Blog poświęcony popularyzacji badań klimatycznych

Instrumenty

czwartek, 02 września 2010

To jest odcinek dlla Gospodyń Domowych.  Przez wiele lat ogólną cyrkulację atmosfery badano w obracającej się miednicy. Wystarczy postawić miednicę na obracającym się stole, podgrzać obramowanie i oziębić środek a wytworzą się dziwaczne fale, które nazywa się falami Rossbiego a przypominają fale jakie tworzą się w atmosferze.  Jeżeli stół obraca się wolno to w miednicy nie będzie żadnych fal tylko przepływ od obramowania do środka (cyrkulacja Hadleya). Natomiast jeżeli zmienimy prędkość obracania się miednicy to fale zmienią swój charakter, np będzie mniej dolin i gór.  Jeżeli do miednicy wstawi się klocek, to woda zaczyna opływać ten klocek i tworzą się zawirowania takie jak za górami. Można ten klocek zwiększyć i wtedy zamiast Karkonoszy mamy Himalaje. O co tu chodzi? Ogrzewanie obramowania miednicy to tak jak ogrzewanie atmosfery przez Słońce na równiku, a oziębianie to sytuacja taka jak  na biegunie. Ziemia obraca się, tak jak ten obracający się stół. Przepływ ciepła z jednego miejsca do drugiego może mieć różny charakter. Przy małych różnicach temperatur (tak jak dla przykładu w lecie na Ziemi) pomiędzy brzegiem miednicy i środkiem przepływ ciepła jest bezpośredni, ale dla większych różnic temperatury efektywniej jest przekazywać ciepło za pomocą fal.  Takie analogowe eksperymentu mają długą historię w fizyce, czasami buduje się zmniejszone modele mostów czy budynków, które testuje się w tunelu, w którym wieje wiatr. Idea polega na tym, że most jest wprawdzie mniejszy, ale dmuchamy na niego powiedzmy szybciej, tak że kombinacja rozmiaru mostu i warunków zewnętrznych, powinna być podobna do tego co prawdziwy most napotka w przyrodzie. Inżynierowie wprowadzają pewne kombinacje parametrów fizycznych – wielkości, prędkości, różnicy temperatur, które starają się zachować przez przeskalowaniu problemu. Czasami tym parametrów jest kilkanaście.    Analogowe modele atmosfery, czyli ekperymenty w miednicy, prowadzone były na szeroką skalę w Uniwersytecie w Chicago przez Dawida Fultza od mniej więcej 1946 roku.  Początkowo działo się to pod okiem Rossbiego, którey stworzył  jeden z najlepszych wydziałów meteorologicznych w tym czasie.  Jeszcze przez wiele lat po wojnie, aż do lat 1980  istniało laboratorium  i kiedyś specjalnie się tam wybrałem i miałem przjemność zwiedzać laboratorium w podziemiach budynku gdzie mieścił się wydział fizyki atmosfery. Po śmierci Fultza stoworzono laboratorium jego imienia
http://geosci.uchicago.edu/~nnn/LAB/

 

i do tej pory studenci uczą się tam geofizycznej mechaniki cieczy na podstawie eksperymentów jakie zapoczątkowano 70 lat temu. Obecnie modelowanie atmosfery Ziemi jest przeprowadzane za pomocą modeli cyfrowych a nie analogowych. Przyczyną jest to, że trudno w miednicy wymodelować deszcz. Ale o tym kiedy indziej.

poniedziałek, 30 sierpnia 2010

Własnie wczoraj wróciłem z eksperymentu przeprowadzanego na Florydzie w okolicach Przylądka Canaveral, z którego startują (a własciwie startowały) wahadłowce kosmiczne. Pracowałem m.in. ze studentem z Instytutu Geofizyki Uniwersytetu Warszawskiego (DB)  z potężnym radarem, malutkim radarem deszczowym i lidarem mikropulsowym. 

