Infraroodtechniek: elektro-optische metingen aan de atmosfeer (project OPAQUE) (1977-1981)

Elektro-optische metingen aan de atmosfeer (project OPAQUE)

Projectdoel en -opzet

Aan het eind van de zeventiger en begin tachtiger jaren van de vorige eeuw werden in het kader van de Nederlandse bijdrage aan het NAVO project OPAQUE (OPtical and Atmospheric QUantities in Europe) elektro-optische metingen aan de atmosfeer uitgevoerd. Het OPAQUE programma hield in, dat er voor het eerst een effectieve statistische studie werd uitgevoerd met overeenkomstige metingen naar het waarnemen in zowel het zichtbare als infrarode golfgebied. Terwijl er al een groot aantal studies was uitgevoerd naar elektro-optische (EO) grootheden bij verschillende meteorologische condities, was het OPAQUE project het eerste uitgebreide bijeenbrengen van deze grootheden bij overeenkomstige waarnemingen. De meetperiode voor OPAQUE gold voor ten minste twee jaar. Een aantal OPAQUE stations, waaronder het Nederlandse, slaagden er in om voor een langere tijd deze waarnemingen uit te voeren. Het OPAQUE programma werd georganiseerd door de leden van de Defence Research Group of the North Atlantic Council NATO. Een reeks Research Study Groups (RSGs) van dat comité ontwikkelde het gezamenlijke meetprogramma voor het Europese gebied. De landen die aan het project deelnamen waren: Canada, Denemarken, Bondsrepubliek Duitsland, Frankrijk, Italië, Nederland, Groot-Brittannië en de Verenigde Staten van Amerika. RSG-3 van Panel III, Sky and Terrain Radiation, liet het oorspronkelijke voorstel om het OPAQUE programma in november 1973 te laten beginnen varen vanwege de te korte voorbereidingstijd.

OPAQUE meetstations
OPAQUE meetstations

OPAQUE meetstations:

  • DK, CAN: op het Deense eiland Lolland werd door Denemarken en Canada een meetstation ingericht. Deze lag slechts enkele honderden meters vanaf de kust.
  • VS, DU: meetstation Meppen in Duitsland nabij de Nederlandse grens was ingericht door de VS en West-Duitsland.
  • NE: Op het voormalige vliegveld Ypenburg werd dit station ingericht als een “urban environment” meetstation.
  • DU: Deze meetplaats was door de Duitse deelnemers ingericht op een hoogte van 750 m in Zuid-Duitsland op de Schwäbische Alb ten zuiden van Tübingen.
  • FR: station Bruz werd op het terrein van het CELAR (Centre d’Electronique de l’Armement) in Bretagne ingericht.
  • VK: station Christchurch was aan de Engelse zuidkust tussen Christchurch en Bournemouth gesitueerd.
  • IT: station Trapani werd op een afgelegen plaats op het vliegveld Birgi bij Trapani (Sicilië) gesitueerd op slechts enkele honderden meters van de kust met een meestal uit zee komende windrichting.

De resultaten bij het gebruik van elektro-optische waarnemings- en richtmiddelen (helderheidsversterkers, thermische infrarood- en lasersystemen) wordt onder andere beïnvloed door de eigenschappen van de atmosfeer en de omgeving. Om deze beïnvloeding numeriek te kunnen bepalen werd het meetprogramma OPAQUE opgezet en uitgevoerd. Verspreid over West-Europa werden zeven meetplaatsen ingericht (zie figuur), waar de relevante parameters van de atmosfeer en de omgeving werden gemeten. Deze metingen werden elk uur, gedurende vier minuten, zowel overdag als ’s nachts op overeenkomstige zonnetijden uitgevoerd.

