Summary
ここで提示される方法の目標は、大気のエアロゾル光学厚さを測定することである。太陽測光器は太陽を指し、内蔵のデジタル電圧計で得られる最大の電圧測定値が記録されます。気圧や相対湿度などの大気の測定も行われます。
Abstract
ここでは、グローブハンドヘルドサン測光器を用いたエアロゾル光学厚さの測定について述べる。エアロゾル光学厚さ (AOT) は、ルイジアナ州ザビエル大学 (XULA、29.96 ° N、90.11 ° W、海抜 3 m) で測定しました。測定は、2つの異なる波長、505 nm および 625 nm で行われました。AOT 測定は、1日6回 (午前7時、午前9時、午前11時、太陽正午、午後3時および午後5時) に行われました。このペーパーに示されているデータは、太陽正午に取得された月次平均 AOT 値です。各測定時間の間に;各チャネルについて、太陽光電圧vおよび暗電圧v暗の少なくとも5つの値が取られる。これらの5つの測定値の平均は、その測定時間の平均的なものとして取得されます。その他の気象データ (温度、表面圧力、降雨量、相対湿度など) も同時に測定されます。プロトコル全体は 10 ~ 15 分の期間内に完了します。505 nm および 625 nm の測定された AOT 値は波長 667 nm、551 nm、532 nm および 490 nm の AOT 値を外挿するのに使用した。次に、測定および外挿された AOT 値を、XULA から南に約 96 km 離れた波 CIS サイト 6 (AERONET、28.87 ° N、90.48 ° W、および 33 m) の最寄りの AERONET 駅からの値と比較しました。この研究では、9月2017から8月2018までの12ヶ月間の AOT での年間および毎日のバリエーションを追跡しました。また、XULA サイトの2つの個別にキャリブレーションされたグローブハンドヘルドサン photometers の AOT データを比較しました。データは、2つの計器が優れた合意にあることを示しています。
Introduction
大気エアロゾルは、空気中に浮遊する微小固体および液体粒子 (サブミクロンからミリメートルサイズの範囲) です。エアロゾルの中には、人間の活動によって生成されるものもあれば、自然のプロセス1、2、3、4によって生成されるものもあります。大気中のエアロゾルは、太陽からの光と熱放射を散乱または吸収することによって、地表に到達する太陽エネルギーの量を減少させます。大気中のエアロゾルの量は、場所と時間によって大きく異なります。大規模な砂嵐、野生火災や火山噴火5、6、7、8などのイベントに起因する季節や年間の変化だけでなく、エピソードの変化があります。
エアロゾルが気候と公衆衛生に及ぼす影響は、現在の環境研究において支配的なテーマの一つである。エアロゾルは、太陽からの光と熱放射を散乱または吸収することによって、そして雲の形成における凝縮核として作用することによって、天候に影響を与える。エアロゾルはまた、空気中の病原体の分散に役割を果たし、それらは、呼吸器や心血管疾患を引き起こすか、高めることができます。エアロゾル光学厚さ (AOT) は、これらのエアロゾルによって吸収または散乱される太陽光の量の尺度です。AOT9、10、11を監視するためのいくつかの地上ベースの方法があります。地上の AOT の監視システムの最も大きいはエーロゾルのロボティックネットワーク (AERONET) プロジェクトである。AERONET は、世界12,13の上に広がる400以上の監視局のネットワークです。この多数の監視ステーションにもかかわらず、AOT では監視されていない大きなギャップが世界中に存在しています。例として、私たちの研究サイトから最寄りの AERONET 駅は約90キロ離れています。本論文では、AERONET モニタリングステーション間のギャップを埋めるために使用できるポータブルハンドヘルドサン測光器の使用について説明する。携帯用手持ち型の太陽測光器は地球のエーロゾルの監視ネットワーク14,15の世界中の学生によって使用のための理想的な器械である。環境 (地球) プログラムに利益をもたらす世界的な学習と観測は、米国の50州、およびほぼ120の国で、数千の学校を通じて、そのようなネットワークのためのプラットフォームを提供します16,17.グローブプログラムの主なアイデアは、安価な機器を使用して、科学的に価値のある環境パラメータの測定値を提供するために、世界中の学生を使用することです.適切な指導により、学生および他の非専門家は、AERONET モニタリングステーション間のギャップを埋めるためにハンドヘルドサン photometers のネットワークを形成することができます。手持ち式の太陽測光器の最も大きい利点は世界の遠いの部分に取ることができることである。他の小さいおよび運送可能な器械が付いている AOT の測定はリモートでそしてアクセスしにくい区域17,18の調査を遂行するために過去に首尾よく使用された
