Configuración y metodología para el uso de cámaras de todo cielo en la obtención de parámetros atmosféricos.

Abstract

Atmospheric aerosols, solid or liquid particles floating in the atmosphere, play an important role in the Earth's climate, since they scatter and absorb part of the solar radiation reaching the Earth. The aerosol properties are usually obtained by measuring the diffuse solar radiation incoming in different directions (sky radiance), which is partially formed by the scattering of aerosols. The sky radiance is usually measured with photometers. A cheaper alternative to these photometers are the all-sky cameras, which capture images of the whole sky. In this doctoral thesis we propose the use of all-sky cameras to retrieve atmospheric parameters like the sky radiance and some aerosol properties, which can be obtained from these radiances.

In this work, the ORION application has been developed to calibrate geometrically the all-sky cameras through the position of the stars. These calibrations are essential to locate the pixels of the camera pointing to a specific direction, such as the directions in which the sky radiance will be extracted. An all-sky camera has been geometrically calibrated with ORION, but it also has been configured to capture images in RAW format at different exposure times. The multi-exposure configuration, in addition with a exhaustive characterization of the camera (effective wavelengths, linearity, read noise, etc.), has allowed to obtain a linear high dynamic range image of the sky applying a proposed methodology. The sky radiance is proportional to the linear image obtained, so a relative sky radiance can be obtained with this proposed methodology.

Once the relative sky radiances have been obtained with the all-sky camera, they have been used as input parameter in the GRASP (Generalized Retrieval of Atmosphere and Surface Properties) inversion algorithm to obtain some aerosol properties. It has been studied, using synthetic data, what aerosol properties can be derived from the relative sky radiance measured by all-sky cameras. The aerosol properties obtained with real measurements on GRASP have been compared with those independently derived by an AERONET (AErosol RObotic NETwork) photometer.

This work concludes that, if the methodologies developed in this doctoral thesis are applied, a properly configured all-sky camera can be used to calculate the sky radiance, at least in a relative way, and these radiances can be also used to retrieve aerosol properties.

Los aerosoles atmosféricos, partículas sólidas o líquidas en suspensión, juegan un papel muy relevante en el clima de la Tierra, ya que dispersan y absorben parte de la radiación solar que llega al planeta. Las propiedades de los aerosoles se suelen derivar midiendo la radiación solar difusa que llega en distintas direcciones (radiancia del cielo), la cual es causada en parte por la dispersión de los aerosoles. La radiancia del cielo se mide generalmente con fotómetros. Una alternativa económica a estos fotómetros son las cámaras de todo cielo, o simplemente cámaras de cielo, que capturan imágenes del cielo en toda la bóveda celeste. En esta tesis doctoral se propone el uso de las cámaras de cielo para obtener parámetros atmosféricos como la radiancia del cielo y algunas propiedades de los aerosoles, las cuales se pueden inferir a partir de esas radiancias.

En este trabajo se ha desarrollado la aplicación ORION para calibrar geométricamente las cámaras de cielo a través de la posición de las estrellas. Estas calibraciones son fundamentales para poder localizar los píxeles de una cámara que apuntan a una dirección concreta, como las direcciones en las que se va a extraer la radiancia del cielo. Con ORION se ha calibrado geométricamente una cámara de cielo, la cual se ha configurado para capturar imágenes en formato RAW a varios tiempos de exposición. La configuración multi-exposición, en conjunto con una caracterización exhaustiva de la cámara (longitudes de onda efectivas, linealidad, ruido de lectura, etc.), ha permitido obtener una imagen lineal de alto rango dinámico del cielo gracias a una metodología propuesta. La radiancia del cielo es proporcional a la imagen lineal obtenida, por lo que con la metodología propuesta se puede obtener una radiancia del cielo relativa.

Una vez obtenidas las radiancias relativas con la cámara de cielo, estas se han usado como parámetro de entrada en el algoritmo de inversión GRASP (Generalized Retrieval of Atmosphere and Surface Properties) para obtener propiedades de los aerosoles. A partir de datos sintéticos, se ha estudiado que propiedades de los aerosoles se pueden derivar de estas medidas. Las propiedades obtenidas con medidas reales en GRASP se han comparado con las derivadas independientemente por un fotómetro de AERONET (AErosol RObotic NETwork).

Como resultado se ha concluido que, si se aplican las metodologías desarrolladas en esta tesis doctoral, una cámara de cielo configurada adecuadamente puede usarse para calcular la radiancia del cielo, al menos de manera relativa, y éstas radiancias para inferir propiedades de los aerosoles.