Luchtopname van het (voormalige) vliegveld Ypenburg (in 2003)
Luchtopname van het (voormalige) vliegveld Ypenburg (in 2003)

Er was een minimaal meetprogramma opgesteld dat op elke meetplaats moest worden gemeten. Naast specifiek optische parameters (transmissie, helderheidsniveaus, verstrooiingseigenschappen, enz.) werden de meteoparameters gemeten om het verband met deze weersgegevens te bestuderen. Omdat de meetplaatsen geografisch over West-Europa verspreid lagen, kon de afhankelijkheid van de gemeten parameters van klimatologische factoren worden bepaald. De resultaten van de metingen werden in een voorgeschreven formaat op een magnetische band geregistreerd en vervolgens opgestuurd naar een centrale databank die in Groot-Brittannië was gevestigd. Vanuit deze databank werden weer magneetbanden naar de deelnemende landen gedistribueerd waarop de ingezonden meetgegevens van alle meetstations geregistreerd waren. Naast deze voorgeschreven minimale metingen werden op de meeste meetplaatsen nog aanvullende metingen uitgevoerd. Zo ook met de Nederlandse opstelling. De meetprogramma’s konden daardoor variëren van het uitvoeren van de standaardmetingen tot die van het uitvoeren van vliegprogramma’s met geïnstrumenteerde vliegtuigen. De NAVO uitgave OPAQUE D-7302 (Fenn, 1987) beschrijft de te meten grootheden, de meetlocaties, de meetschema’s en het data formaat.

Een aantal van de gemeten parameters, met name die betrekking hebben op zichtcondities, werd overigens door TNO ook gebruikt voor het project FLAT (Fotochemische Luchtverontreiniging, Aerosolen en Toxiciteit). In dit project, in opdracht van het toenmalige Ministerie van Volksgezondheid en Milieuhygiëne aan het voormalige Instituut voor Milieuhygiëne en Gezondheidstechniek TNO, werden de atmosferische condities tijdens de toen nog veel voorkomende smogvorming gemeten.

Na een aanloopperiode van enige maanden kon men in december 1977 met de officiële meetperiode beginnen. Minimaal was er een aaneengesloten meetperiode van twee jaar afgesproken. Het meetprogramma voor Christchurch (Engeland) moest echter eind februari 1979 door verhuizing van het laboratorium aldaar worden gestaakt. De metingen in Birkhof (Zuid-Duitsland) werden op vrijdag 13 juli 1979 gestaakt na een blikseminslag die veel schade veroorzaakte. In Meppen, het gezamenlijke station van de VS en de Bondsrepubliek Duitsland, zijn metingen tot eind 1980 uitgevoerd. In Lolland is het volledige programma van twee jaar tot 1 december 1979 gemeten. Daarna werd er nog een jaar een gereduceerd programma uitgevoerd gedurende 1 week per maand. De metingen te Trapini (Italië) zijn op 1 december 1978 aangevangen en werden voortgezet tot 1 maart 1981. Ook de Franse en Nederlandse stations bleven tot die datum actief. Veel van de apparatuur van de meetstations, die na het uitgevoerde programma ontmanteld werden, werd opnieuw ingezet bij meetopstellingen in de directe omgeving van de bij de metingen betrokken laboratoria. Dit gold in het bijzonder voor de infraroodtransmissiemeters en de aerosolmeetapparatuur.

De variabelen die door TNO gemeten werden

Variabele Instrument
(naam op Ypenburg)
Eenheid Nauwkeurigheid
Zichtbare verstrooiing
(coëfficiënt)
Nepheliometer AEG Point-visibility (PTHF) per km ± 20%
Transmissie van de atmosfeer
(fotopisch 0.4 – 0.74 microns)
Transmissometer Eltro (ELTR) per km ± 10%
Infraroodoverdracht
(3.4 – 5.0 microns)
Transmissometer Barnes(IRSC) % ± 2%
Infraroodoverdracht
(8.0 – 12.0 microns)
Transmissometer Barnes(IRSC) % ± 2%
Wolkenbedekking SCORPIO meter %
Temperatuur Omgeving (THER) C ± 0.2 C
Relatieve vochtigheid Hygrometer (HYGR) % ± 5%
Dauwpunt (luchtvochtigheid) (Duits instrument) C ± 1 C
Windsnelheid op 10 m en 2 m Schotelanemometer m/s ± 2%
Regendichtheid (RNR1 en RNR2) mm/uur
Hoeveelheid regen (PREC) mm/uur
Regendruppengrootte Druppelmeter (RDRP) mm2

Fotopisch is een term uit de oogheelkunde en de zintuigfysiologie. Onder fotopisch zicht wordt verstaan het kijken bij goede verlichting. De oogpupil is nauw en de maximale lichtgevoeligheid van het netvlies ligt bij een golflengte van 555 nm (groen). Kleuren kunnen goed worden waargenomen.