この研究の主な目標は、グローブハンドヘルド sun photometers を使用して、当社の XULA 研究サイトでの AOT の年間、毎日、および毎時の変動を追跡し、近くの AERONET 駅からの測定値と比較することです。本稿では, 9 月2017日から2018日までの12ヶ月間のデータを提示する.これは XULA サイトのために記録された初の AOT です。地球の太陽測光器は2つの波長、505 nm および 625 nm で AOT を測定する。Wave CIS サイト6の AERONET サイトは、15種類の波長の AOT を測定します。私達の比較のために私達はこれらの4つの波長、667 nm、551 nm、532 nm および 490 nm に焦点を合わせた。それらは地球の太陽測光の波長に最も近い4つの AERONET 波長であるので私達はこれらを選んだ。比較を行うために、これらの波長の AOT 値を XULA サイトに対して推定しました。
AOT の測定は、気象条件が許す毎日行われます。太陽の近傍内に巻雲がある場合に行われる計測は、解析では除外されます。表 1は、空を完全にクリアした各月の日数を示しています。全体として、取得したデータの約 47% が除外された。
| 月 | 9 月 | 10 月 | 11 月 | 12 月 | 月 | Feb | 03 月 | Apr | が | 6 月 | 7 月 | 8 月 |
| 日数 | 18 | 20 | 16 | 15 | 15 | 15 | 16 | 15 | 18 | 15 | 15 | 16 |
表 1: AOT 測定は1日6回行われた (7:00 am、午前9時、午前11時、太陽正午、午前3時、および午前5時)。プロットに表示されるデータは、太陽正午に撮影された月平均 AOT 値です。各測定時間の間に;各チャネルについて、太陽光電圧vおよび暗電圧v暗の少なくとも5つの値が取られる。これらの5つの測定値の平均は、その測定時間の平均的なものとして取得されます。これらの測定値の誤差は、これら5つの測定値の標準偏差として計算されます。AOT 値は、16の下に示す式を使用して取得されます。
V-0 は太陽光度計の較正定数であり、 Rは天文学的単位での地球太陽距離であり、 V暗は、光がブロックされたときに記録した暗電圧が上部ブラケット上の穴を通過するのを妨害する太陽光度計、 Vは、太陽光度計から記録された太陽光の電圧であり、光が上部ブラケット上の穴を通過するとき、 Rはレイリー散乱、 pおよびp0による光の減衰を表すは、それぞれ測定および標準の大気圧であり、 mは相対空気質量である。相対空気質量は、米国海洋大気庁 (NOAA) によって提供されるデータから計算されます。その他の気象データ (気温、降雨量、相対湿度など) も同時に測定されます。上記のような式1は、オゾンからの光学的厚さの寄与を含む。AOT 値に対するオゾンの影響は、大気19におけるオゾン吸収係数の表形式の値と、ozone の量に関する仮定に基づいて計算されます。Bucholtz20,21は、標準雰囲気に基づいてR の表形式の値を生成しています。505 nm チャネルのためにR ≈0.13813 および 625 nm チャネルのためにそれは ~ 0.05793 である。
ここに示されているデータは、学生のチームが長く持続する AOT 測定を行うためにどのように編成できるかの例を表しています。この研究では、2つの学生チームが、独立してキャリブレーションされた2つのグローブハンドヘルドサン photometers を使用して、XULA 研究サイトの大気のエアロゾル光学厚さの年間、毎日、および毎時の変動を追跡しました。この調査で使用された2つの地球儀の太陽 photometers は、IESRE (地球科学研究・教育研究所、シリアル番号 RG8-989、もう1つはシリアル番号 RG8-990) から購入したものです。2つの計器のデータを組み合わせる前に、回帰分析を実行して合意を確認しました。
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Protocol
1. 光度計の操作
注:これらのプロトコルは、2人が一緒に作業するのがベストです。1人は、2人目の人が測定値を記録しながら、太陽光度計を保持し、整列させます。
- GPS を使用してサイトの緯度と経度を測定します。サイトでは、最初のステップは、センサーのメニューからセットアップセンサーを選択し、gps を選択することによって、GPS をアクティブにすることです。GPS が十分な衛星を獲得すると、緯度と経度の値が表示されます。値が表示されたら、データを収集し、保存を押します。
