerosols provenant de la diffusion par des
particules dont le rayon est du meme ordre de grandeur que la longueur
d'onde de la lumiere incidente.
La profondeur optique
sorption de
dans 1'atmosphere.
basee
sur
les
due
a
1'ozone depend des caracteristiques d'ab¬
gaz, qui sont obtenues
ce
laboratoire,
en
Une methode de determination de
mesures
de la profondeur optique
et
de
la teneur
son
en
contenu
ozone
spectrale totale est pre¬
sentee.
Connaissant les caracteristiques de la diffusion Rayleigh et de V ab¬
sorption par 1'ozone, la profondeur optique due aux aerosols est calcudeviations par rapport a un comportement "classique"
la proposition d'une relation plus representative pour sa parame-
lee.
L'etude de
mene
a
ses
trisation.
Le
comportement de la orofondeur optique due aux aerosols en fonction
longueur d'onde est determine principalement par la distribution
de la
de taille
des
particules. Une tentative d'obtenir cette information
partir de la profondeur optique par
est discutee.
une
a
methode mathematioue d'inversion
L'extinction de la composante directe n'est qu'un aspect de 1'interac¬
tion entre le rayonnement et 1'atmosphere. Le chapitre 5 est consacre au
processus de diffusion responsable de la radiance atmospherioue et de¬
pendant des proprietes des particules impliquees. Comme les methodes
mathematiques generalement utilisees pour sa determination sont trop
compliquees pour etre appliquees de fagon ooerationnelle, une methode
empirique permettant la simulation de la distribution angulaire de la
radiance par temps clair pour 3 longueurs d'onde est develoopee.
Dans le but d'obtenir plus
d'informations
rayonnement atmospherique,
chapitre 6.
une
sur
extension des
les caracteristiques
du
instruments est proposee
au