Lichtgevoeligheidscurve van het menselijk oog": blauw = scotopisch zicht ('s nachts), rood = fotopisch zicht (overdag)
Lichtgevoeligheidscurve van het menselijk oog”: blauw = scotopisch zicht (’s nachts), rood = fotopisch zicht (overdag)

 

De transmissie van de atmosfeer in het zichtbare (fotopische) golflengtegebied

Deze parameter werd met de volgende instrumenten gemeten:

  • Een verstrooiingsmeter. In het zichtbare gebied is de verzwakking van de atmosfeer meestal gelijk aan de verstrooiing. Deze werd daartoe op Ypenburg over ca. 1 meter met behulp van een AEG-Streulichtmesser (PTHF) gemeten.
  • Een transmissometer. Was een ELTRO-transmissometer (ELTR) en werd daartoe door de Koninklijke Militaire Academie (KMA) met een effectieve meetbasis van 1000 meter tussen zender en ontvanger gemodificeerd. Om deze effectieve meetafstand te bereiken werd een retroreflector op 500 meter afstand van de gecombineerde zendontvanger opgesteld.
  • Een laser-scintillometer (LASCIN) welke uit een HeNe-laser en een detector bestond (TRBM) die geplaatst was op een hoogte van 2 meter boven het maaiveld en die op een afstand van 100 meter van elkaar stonden(zie onderstaande foto). Deze commerciële laser was een 2 mW laser met een openingshoek van 1 mm2 en een bundeldivergentie van ongeveer 1,6 mRad. De detector had een effectief oppervlak van 5,1 mm2 en de openingshoek voor ontvangst was 12,5 mRad. Om de fout veroorzaakt door achtergrondverlichting te elimineren werd een 633 nm filter voor de detector geplaatst (‘het zogenaamde Rinkema-kastje’).
Rinkema-kastje
Rinkema-kastje

 

 

 

 

 

 

 

 

Gedeelte van de OPAQUE-opstelling op Ypenburg
Gedeelte van de OPAQUE-opstelling op Ypenburg

Op de voorgrond zijn vier verschillende regenmeters zichtbaar. In het gebouwtje erachter staan de visuele- en infrarood transmissometers. Erboven de ontvangantenne van de transmissometer voor mm-radargolven.

 

De transmissie van de atmosfeer in het infrarood golflengtegebied

Met een transmissometer van het fabricaat Barnes, Model 14-708 (IRSC) werd in het infraroodgolflengtegebied met een smalle band van 4.0-4.1 µm en de banden 3.4 – 5.0 µm, 8.0 – 12.0 µm en 8.25 – 13.2 µm de verzwakking door de atmosfeer bepaald. Dit met een zwarte warmtebron (temp. + 650 0C) als infraroodbron (IR) uitgevoerde instrument had als ontvanger een niet gekoelde thermistordetector op 500 meter afstand van de warmtebron. Het Model 14-708 had alle componenten aan boord, die vereist werden voor een nauwkeurige kalibratie. Om te kalibreren was het slechts noodzakelijk de IR-bron dicht naar de ontvanger toe te bewegen en ze optisch op één lijn te zetten. Dan werd er een ingebouwd diafragma ingesteld en zag de ontvanger de bron alsof deze op 1 kilometer afstand zou staan. De ontvanger werd dan zo ingesteld dat het digitale display 100% van de door de bron uitgezonden straling in de vier genoemde spectrale banden weergaf. Het meten van de straling in elk van de vier spectra nam ongeveer een minuut in beslag. Dus in totaal vier minuten te meten tijd. Ook op dit instrument wordt afzonderlijk ingegaan in combinatie met de metingen in het zichtbare spectrum en het (radar)millimeter golfgebied (94 GHz).