- 太陽光度計がうまく機能していることを確認してください。適切に較正された太陽光度計は、光が検出器に向けられる時に、屋内で〜 0.03 V の安定した電圧を生成する必要があります。地球の太陽測光器の電圧計は太陽測光器で造られる
- 気温を記録します。ガラス温度計でアルコールを使用する場合は、安定した読み取りを記録する前に、外部温度に調整するために温度計3〜5分を与えます。太陽測光器の内蔵温度計を使用している場合は、回転スイッチを T にして電圧計の測定値を記録します。100を乗じた電圧の測定値は、その時点で摂氏温度で気温を与えます。
- ロータリースイッチを太陽光度計の緑色のチャンネルに設定します。
- 上部ブラケットの穴を通過する光が下部ブラケットの色付きのドットの上を中心とする太陽光のスポットを生成するように、1人で太陽光度計の位置を調整します。最良の結果を得られるように、テーブルと椅子を使用します。太陽光度計の位置を合わせる人は椅子に座り、安定した読書を得るためにテーブルで彼/彼女の腕を休まなければならない。
- 2人目の人に電圧計の読み取りを記録してもらいます。読書をする前に、ドットに太陽のスポットが安定していることを確認してください。電圧の読み取りが変動する場合は、表示されている最大値を記録するだけです。
- 読み取りが行われた時刻を記録します。時間は、最も近い30秒に記録されなければなりません。デジタル時計はアナログのものよりもこの目的の方が優れています。
- 暗電圧を得る。座っている人に片手で太陽光を合わせ、もう片方の手で上部ブラケットの穴を指で覆ってください。2人目は電圧の読み取り値を記録します。
- 赤チャンネルにロータリースイッチをセットし、ステップ 1.4 ~ 1.7 を繰り返します。
- ステップ 1.4 ~ 1.8 をさらに4回繰り返して、緑チャンネルの5つの電圧測定値と赤チャンネルの5つの電圧読み取り値を取得します。
- ステップ1.2 のように再び空気温度を測定します。
2. メタデータの収集
-
グローブクラウドチャートを使用して、太陽の近くで雲を観察し、記録します。これは、空を見て、グローブクラウドチャート (https://www.globe.gov/documents/348614/24331082/GLOBE+Cloud+Chart) から観測された機能をチェックすることによって行われる。可視の巻雲雲は、その特徴的な薄いうっすらストランドのため、観察が容易です。明らかに晴れた日の太陽光の電圧の読み取りが 0.5 V 未満の場合、目に見えない巻雲が推測されます。
- 相対湿度を測定し、記録するために湿度計を使用します: 身体から離れた拡張腕で湿度計を持ち、約3分間空中に放置してから、まず乾いた電球を読み、その後に湿った電球の読み取りを行います。2つの測定値の違いを見つけ、相対湿度チャートを使用して相対湿度を確立します
- 気圧計を使用して、気圧を測定および記録します。
- 上記の式1に測定値と定数を差し込むことによって AOT を計算します。
3. 温度調節
注:太陽光度計の電子工学は温度に敏感である。パフォーマンスを最適化するには、次の手順を実行することをお勧めします。
- 外気温が室温より5度以上の場合は、使用しないときにはサーマルフォームに包んで太陽光測光器を巻いてください。
- 夏の暑い時期に測定を行う場合は、使用しないときは太陽光度計を日陰に保管してください。
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Representative Results
グローブサン光度計は、λ = 505 nm およびλ = 625 nm で AOT を測定します。Wave CIS サイト6の AERONET サイトは、15種類の波長の AOT を測定します。私達の比較のために私達は AERONET のサイトのこれらの4つの波長に焦点を合わせた: 667 nm、551 nm、532 nm および 490 nm。2つのステーション間の比較を行うために、我々は XULA のサイトのために 667 nm、551 nm、532 nm と 490 nm の AOT を推定しました。これは、XULA サイトのオングストローム係数を使用して行われます。任意の部位及び器具について、光学厚さτ、波長λ、及び大気濁度係数βをオングストロームの濁度式を介して連結する
2
ここで、αはオングストロームの指数です。αおよびβは、光学厚さが測定される波長とは無関係である。それらは測定される大気を記述する変数である。2つの異なる波長 (λ1 = 505 nm およびλ2 = 625 nm、太陽光度計)、および測定された aot (τ1 とτ2) で aot を指定すると、XULA 部位のオングストローム指数αはこの式は、
