[TNO-logo]
Museum logo

MUSEUM "WAALSDORP"

Het OPAQUE-project: 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 (LOWTRAN- 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 m)

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

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

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

In bovenstaande histogrammen is te zien dat in de maand november van 1978 de IR-transmissie 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)

Overzicht van de transmissie over 500 m 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.       

Vergelijking tussen de transmissie in het infrarode en zichtbare golfgebied

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.

                      

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

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.

Scatterplot van de infraroodtransmissie over 500m afstand tussen 8,0 tot 12,0 µm tegen de absolute luchtvochtigheid in g/m3

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 doch de relatieve vochtigheid wordt uitgezet.

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

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 de volgende "Het vergelijken onder overeenkomstige atmosferische omstandigheden van de verzwakking voor zichtbaar licht, mid-infra-rood (3-5 ?m) en millimetergolven (94 GHz)", een vertaling van de Engelse paper "Comparison of simultaneous atmospheric attenuation measurements at visible light, mid-infra-red (3-5um) and millimeter waves (94 GHz)".

 

Achtergrondinformatie: contrast en hoekgrootte

Een belangrijk punt bij het verzamelen van de data is, dat de drempel voor het contrast bij daglicht voor het menselijk oog zeer weinig verandert als functie van de achtergrondverlichting, maar sterk afhankelijk is van de hoekgrootte (grootte van het voorwerp), waaronder een object tegen deze achtergrond wordt gezien en eveneens afhankelijk is van de tijd, waarmee men naar het object kijkt.

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

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)

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.

(De OPAQUE meetlocaties op het vliegveld Ypenburg, bij Den Haag, en Christchurch, Engeland werden geselecteerd voor het doen van de analyse omdat het aantal en het volledig zijn van de beschikbare meetgegevens groot was)           
 


     


Museum Homepage