Afbeelding van het infrarood-transmissiemeetinstrument
Afbeelding van het infrarood-transmissiemeetinstrument

De verlichtingssterkte

Eveneens in het zichtbare golflengtegebied werd de verlichtingssterke in een horizontaal vlak en op vier in de windrichtingen (N, O, Z en W) geplaatste verticale vlakken gemeten. Op Ypenburg werd een door het Physisch Laboratorium RVO-TNO en de Koninklijke Militaire Academie instrument (LUXM) opgesteld, waarbij een luxmeter via een kunststof (helder plastic) geleider en een roterende lichtkoppeling werd aangesloten aan meetvensters in de eerder genoemde vijf richtingen met nog eens twaalf extra richtingen (zie onderstaande figuur en foto).

De LUXM schematisch
De LUXM schematisch

De LUXM
De LUXM

 

De verstrooiing van de atmosfeer (luminantie) overdag (PVIS)

De hoeveelheid straling werd gemeten die in het fotopische golflengtegebied (0.34-0.74) in de vier windrichtingen (N, O, Z, W) ten gevolge van opvallend licht (zon, hemel) wordt verstrooid. Op Ypenburg werd daartoe een door de Universiteit van Californië (San Diego) ontwikkeld meetinstrument (PVIS) opgesteld. Een gevoelige optische ontvanger, uitgerust met een fotomultiplier ‘keek’ in een ruimte met een zeer lage reflectiecoëfficiënt die op een afstand van 23 centimeter was geplaatst. Het gehele apparaat werd draaibaar om een verticale as (zie figuur) opgesteld.

Luminantiemeter

 

De verstrooiing van de atmosfeer (luminantie) bij nacht (NPRD)

Eenzelfde gevoelige optische ontvanger als hierboven genoemd “keek” nu over een afstand van 100 meter in oostelijke richting in een ruimte met een eveneens zeer lage reflectiecoëfficiënt. Met een door het Physisch Laboratorium RVO-TNO ontwikkelde TeleLuminantieMeter werd de gemeten luminantie van de optische ontvanger vergeleken met die van een ingebouwde gestabiliseerde zwakke lichtbron. Door een soort van compensatie toe te passen met een door een servomotor aangedreven grijswig en een aantal filters was het mogelijke een dynamisch bereik van 10 decaden te realiseren. Daarmee werd een overlap met de overdag gemeten verstrooiing in alleen de oostelijke richting mogelijk.

De overall-transmissie door een kolom atmosfeer

In een aantal golflengtegebieden werd de zonnestraling gemeten (PYRH). Daarnaast werd er in de open en gesloten toestand van de ontvanger gemeten. De meter was op een astronomische tafel gemonteerd en bleef daarmee op de zon gericht. In de nacht werd de tafel weer 3600 teruggedraaid. Op alle OPAQUE meetstations werden t.b.v. deze metingen Eppley pyrheliometers van het thermo-elektrische type geplaatst. Uit de responsie bij de diverse golflengten verwachtte men conclusies te kunnen trekken over de samenstelling van de atmosfeer. De straling werd bij dit type opgevangen op twee concentrisch zilveren ringen, waarvan de buitenste was bedekt met magnesiumoxide (wit oppervlak) en de binnenste ring met lampenzwart. Een opbouw met thermokoppels (thermopile) werd gebruikt om het verschil in temperatuur tussen de beide ringen te meten. Ook waren er voorzieningen aangebracht om de directe en diffuse zonnestraling te meten.

Pyrheliometer: fotopisch 0,55 µm, 0,87 µm, 0,945 µm, 1,06 µm, 0,40 µm en 0,75 µm.
Pyrheliometer: fotopisch 0,55 µm, 0,87 µm, 0,945 µm, 1,06 µm, 0,40 µm en 0,75 µm.