W wolnej chwili staraliśmy się opracować nowy instrument do zdjęć nieba oparty na koncepcji zszywania zdjęć, czyli robienia panoramy. Ponieważ, każdy może taką kamerą zrobić  to opisuję o co chodzi. Sama technika jest możliwa dzięki rozwojowi cyfrowych aparatów fotograficznych i gwałtownemu (w ostatnich latach) rozwojowi oprogramowania do cyfrowego zszywania zdjęć. W fotografii cyfrowej techniki zdjęć panoramicznych są obecnie przedmiotem fascynacji i pobijane są rekordy w robienu największych panoram - niedawno ktoś zrobił zdjęcie Budapesztu o olbrzymiej rozdzialczości składając kilka tysięcy zdjęć w jedno (wielkości 70Gbyte).   Pozwala to na przechodzenie od panoramy całego miasta do skali ulicy, domu, czy klamki w drzwiach.  Można też popatrzeć na zdjęcie w wybranym kierunku. Jak to się robi? Po piewsze potrzebny jest cyfrowy aparat fotograficzny, może być najprostszy. Drugim składnikiem jest specjalna platforma do robienia serii kiludziesięciu zdjęć w sposób automatyczny.  Można kupić specjalne urządzenie, które obraca się wokół dwóch osi i samoczynnie naciska spust aparatu  fotograficznego. My używaliśmy do tego  „gigapan"
http://www.gigapansystems.com/

które pozwala na robienie  kilkudziesięciu zdjęć w przeciągu kilku minut. Ma pewne ograniczenia – nie można panoramy powtórzyć automatycznie i nie powinno znajdować się na deszczu. W związku z tym kupiliśmy w sklepie z artykułami technicznymi  szklaną miskę do zlewozywaka, którą przewróciliśmy do góry nogami, tak żeby stanowiła osłonę przed deszczem. Po wykonaniu serii zdjęć trzeba całość zszyć. Zdjęcia muszą się przekrywać, tak żeby na kolejnym zdjęciu około 20-30% obrazu zachodziła na siebie. Oprogramowanie odkrywa to automatycznie. Jest wiele najrozmaitsztych programów do łączenia zdjęć. Jeden z najbardziej znanych nazywa się PTGui
http://www.ptgui.com/

na stronie PTGui można zobaczyć jak przebiega process zszywania zdjęć. My używaliśmy programu, który przychodzi z “gigapanem”, i jest specjalnie dostosowany do zszywania uporządkowanej serii zdjęć. Poniżej jest zdjęcie prototypu. Nazywa jest "PSSI" (Panoramic, Shielded, Sky Imager).

 

 

 

 

 

 

 

 

piątek, 14 maja 2010

Dziś blog dla eksperymentatorów, czyli jak zbudować kamerę poklatkową,  która mierzy zachmurzenie.  To będzie techniczne, tylko dla wariatów-meteorologów.  Na koncu jest pomysł na  magisterium. Całość jest trochę rozwinięciem artykułu jaki napisałem na wikipedii
http://pl.wikipedia.org/wiki/Kamera_całego_nieba

 

 

Zacznijmy od tego, że kamerę całego nieba można zbudować z dwóch garnków,  kołpaku (przykrywki)  na koła, i dość taniego aparatu fotograficznego (patrz zdjęcie).  Zwykłym aparatem można zrobić fotografię nieba.  Jest tu jednak kilka problemów: (1) żeby ocenić zachmurzenie w czasie dnia trzeba zdjęcia robić co kilkanaście minut, (2) zwykłą kamerą daje się zrobić fotografię tylko części nieba, (3) słońce świeci na tyle mocno, że prześwietla część fotografii blisko słońca, (4) kontrast pomiędzy chmurami a niebem może być mały. Wszystkie te problemy daje się stosunkowo prosto rozwiązać.  Zdjęcia co kilka minut daje się zrobić automatycznie cyfrowymi aparatami fotograficznymi, a dokładniej – prawie wszyscy amatorzy używają do tego kamer Canona. 

 

 

Najtańszym rozwiązaniem jest zainstalowanie programu obsługującego kamerę na karcie pamięci – tej gdzie normalnie są gromadzone zdjęcia.  Działa to niezwykle, kamera staje się swojego rodzaju minikomputerem i można ją automatycznie ustawić tak, żeby robiła zdjęcia co kilka lub kilkanaście minut.  To oprogramowanie nic nie kosztuje i nazywa się CHDK – czyli, w bardzo wolnym tłumaczeniu,  „Programy do obsługi aparatu Canona” 

http://chdk.wikia.com/wiki/CHDK

Następny problem to zrobienie zdjęć całego nieba.  Najłatwiej "wywrócić problem do góry nogami" i skierować kamerę w dół na objekt, który skupia w sobie całe niebo.  Świetnie się do tego nadają metalowe kołpaki (ang. hubcap) na koła TIRów.  Mają średnicę kilkunastu centymetrów, świetnie odbijają, i są wypukłe.    Nazywają się „baby moons” czyli „małe księżyce”.