3
3番目の波長の AOT (τ3) を、 λ3 は、次の式を使用して同じ XULA 大気条件に対して外挿することができます。
4
τ1およびλ1 は、方程式4のτ2 とλ2 に置換することができます。 この計算は、異なる波長を使用する2つの測定器によって得られたτ値を比較するために使用される。理想的には、2つの計器を同じ地域で使用する必要があります。我々の事例では、2つの計器は約 96 km 離れていたことに注意する必要があります。
図 1: XULA で測定された赤と緑のチャネルの日次平均 AOT 値のサンプルを、式1を使用して計算しました。図は、10月のみのデータを示しています。この図の大規模なバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図 1は、式1を使用して計算された一般的な1日の平均 AOT 値のサンプルを示しています。この図は、10月の地球太陽光度計の緑と赤の両方のチャネルの AOT データを示しています。
図 2: AOT の季節変動。(a) 12 か月の期間にわたって XULA で測定された月次平均 AOT 値の変動。AOT 値は波長 625 nm および 505 nm で測定されました。オゾン補正をこのデータに適用した。誤差バーは、各測定時間に対して行われた5つの測定値の標準偏差を示します。矢印は、2月と5月の AOT ピークを示しています。(b) XULA サイトでの AOT の季節変動。季節は、それに分類されました: 冬 (12 月、1月、2月)、春 (三月、4月、5月)、夏 (ジュン、7、8月) と秋 (9 月、10日、11月)。この図の大規模なバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図 2aは、12ヶ月の期間にわたって XULA で測定された平均月間 AOT の変動を示す。0.01 および-0.03 の平均オゾン光学厚さ補正を、それぞれ 505 nm および 625 nm の光学厚さ値に適用した。このデータは、波長 505 nm (緑色光) で測定された AOT が9月から1月まで連続して落下し、その後2月にピークアップしたことを示している。波長 625 nm (赤色光) で測定された AOT は同様の傾向を辿ったが、12月に最小に達し、1月と2月に上昇し始めた。505 nm で測定された AOT は 625 nm で測定した AOT より平均高い。図 2bは、季節ごとの平均 AOT 値を示しています。季節は、冬 (12 月、1月と2月)、春 (3 月、4月と5月)、夏 (6 月、7月と8月)、秋 (9 月、10月、11月) のように分類されました。夏は最高の平均 AOT を持っていたし、冬は最も低い平均 AOT を持っていた。夏の間の AOT の高い値は、高い気温による地表の温暖化による可能性があります。暖かい地球は、蒸発の速度を増加させます。この水蒸気が凍る、または凝縮したときに形成される滴と氷の結晶は、大気中のエアロゾルを増やします。冬の月の AOT の低い値は、冬の月が高降雨量にも関連しているため、雲の清掃と雨の洗浄プロセスに起因する可能性があります。
図 3: XULA と AERONET の比較(a) XULA で外挿用 AOT。これらの AOT 値は、式3を使用して4つの波長 (667 nm、551 nm、532 nm、490 nm) に対して外挿されました。(b) 同じ波長の AERONET AOTここで使用される AERONET データは、レベル2.0 に分類されます。クラウドスクリーニングとオゾン補正アルゴリズムが自動的にデータに適用されました。パネル b の誤差棒は、レベル 2.0 AERONET データ25の最小不確実性 (0.02 AOT 単位) に基づいています。矢印は、(a) と (b) の両方の2月と5月の AOT のピークを示しています。この図の大規模なバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
XULA サイトと AERONET サイトとの間の比較を行うために、XULA サイトの波長 667 nm、551 nm、532 nm、490 nm における AOT 値を推定しました。これは上記の式3を用いて行われた。図 3aは、波長 667 nm、551 nm、532 nm および 490 NM の XULA における外挿された AOT を示しています。図 3bは、同じ波長で測定された AERONET AOT を示す。これらのデータは、良好な定性的合意を示しているが、2つのサイト間の距離を考慮すると、より定量的な比較のための正当化はありません。2月と5月のピークを観察したにもかかわらず、冬と春の月の平均 AOT は最低でした。これは、これらのピークがいくつかのランダムなイベントによるものであることを示唆します。これらの事象は、森林火災による煙や近隣諸国の農業活動から、メキシコ湾を横切って発生するエアロゾルまで、あらゆるものである可能性があります。それは多くの季節のための測定が5月および2月の AOT のピークの原因について決定的であるように要求する。