De meteoparameters

Om verbanden tussen de eerder genoemde parameters en het weer te bepalen werden op alle OPAQUE-stations de volgende meteoparameters op elk uur gedurende het etmaal gemeten:

  • temperatuur
  • atmosferische druk
  • relatieve vochtigheid (Hygrometer)
  • dauwpunttemperatuur
  • windsnelheid en windrichting zowel op 2 meter als op 10 meter hoogte
  • regenval (mm/uur)
  • regensnelheid (integratietijd ~ 1 min)

Daarnaast werd zo mogelijk de bewolkingsgraad en de grondtoestand bepaald. De wolkenvormingssterkte ofwel de procentuele bedekkingsgraad werd met de Cloud scanner SCORPIO.

Thermometer
Thermometer

Hygrometer
Hygrometer

 

De samenstelling van deeltjes in de lucht

Door het Atmospheric Sciences Laboratory, White Sands Missile Range, New Mexico, werd op alle OPAQUE-stations een zogenaamde Atmospheric Particulate Collector opgesteld, waarmee luchtbestanddelen werden aangezogen en neergeslagen op een filter. Deze filters werden elke week vervangen en opgestuurd naar White Sands om er te worden geanalyseerd.

Aanvullende metingen

Op veel OPAQUE stations werden aanvullende meetprogramma’s uitgevoerd. Veelal werd de meetfrequentie groter gekozen dan de verplichte eenmaal per uur (b.v. de transmissiemetingen tijdens slechtzicht perioden) of werd de voorgeschreven parameter in meerdere richtingen gemeten. Op nagenoeg elke meetplaats werd een aerosolteller geplaatst. Met een opstelling, samengesteld uit een meetcabine met aanzuiginrichting en een Model 225 Royco Optical Particle Counter 10 werd de grootteverdeling van de aerosolen (deeltjes in de lucht) gemeten. Deze deeltjes hebben een grote invloed op de transmissie- en verstrooiingseigenschappen in zowel het zichtbare als infrarode golfgebied.
Door het Air Force Geophysics Laboratory, Bedford, Massachusetts in de VS werden vluchten uitgevoerd met een geïnstrumenteerd Hercules C-130 vliegtuig. Met dit vliegtuig werden optische- en atmosferische parameters als functie van de hoogte gemeten in de omgeving van de OPAQUE- meetstations.
Het DFVLR (Deutsche Forschungs- und Versuchsanstalt für Luft und Raumfahrt in Oberpfaffenhofen) voerde éénmaal per maand een weeklang meetvluchten via Rotterdam uit tussen Zuid- en Noord-Duitsland onder andere om de laterale variaties en verbanden tussen de parameters te meten. Op de Duitse meetplaats te Birkhof en op Ypenburg werden de transmissie-eigenschappen van de atmosfeer voor het radar mm-golfgebied gemeten. Daartoe werden er ook regendruppeltellers opgesteld, waarmee de grootteverdeling van de regendruppels werd bepaald. Daarnaast werden er op enkele OPAQUE meetlocaties wolkencamera’s en apparatuur om de CO2-concentratie te bepalen opgesteld.

De verwerking en analyse van de meetgegevens

Nadat het meetprogramma goed op gang gekomen was werden de werkzaamheden meer verschoven naar de verwerking en analyse van de meetgegevens. Vanaf september 1978 werd een speciale groep mensen daarmee belast. De onderzoekingen waren speciaal gericht op:

  • de bepaling van de statistieken van de gemeten parameters,
  • de bepaling van eventuele verbanden tussen de gemeten parameters,
    in het bijzonder die tussen de optische parameters en de meteogegevens,
  • het controleren van de bestaande modellen voor de transmissie door
    de atmosfeer, zoals bijvoorbeeld het LOWTRAN-model (Low Resolution Atmospheric Radiance and Transmittance),
  • het opstellen van verbeterde modellen voor de transmissie door de atmosfeer,
  • het opstellen van voorspellingsmethodes voor de optische parameters van de atmosfeer uit de weersverwachting,
  • het opstellen van modellen voor de toepassing van elektro-optische sensoren onder verschillende klimatologische omstandigheden.