 

Następnym problemem jest słońce, które może prześwietlić cześć zdjęcia jeżeli kamerę ustawimy na "automatyczne".  Rozwiązanie jest szalenie proste i zarazem sprytne i opiera się na technice cyfrowej.   Wystarczy zrobić szybko kilka zdjęć z różnym czasem lub przesłoną  i złożyć te zdjęcia w jedno.  Metoda daje fotografię o dużej dynamice (HDR)
http://pl.wikipedia.org/wiki/High_dynamic_range_imaging  

Ostatni problem jest trudny ale nie jest konieczny do wykonania.  Opisuje go, bo to ciekawy problem optyki atmosfery.  Ze względu na rozpraszanie światła niebo jest często „mleczne”  („zamglone”) w świetle widzialnym i kontrast pomiędzy chmurami i  czystym niebem jest mały. Można zwiększyć kontrast poprzez robienie zdjęć w podczerwieni.  Nieprawdopodobne przykłady zmiany kontrastu chmur pokazane są tutaj
http://ghonis2.ho8.com/rebelmoddaytime.html 

Można kupić odpowiednie filtry fotograficzne, które pozwalają robić fotografie tylko w podczerwieni. Niestety cyfrowe aparaty fotograficzne Canona mają wbudowane filtry (tzw „gorący filtr”), które przesłaniają obszar podczerwieni. Tutaj trzeba się pogimnastykować i wymienić filtr wewnątrz kamery na kawałek szkła typu „pyrex” (czyli przepuszczającego zarówno w świetle widzialnym jak i w podczerwieni).

Ostatni problem jest już algorytmiczny – jak ze zdjęcia zmierzyć zachmurzenie?   Wiele programów do manipulacji zdjęciami fotograficznymi ma możliwość znalezienia obszarów o pewnym zakresie kolorów. Podobną technikę można zastosować do oceny odcieni szarości (chmury) względem niebieskiego nieba.

A teraz obiecany pomysł na magisterium. Można technicznie zrobić sieć kamer cyfrowych i połączyć zdjęcia poprzez ich „zszywanie” - istnieją techniki panoramiczne tego typu. Dzieki temu dałoby się ocenić zachmurzenie na obszarze „mezoskalowym” (kilkanaście kilometrów)  i porównać z ocenami satelitarnymi lub modelami mezoskalowymi.  Nie znam za wiele prób tego typu.

czwartek, 06 maja 2010

A tutaj sprawozdzanie z pierwszysch dni z pomiarów na japonskim statku Mirai. Warto może zorientować jak są robione pomiary na morzu. część z tych pomiarów dotyczy badań klimatycznych oceanu - w tym przypadku sieci pomiarowej Argo. Ten email pokazuje troche "kuchni" - jak sie robi pomiary, które po jakimś czasie są używane do oceny zmian klimatycznych.

Dzien Dobry,
 
Nie mam tu stałego dostępu do internetu. Nawiązują polączenie raz na godzinę zeby odebrać i wysłać dane i maila, wiec skype ani nawet żaden chat nie zadziała. Dopoki tu jestem mam jednak adres mailowy na Mirai dopisany do mojej kajuty.
 
Wczoraj wypłyneliśmy. Dzisiaj umieścilismy pierwsze Argo w oceanie. Oni [na statku MIRAI] używaja urządzeń zrobionych przez niemiecka firme Optimal, choć sama sonda jest ze Scripps. Wcześniej umieścili już jeden instrument i były z nim problemy. Parkowal na 200dbar, zamiast na 500, robił zły profil, bo od 100dbar lecial od razu do powierzchni i do tego nie przekazywał pozycji. Słowem spory problem. Jest tu inżynier z Niemiec który próbuje rozwiazac ten problem. Zmienił czujnik GPS, dodał balastu (smiesznie to brzmi zważając że dorzucil tam 15 kuleczek 10g wagi każda), zresetowal firmware. Profilator dzisiaj wypuszczony powinien jutro rano skomunikować sie po raz pierwszy. Jutro też wypuszczamy drugie urzadzenie. Jezeli te nie zadziałaja to projekt wypuszczenia kolejnych zostanie wstrzymany.

