Análise de fluxo de poeira por Doppler lidar de baixa coerência

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 4086 (2023) Citar este artigo

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A visualização do fluxo de poeira e da dinâmica do vento próximo à superfície do solo é essencial para a compreensão da mistura e interação entre a geosfera e a atmosfera próxima à superfície. Conhecer o fluxo temporal de poeira é benéfico para lidar com a poluição do ar e problemas de saúde. Os fluxos de poeira próximos à superfície do solo são difíceis de monitorar devido à sua pequena escala temporal e espacial. Neste estudo, propomos um Doppler lidar de baixa coerência (LCDL) para medir o fluxo de poeira próximo ao solo com altas resoluções temporais e espaciais de 5 ms e 1 m, respectivamente. Demonstramos o desempenho do LCDL em experimentos de laboratório utilizando farinha e partículas de carbonato de cálcio liberadas no túnel de vento. Os resultados do experimento LCDL mostram uma boa concordância com a medição do anemômetro em velocidades de vento variando de 0 a 5 m/s. A técnica LCDL pode revelar a distribuição da velocidade da poeira, que é afetada pela massa e pelo tamanho das partículas. Como resultado, diferentes perfis de distribuição de velocidade podem ser usados ​​para determinar o tipo de poeira. Os resultados da simulação do fluxo de poeira coincidem bem com os resultados experimentais.

Os fluxos de poeira são ativos perto da superfície do solo, onde o fluxo do vento é complexo. É importante para compreender a mistura e a interação entre a geologia e a atmosfera superficial. A dispersão da poeira depositada na superfície do solo é um grande problema não só para a conservação ambiental, mas também para a saúde humana, como doenças respiratórias, e para a poluição do ar por poeira antropogênica em áreas urbanas1,2,3. Em particular, o fluxo de poeira na baixa atmosfera é complicado pela topografia e pelas estruturas. O comportamento da poeira espalhada no campo é acentuado. Ao visualizar os ventos urbanos locais entre os edifícios, chamados de desfiladeiros de rua4, a distribuição do fluxo de poeira na área local pode ser prevista e o seu impacto compreendido nas áreas residenciais. Perto da superfície da atmosfera, certos obstáculos, como montanhas e edifícios, bloqueiam e alteram drasticamente o fluxo de poeira. A alta atmosfera, por outro lado, tem poucos obstáculos e o fluxo de poeira é um tanto gradual. O fluxo do vento na atmosfera depende da altitude5. Quanto maior a altitude, maior é a massa da célula de ar, e a atmosfera superior vertical tem maior escala espacial e temporal6. A forte demanda por medições de fluxo de vento tem sido na atmosfera superior vertical do ponto de vista da segurança para decolagem e pouso de aeronaves e controle eficiente de usinas eólicas7,8. Anemômetros do tipo hélice, radiossondas, sodars Doppler e lidars Doppler são usados ​​para medições de vento9,10,11,12. Anemômetros in-situ requerem sua instalação no espaço de medição, embora possam alterar o próprio campo de vento. O Doppler sodar e o Doppler lidar, por outro lado, podem adquirir remotamente as informações do vento na medição . Eles são eficazes para medições de campos eólicos de longa distância15. O Doppler lidar é instalado em aeroportos e mede a atmosfera superior vertical em uma ampla faixa de medição de 200 m a vários quilômetros por um longo período de vários minutos, de acordo com a grande escala espacial e temporal da atmosfera . O Doppler lidar montado na nacela é instalado em usinas eólicas e mede a atmosfera horizontal19. A resolução espacial da medição ainda é de várias dezenas de metros. Os amostradores de poeira convencionais coletam poeira por um determinado período de tempo. No entanto, este método não pode produzir informações em tempo real sobre o transporte de poeira. O sensoriamento remoto é a melhor opção para detectar poeira próxima ao solo, uma vez que o campo de vento não é perturbado durante a medição20,21. Medições de alta resolução e alta velocidade são critérios essenciais para detectar poeira e aerossóis próximos ao solo. O atual Doppler lidar convencional não consegue capturar o fluxo de poeira localizado e em constante mudança próximo ao solo, uma vez que a baixa atmosfera tem uma pequena escala espacial e temporal de alguns segundos e metros. A velocimetria de rastreamento de partículas usando lasers de folha também está disponível, mas não fornece resultados quantitativos. Apresenta limitações significativas, como a necessidade de ambientes escuros, e não é conveniente para uso em campo22,23,24. Neste artigo, desenvolvemos um Doppler lidar de baixa coerência (LCDL) apontando horizontalmente com altas resoluções espaciais e temporais de 1 m e 5 ms, respectivamente, para medir o fluxo de poeira local. LCDL é um tipo de interferômetro óptico de baixa coerência. Um sinal de interferência é obtido somente quando a diferença do comprimento do caminho óptico entre os caminhos de referência e de medição corresponde ao comprimento de coerência. Além disso, para monitorar mudanças repentinas no fluxo de poeira, o tempo de integração é reduzido para milissegundos para medição em alta velocidade. Os objetivos deste artigo são: (1) projetar e desenvolver o conceito do sistema LCDL, (2) verificar o desempenho do sistema LDCL e (3) aplicar este método a diferentes dispersores e avaliar a distribuição de velocidade dos dispersores.