De eerste meetresultaten

Eind januari 1980 werd er geconstateerd dat de meetresultaten zeer bevredigend waren. Er was een klein aantal storingen geweest. Daarmee kon de score met het station Ypenburg op circa 90% van de mogelijke metingen uitkomen. Het station werkte volledig automatisch met behulp van een Alpha CA minicomputer. Eens per werkdag vond er een inspectie plaats en werd de cassetteband met de per uur geregistreerde meetgegevens opgehaald om verder te worden verwerkt.
Om de nauwkeurigheid van de metingen zo hoog mogelijk op te voeren werden de resultaten vergeleken met die van mobiele apparatuur. Speciale aandacht werd er geschonken aan de ijking van de infraroodtransmissometer. Op het vliegveld Pershore (Malvern, VK) werden daartoe alle Barnes transmissometers parallel opgesteld en vergeleken. Ook de spectrale gevoeligheid van de ontvangers werd gemeten. Door deze zogenaamde “Intercomparison Trials” werd de onderlinge vergelijking van de meetresultaten sterk verbeterd. Het probleem met de ijking van het 100% punt van de infrarood-transmissometer kon niet worden opgelost. De door de fabrikant getroffen voorziening bleek onvoldoende. Een oplossing werd gevonden door de onder gunstige condities (goed zicht, lage relatieve vochtigheid) verkregen transmissiewaarde gelijk te stellen aan die met het LOWTRAN-programma berekende waarde. Geschat werd dat de onzekerheid in de nauwkeurigheid voor de infraroodtransmissie die daarmee bereikt werd circa 3% bedroeg.

De transmissie van de atmosfeer in het infrarood

Omdat er vrijwel geen statistische gegevens bekend waren van de transmissie door de atmosfeer in het infrarood golflengtegebied werden deze gegevens als eerste uitgewerkt. In onderstaande figuren is ten eerste een histogram weergegeven van de tijd, dat de infraroodtransmissie in het 3,4-5,0 µm gebied ligt tussen de langs de abscis gespecificeerde waarden. Ten tweede is de cumulatieve verdelingsfunctie van de transmissie in het 3,4-5,0 µm gebied weergegeven.

Histogram van de transmissie in het 3,4-5,0 µm gebied gedurende september 1978 (afstand 500 meter)
Histogram van de transmissie in het 3,4-5,0 µm gebied gedurende september 1978 (afstand 500 meter)

Cumulatieve verdelingsfunctie van de transmissie in het 3,4-5,0 µm gebied gedurende september 1978 (afstand 500 meter)
Cumulatieve verdelingsfunctie van de transmissie in het 3,4-5,0 µm gebied gedurende september 1978 (afstand 500 meter)

Histogram van de transmissie in het 3,4-5,0 µm gebied gedurende november 1978 (afstand 500 meter)
Histogram van de transmissie in het 3,4-5,0 µm gebied gedurende november 1978 (afstand 500 meter)

Cumulatieve verdelingsfunctie van de transmissie in het 3,4-5,0 µm gebied gedurende november 1978 (afstand 500 meter)
Cumulatieve verdelingsfunctie van de transmissie in het 3,4-5,0 µm gebied gedurende november 1978 (afstand 500 meter)

 

Overzicht van de transmissie over 500 meter in het 8,0 tot 12,0 µm gebied van maart 1977 tot februari 1978. De verticale as geeft de tijdsfractie, waarin de transmissie lager was dan de parameterwaarde.
Overzicht van de transmissie over 500 meter in het 8,0 tot 12,0 µm gebied van maart 1977 tot februari 1978. De verticale as geeft de tijdsfractie, waarin de transmissie lager was dan de parameterwaarde.

