Black carbon aerosol number and mass concentration measurements by picosecond short-range elastic backscatter lidar
Mesure de la concentration en nombre et en masse d'aérosol de carbone suie par lidar picoseconde à rétrodiffusion élastique à courte portée
Résumé
Black carbon aerosol emissions are recognized as contributors to global warming and air pollution. There remains, however, a lack of in-situ techniques to remotely quantify black carbon aerosol particles with high range and time resolution. This article presents for the first time, to our knowledge, a direct and contact-free remote measurement of black carbon aerosol number and mass concentration less than ten of meters from the emission source. This is done with a novel picosecond short-range elastic backscatter lidar (PSR-EBL) technique. To address the complexity of retrieving lidar products at short measurement ranges, we apply a forward inversion method featuring radiometric lidar calibration. Our method is based on an extension of a well-established light-scattering model, the Rayleigh-Debye-Gans for Fractal-Aggregates (RDG-FA) theory, which computes an analytical expression for lidar parameters. These parameters are the backscattering cross-sections and the lidar ratio for black carbon fractal aggregates. Using a small-scale Jet A-1 kerosene pool fire, it is shown that our technique can quantify the aerosol number and mass concentration with centimetre range-resolution and millisecond time-resolution.
Les émissions d'aérosols de carbone noir sont reconnues comme contribuant au réchauffement climatique et à la pollution de l'air. Il reste cependant un manque de techniques pour quantifier à distance les particules d'aérosol de noir de carbone avec une plage et une résolution temporelle élevées. Cet article présente une technique à distance directe et sans contact pour quantifier le nombre d'aérosols de carbone noir et la concentration massique à quelques mètres de la source d'émission. Cela se fait à l'aide de l'instrument Colibri basé sur une nouvelle technique, appelée ici Picosecond Short-Range Elastic Backscatter Lidar (PSR-EBL). Pour faire face à la complexité de la récupération des produits lidar à de courtes plages de mesure, nous appliquons une méthode d'inversion directe avec étalonnage radiométrique du lidar. Notre méthode est basée sur une extension d'un modèle de diffusion de la lumière bien établi, la théorie Rayleigh-Debye-Gans for Fractal-Aggregates (RDG-FA), qui calcule une expression analytique des paramètres lidar. Ces paramètres sont les sections efficaces de rétrodiffusion et le rapport lidar pour les agrégats fractals de carbone noir. À l'aide d'un feu de nappe de kérosène Jet A-1 à petite échelle, nous démontrons la capacité de la technique à quantifier le nombre d'aérosols et la concentration en masse avec une résolution centimétrique et une résolution temporelle en millisecondes.
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