Zanim wypuszczamy Argo sa jeszcze 2 pomiary. Robią CTD do 500m i wypuszczaja coś co się nazywa micro structure profiler. Póki co dopiero testuja to urzdzenie. Za jego pomocą można mierzyć turbulencję w oceanie. Ma rodzielczość rzedu 1cm (tak mi powiedzial Yamada, choć nie był tego do końca pewny).  Mają też kilka innych projektów,  które tu realizują. Mają radar dopplerowski, radar chmurowy (95GHz +/- 5MHz modulacji), lidar mikroimpulsowy (chyba 532nm czy jakoś tak). No i standardy czyli wiatr, temperatura i wilgotność powietrza, promieniowanie – słoneczne i podczerwone, pomiar AOT (automatyczny, mają sun tracker, choć nie wiem jak sobie radzą z chmurami). Robią też 4 razy na dzien sondaż aerologiczny.
Jest tez grupa która coś robi z jakimiś insektami i napięciem powierzchniowym. Generalnie są bardzo mili więc mogę wciskać nos praktycznie wszędzie tam gdzie się coś dzieje, choć jest pewna bariera językowa – słabo raczej mówia po angielsku. Nie wszyscy naturalnie, choć swobodna komunikacja z większościią jest dość ciężka.
 
Jest tu tez gość – Masaki Katsumata. On bedzie PI na Mirai w czasie DYNAMO. 

Ogólnie jest miło. Bardzo nie buja (mają też taki wielki stabilizator na najwyzszym pokladzie, który porusza sie przeciw fali – można go obserwować na telewizorze) i jedzenie jest bardzo dobre (choc poslugiwanie sie paleczkami sprawia mi jeszcze nie jaki problem, ale sie ucze).
 
Pozdrawiam
 
Darek

PS Trochę wyjaśnień o co tutaj chodzi dla osób, które nie są oceanografami lub meteorologami. Email używa wielu  akronimów i wyrażeń typowych dla naukowego żargonu. 

AOT - atmosferyczna grubość optyczna to jest pomiar ile jest cząstek zawieszonych w atmosferze. Wykonywany jest instrumentem, który śledzi słońce. Jest to trudne na statku, który się cały czas "kiwa". Łatwiej taki pomiar zrobić na lądzie, ale i tutaj chmury są czasami problemem, bo wtedy nie widać słońca.  Z drugiej strony jak jest duża pokrywa chmur to i tak taki pomiar nie ma sensu bo chmury maskują efekt cząstek zanieczyszczeń.

CTD  (conductivity, denisty, temperature) - to jest pomiar temperatury, ciśnienia  i zasolenia wody, który robi się z instrumentów opuszczanych ze statku na linie. Podobne pomiary z instrumentów, które opadają i juz nie są wybierane z wody nazywa się XBT.  Dla meteorologów: CTD, XBT są odpowiednikiem sondaży aerologicznych.

dbar - decybar, czyli jednostka ciśnienia. 1dbar odpowiada około 1m słupa wody.

Sondaż aerologiczny - pomiar temperatury, ciśnienia, wilgotności, prędkości i kierunku wiatru za pomocą balonów w atmosferze. Odpowiednikiem sondażu aerologicznego jest CTD. Odpowiednikiem wilgotności w atmosferze jest zasolenie w wodzie.

Lidar - to taka duża latarka, bardzo szybko migocacą  (no, w rzeczywistości pulsujace światło laserowe). W tym przypadku w kolorze zielonym (czyli w długości fali świetlnej ok. około 520 nanometra). Używany jest do oceny grubości warstwy dobrze wymieszanej w atmosferze, do oceny położenia chmur  i rozkładu zanieczyszczeń w atmosferze.

Radar chmurowy - mierzy wielkość i rozkład kropli wody w chmurach. 95GHz to częstotliowść wysyłanej fali w mikrofalach, natomiast modulacja  5MHz daje możliwość oceny rozkładu kropli wody z wysokością nad poziomem oceanu.

Balast sondy Argo i dodawanie małych ciężarków. Chodzi o to, że ta sonda ma neutralną wyporność (myśl o prawie Archimedesa). Tak, że dodanie małego nawet obciążenia powoduje, że sonda się zanurza. Własnienie ta neutralna wyporność sondy daje możliwość zmniejszania i zwiększania jej wyporności i automatyczne zanurzanie i wyniurzanie (patrz poprzedni wpis o sondach Argo).