In bovenstaande histogrammen is te zien dat in de maand november van 1978 de infraroodtransmissie duidelijk slechter was dan die in de maand september 1978. November was een maand waarin er bijzonder veel mist optrad. Hoewel de infraroodtransmissie beter is tijdens nevel en dunne mist dan voor zichtbare straling is er een duidelijk negatieve invloed. Voor het 8-12 µm transmissievenster zijn er overeenkomstige histogrammen gemaakt. De transmissie is over het algemeen gunstiger dan in het 3,4-5,0 µm gebied. Ook in dit golfgebied is er een duidelijke vermindering voor de transmissie bij mist. In onderstaande figuur is in verticale richting de fractie van de tijd gegeven, dat de infraroodtransmissie lager is dan de waarde, die voor de getekende kromme geldt. De maand september 1978 ontbreekt. Alle infrarood-transmissometers werden toen in Engeland met elkaar vergeleken. Uit het overzicht kan worden gelezen dat in november 1978 de kans 0,15 was dat de transmissie kleiner dan 50% was (over 500 meter afstand).

Vergelijking tussen de transmissie in het infrarode en zichtbare golfgebied

Scatterplot van de infraroodtransmissie tussen 3,4-5,0 µm tegen de visuele transmissie, gemeten over 500 meter afstand
Scatterplot van de infraroodtransmissie tussen 3,4-5,0 µm tegen de visuele transmissie, gemeten over 500 meter afstand

In bijgaande figuur is langs de verticale as de transmissie in het 3,4-5,0 µm gebied uitgezet tegen (in horizontale richting) de transmissie in het zichtbare gebied, zoals deze werd gemeten met de Eltro-transmissometer, Uit deze zgn. “scatterplots” zijn mogelijke verbanden tussen de uitgezette grootheden te bepalen. Zoals te zien is, is er geen direct verband tussen de beide grootheden. In het algemeen is de transmissie in het zichtbare gebied lager of hoogstens gelijk aan die in het infrarood gebied. Voor lage transmissiewaarden in het zichtbare gebied kan de infraroodtransmissie sterk verschillen tussen hoge en lage waarden. Zeer waarschijnlijk speelt de grootte van de waterdruppels (aërosolen) hierin een grote rol.

Verband tussen de infraroodtransmissie en de vochtigheid van de atmosfeer

In de eerste onderstaande figuur is in de verticale richting de infraroodtransmissie in het 8,0 tot 12,0 µm gebied uitgezet tegen de absolute vochtigheidsgraad langs de horizontale as.

Infraroodtransmissie in het 8,0 tot 12,0 µm gebied uitgezet tegen de absolute vochtigheidsgraad langs de horizontale as

 

Scatterplot van de transmissie over 500 meter afstand tussen 8,0 tot 12,0 µm tegen de relatieve vochtigheid
Scatterplot van de transmissie over 500 meter afstand tussen 8,0 tot 12,0 µm tegen de relatieve vochtigheid

In de literatuur werd veelal aangenomen, dat de transmissie (zowel in het 4 µm als in het 10 µm venster) afhangt van de totale hoeveelheid waterdamp die zich in een kolom tussen zender en ontvanger bevindt. Er is ook een dalende tendens in de transmissie waarneembaar bij toenemende waterdampdichtheid. Opmerkelijk hierbij is het grote aantal uitschieters naar omlaag langs de verticale as. Later is nog nagegaan of dat werd veroorzaakt door regen of mist.
Veel duidelijker wordt het verband zichtbaar, wanneer er langs de horizontale as niet de absolute vochtigheidsgraad maar de relatieve vochtigheid wordt uitgezet.
De infraroodtransmissie is nu vrijwel constant voor waarden van de relatieve vochtigheid ≤ 95%. Voor waarden > 95% kan de infraroodtransmissie tussen de 0 en 1 liggen. Een verklaring hiervoor kan zijn dat er bij grote relatieve vochtigheid, waarbij er dikwijls mist optreedt, de grootte van de mistdruppels sterk van invloed is op de infraroodtransmissie. Zodra deze druppels de grootte hebben vergelijkbaar met die van de golflengte van de infraroodstraling treedt er een sterke absorptie en verstrooiing op.

