低コヒーレンスドップラーライダーによるダストフロー解析

Scientific Reports volume 13、記事番号: 4086 (2023) この記事を引用

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メトリクスの詳細

地表付近の塵の流れと風のダイナミクスの視覚化は、地表付近の地圏と大気の混合と相互作用を理解するために不可欠です。 一時的な塵の流れを知ることは、大気汚染や健康問題に対処する上で有益です。 地表面近くの塵の流れは、時間的および空間的スケールが小さいため、監視することが困難です。 この研究では、地表近くの塵の流れをそれぞれ5 msと1 mの高い時間分解能と空間分解能で測定するための低コヒーレンスドップラーライダー（LCDL）を提案します。 私たちは、風洞内に放出された小麦粉と炭酸カルシウム粒子を使用した実験室での LCDL の性能を実証します。 LCDL の実験結果は、風速 0 ～ 5 m/s の範囲で風速計の測定結果とよく一致していることが示されています。 LCDL 技術を使用すると、質量と粒子サイズの影響を受ける塵の速度分布を明らかにできます。 その結果、さまざまな速度分布プロファイルを使用して粉塵の種類を決定できます。 塵の流れのシミュレーション結果は実験結果とよく一致した。

風の流れが複雑な地表付近では粉塵の流れが活発になります。 これは、地質と地表大気の間の混合と相互作用を理解するために重要です。 地表に堆積した粉塵の飛散は、環境保全だけでなく、呼吸器疾患などの人の健康、都市部における人為起源の粉塵による大気汚染など大きな問題となっている1,2,3。 特に、下層大気中の塵の流れは地形や構造によって複雑になっています。 フィールドでの粉塵の飛散挙動は急峻です。 ストリートキャニオン4と呼ばれる建物間の局地的な都市風を可視化することで、局所的な粉塵流の分布を予測し、生活圏への影響を把握することができます。 地表大気付近では、山や建物などの特定の障害物が塵の流れを妨げたり、急激に変化させたりします。 一方、上層大気には障害物がほとんどなく、塵の流れもやや緩やかです。 大気中の風の流れは高度に依存します5。 高度が高くなるほど気室の質量は大きくなり、垂直上層大気の空間的・時間的スケールは大きくなります6。 航空機の離着陸の安全性や風力発電所の効率的な制御の観点から、垂直上層大気圏における風流計測に対する強い需要が存在している7,8。 プロペラ型風速計、ラジオゾンデ、ドップラー ソーダー、ドップラー ライダーは風の測定に使用されます9、10、11、12。 現場風速計は測定空間に設置する必要がありますが、風場自体が変化する可能性があります。 一方、ドップラーソーダーとドップラーライダーは、測定時に風情報を遠隔から取得できます13,14。 長距離の風場計測に有効です15。 ドップラーライダーは空港に設置されており、大気の時空間スケールが大きいため、鉛直上層大気を200mから数kmまでの広い測定範囲で数分間の長時間にわたって測定します16,17,18。 ナセルに取り付けられたドップラー ライダーは風力発電所に設置され、水平大気を測定します19。 測定の空間分解能は依然として数十メートルです。 従来のダストサンプラーは一定期間粉塵を収集します。 ただし、この方法では粉塵の輸送に関するリアルタイムの情報を生成することはできません。 リモートセンシングは、測定中に風場が妨げられないため、地面近くの粉塵を検出するのに最適なオプションです20,21。 高解像度および高速測定は、地面近くの粉塵やエアロゾルを検出するための重要な基準です。 現在の従来のドップラーライダーは、下層大気の時空間スケールが数秒から数メートルと小さいため、地上付近の局所的で常に変化する塵の流れを捉えることができません。 シートレーザーを使用した粒子追跡流速測定も利用できますが、定量的な結果は得られません。 周囲を暗くする必要があるなど、重大な制限があり、現場での使用には不便です22、23、24。 この論文では、局所的な塵の流れを測定するために、それぞれ 1 m と 5 ms の高い空間分解能と時間分解能を備えた水平方向の低コヒーレンス ドップラー ライダー (LCDL) を開発します。 LCDL は低コヒーレンス光干渉計の一種です。 干渉信号は、基準光路と測定光路の間の光路長の差がコヒーレンス長と一致する場合にのみ取得されます。 また、塵の流れの急激な変化を監視するため、積分時間をミリ秒まで短縮し、高速計測を実現しています。 この論文の目的は、(1) 概念 LCDL システムを設計および開発すること、(2) LDCL システムの性能を検証すること、(3) この方法をさまざまな散乱体に適用し、散乱体の速度分布を評価することです。