The Laser Fluorosensor (3/4)

Μέτρηση του πάχους των πετρελαιοκηλίδων

Πολλές ουσίες που είναι παρούσες στα καθαρά νερά παρουσιάζουν χαρακτηριστικές ενδείξεις όταν ακτινοβολούνται με φως λέιζερ. Μία από τις ουσίες αυτές είναι η χλωροφύλλη a, που βρίσκεται σαν χρωστική σε μικρά φύκη, τα λεγόμενα φυτοπλαγκτόν. Εκπέμπει μέρος του απορροφημένου φωτός σαν φθορισμό σε μήκος κύματος 685 nm. Οι πρωτεϊνες είναι συνδεδεμένες με τα βακτήρια και τα φύκη φθορίζουν στο υπεριώδες. Οι υδατοδιαλυτικές χουμικές ουσίες που παράγονται από τα αποσυνθετιμένα φυτά στην ξηρά μεταφέρονται από το νερό του ποταμού στη θάλασσα. Παράγονται και στη θάλασσα, από αποσυνθετιμένα άλγη. Χουμικές ουσίες απορροφούν το φως στο UV και μπλε, ως εκ τούτου φαίνονται κιτρινωπά στο φως της ημέρας και καλούνται κίτρινες ουσίες στις θαλάσσιες επιστήμες. Ο φθορισμός τους καλύπτει όλο το ορατό φάσμα.

Τα υδάτινα μόρια σκεδάζουν το φως. Εκτός από την σκέδαση Rayleigh που προκαλεί το μπλε χρώμα των καθαρών υδάτων στο φως του ήλιου, υπάρχει και μια άλλη επιρροή που ονομάζεται σκέδαση Raman. Η επίδραση Raman χαρακτηρίζεται από μια στροφή εκπομπής προς τα μήκη κύματος που είναι υψηλότερο από τα μήκη κύματος του φωτιστικού φωτός. Έτσι, ο φωτισμός του νερού με μονοχρωματικό φως λέιζερ αποδίδει φάσμα εκπομπής που δείχνει μια χαρακτηριστική κορυφή της σκέδασης Raman, όπως φαίνεται στο παρακάτω γράφημα.

Το φάσμα εκπομπής του δείγματος ύδατος από τη Βόρεια Θάλασσα που φωτίζεται με υπεριώδες φως στα 270 nm μήκος κύματος. Η στενή κορυφή στα 300 nm είναι η σκέδαση Raman των μορίων του νερού. Ο φθορισμός των ουσιών στο νερό είναι φασματικά πολύ ευρύτερος. Στα 340 nm, μπορεί να παρατηρηθεί ο φθορισμός των πρωτεϊνών που είναι δεσμεθμένος στα φύκια και βακτήρια, στα 685 nm, ο φθορισμός της χρωστικής της άλγης χλωροφύλλη a, και ένα πολύ ευρύτερο φάσμα με μέγιστο αριθμό περίπου 450 nm, ο φθορισμός των κίτρινων ουσιών που σχηματίζονται από διαλυμένα οργανικά χουμικά μόρια.

Ανάλογα με τη συγκέντρωση των φυκιών και χουμικών ουσιών, τα σήματα αυτά τηρούνται όταν φωτίζουν την επιφάνεια της θαλάσσης με το φως λέιζερ με τη χρήση λέιζερ fluorosensor σε αεροσκάφος. Εάν πετρέλαιο είναι παρόν στην επιφάνεια του νερού και το στρώμα του δεν είναι πολύ παχύ, η ένταση των σημάτων από το νερό να είναι μειωμένη κατά μερική απορρόφηση στο στρώμα του πετρελαίου. Τα σήματα εξαφανίζονται εάν τα στρώματα του πετρελαίου είναι τόσο πυκνά που το φως λέιζερ απορροφάται πλήρως στο λάδι.

Όπως φαίνεται στο διάγραμμα στα αριστερά, η σκέδαση Raman του νερού παράγει μια χαρακτηριστική στενή αιχμή. Η μέτρηση του ύψους του επιτρέπει να υπολογίσουμε το πάχος του στρώματος του πετρελαίου στην επιφάνεια του νερού. Λόγω της υψηλής απορρόφησης της υπεριώδους ακτινοβολίας στο λάδι, οι στρώσεις με πάχος μικρομέτρων μπορούν να αναλυθούν, όπως φαίνεται στο παρακάτω γράφημα.

Η σκέδαση Raman καθαρού (δηλαδή, χωρίς φθορισμό) νερού στην απουσία του πετρελαίου (0 μm) κατά τον φωτισμό από ψηλά με ακτινοβολία λέιζερ 308 nm μήκος κύματος, όπως και με λέιζερ fluorosensing πάνω από τη θάλασσα. Η ένταση Raman μειώνεται με την αύξηση του πάχους της στρώσης λαδιού (σε μm) στην επιφάνεια του νερού. Ταυτόχρονα, ο φθορισμός αυξάνεται στο πετρέλαιο. Δεν φάινεται πλέον ένδειξη Raman στο νερό σε στρώση λαδιού με 8μm πάχος. Αυτό αποδεικνύει ότι το φως λέιζερ δεν διαπερνά πλέον την στρώση του πετρελαίου.

Θα μάθετε περισσότερα σχετικά με τις μοριακές ιδιότητες της σκέδασης Raman στο συμπλήρωμα 3 του κεφαλαίου 7 του μαθήματος για την Τηλεπισκόπηση με Λέιζερ.

Η θεωρία των σημάτων του lidar από στρωματοποιημένες δομές όπως είναι οι στρώσεις του πετρελαίου στο νερό παρέχεται στο Συμπλήρωμα 1 του κεφαλαίου 7 του μαθήματος Τηλεπισκόπηση με Λέιζερ.