Lichtniveaus

Om bij de analyse van de OPAQUE-data van dienst te zijn, is er bij het toenmalige Physisch Laboratorium RVO-TNO een computerprogramma ontwikkeld. Dit programma had als inputparameters de datum, de tijd en de plaatselijke geografische coördinaten. Als output leverde dit programma, ILLUM geheten:

  • azimuth van de zon,
  • hoogte (altitude) van de zon,
  • azimuth van de maan,
  • hoogte (altitude) van de maandag,
  • de fase van de maandag,
  • de verlichtingssterkte op een horizontaal vlak tgv. de zonneschijn bij onbewolkt weer,
  • de verlichtingssterkte op een horizontaal vlak tgv. de maneschijn bij onbewolkt weer,
  • een waarschuwing bij het optreden van een eclips.

Meer meetresultaten

Meer meetresultaten zijn te vinden in “Het vergelijken onder overeenkomstige atmosferische omstandigheden van de verzwakking voor zichtbaar licht, mid-infra-rood (3-5 >µm) en millimetergolven (94 GHz)“, een vertaling van “Comparison of simultaneous atmospheric attenuation measurements at visible light, mid-infra-red (3-5 µm) and millimeter waves (94 GHz)“.

Bij de analyse van de door elk land verzamelde data in de VS werd het volgende naar voren gebracht:

The Ypenburg airfield, Netherlands, and Christchurch, England, OPAQUE locations were selected for analysis because of the number and completeness of available data. Ypenburg contains 47 months of data (from March 1977 to February 1981, excluding June 1980). Christchurch contains 27 months of data (from December 1976 to February 1979). Ypenburg (520 03′ N, 40 22′ E) is located about 7 km southeast of the center of The Hague and 10 to 15 km northwest of Rotterdam. The site is strongly influenced by artificial illumination at night. The Physics Research Group of the TNO Physics Laboratory managed the OPAQUE measurement program at the Netherlands site. Ypenburg is representative for the urban industrial environment of northern Europe. The UK OPAQUE site is located at a site of the Royal Signals Research Establishment (RSRE) at Barnsfield Health, near Christchurch, about 8 km inland from the south coast of England (50 41′ N, 10 45 W. Christchurch is representative of northern Europe’s maritime environment.


Achtergrondinformatie: contrast en hoekgrootte

Een belangrijk punt bij het verzamelen van de gegevens is dat de drempelwaarde voor daglichtcontrast erg weinig verandert voor het menselijk oog als een functie van de achtergrondverlichting, maar sterk afhankelijk is van de hoekgrootte (grootte van het object) tegen de achtergrond gezien en ook afhangt van de tijd waarmee men naar het object kijkt.

Hoekgrootte als functie van het contrast voor het waarschijnlijk zien van 99% bij het gemis aan kennis over de positie van het object met ± 4 graden of meer (Gordon. 1979)
Hoekgrootte als functie van het contrast voor het waarschijnlijk zien van 99% bij het gemis aan kennis over de positie van het object met ± 4 graden of meer (Gordon. 1979)
Vergelijking van transmissometer metingen met menselijke waarnemingen overdag e0 = Cr (Hering et al., 1971)
Vergelijking van transmissometer metingen met menselijke waarnemingen overdag e0 = Cr (Hering et al., 1971)

Een goed gekozen aanname voor zowel psychoanalytische als fysische metingen is, dat het zicht met aan zekerheid grenzende waarschijnlijkheid kan worden gedefinieerd als de afstand tot een zwart voorwerp met redelijke afmetingen (contrast= -1), waarop dit voorwerp kan worden gezien tegen een wolkenloze horizon. Dit in relatie tot de verzwakking α met een nauwkeurigheid van +/- 20% weergegeven in de onderstaande vergelijking. Is er een redelijk constante drempel in het contrast |Cr|, dan zal de grafiek een dalende rechte lijn op logaritmische schaal aangeven. Weergegeven met de volgende formule:
-ln |Cr| = ßr     Of vereenvoudigd voor een drempelcontrast van: 0.05 (=hoekgrootte van 0,5 graad):  ßr = 3.0 +/- 0.6