図 4: XULA サイトの2つの異なるハンドヘルド太陽 photometers からの AOT 値に対する線形回帰曲線。シリアル番号 RG-989 と RG-9990。(a) 625 nm および (b) 505 nm。この図の大規模なバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
私たちは、2つの独立してキャリブレーションされた機器を互いに比較することによって、地球の太陽 photometers の信頼性をチェックしました。図 4は、シリアル番号 RG8-989 とシリアル番号 RG8-990 を持つグローブ太陽光度計からの AOT データを示しています。この図は、2つの sun photometers 間の協定が 625 nm チャネルよりも 505 nm チャネルの方が強いことを示しています。505 nm (緑) チャネルの R-2 乗値は 95.3% であり、2つの sun photometers 間の線形回帰直線の傾きは0.89 でした。625 nm (赤) チャネルの場合、R-2 乗は 91.6%、傾き線形回帰直線は0.82 でした。赤のチャネルでの契約は、赤色の LED の加熱の影響のために低くなっています。赤色の LED は、緑色の LED よりも温度に敏感です。データコレクタが計測間の直射日光に対して計測器の露出を制御する場合、両方のチャネルの合意が改善されます。
図 5:12 か月の期間に計算された AOT の毎時平均値の日単位の変動。グラフに表示される時間は現地時間です。この図の大規模なバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図 5は、12か月の期間に平均される AOT の時間ごとの変動を示しています。各データポイントは平均194測定値であった。毎日の変動は、午前中の0.265 と 505 nm チャネルのための夕方の0.06 の間であり、これは約 77% の変動に相当する。このデータは0.265 の午前9:00 時のピークを示し、505 nm チャネルの場合は0.182 の 3:00 PM にもう1つのピークがあります。625 nm チャネルは同じようなピークを示した。この時期はニューオーリンズでの交通のピーク時間と一致したにもかかわらず、ピークが車両の排出によるものであるかどうかを立証するために、より多くの調査が必要である。
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Discussion
このプロトコルの最初のステップは、スタディサイトを定義することです。これは、調査サイトの経度と緯度を見つけるために GPS を使用することによって行われます。経度と緯度の値は、式1を使用した AOT の計算において重要です。測定中は、太陽光度計が太陽光で直接、しっかりと指していることが重要です。ハンドヘルドサン測光器の上部ブラケットにある小さな穴は、太陽光度計の中の LED 検出装置に到達する散乱光の量を減少させます。方程式1は、散乱された光が上部ブラケットの穴を通過しないことを前提とした近似値です。太陽測光器が適切に整列されている場合、この仮定によってもたらされる誤差は、測定22、23、24における他の誤差源と比較して無視できる。太陽光度計の Led は極度な温度に敏感である。暑い夏の間は、使用しないときは太陽測光器を日陰に保管する必要があります。寒い冬の間、太陽測光器は、測定の間に保護熱布で包まれなければなりません。非常に寒い環境では、温度保護を測定全体で使用する必要があります。正常に動作しているとき、太陽光度計は、暗所で数ミリボルト、太陽を直接向けると 1.0 V と 3.0 V の間で読み取る必要があります。太陽光度計が付いている測定は日光が雲から明らかであるとき信頼できる。オーバーンな色合いのサングラスを着用すると、それ以外の場合は首の目25、26に見えないかすかな雲を検出するのに役立ちます。
式1から計算された AOT は、AOT へのオゾン寄与を修正する必要があります。これは、それぞれ22の緑と赤のチャネルについて計算された AOT 値から〜0.01 と ~ 0.03 を減算することによって行われる。これらのプロトコルが注意深く続かれるとき、正確さは ~ 0.02 AOT 単位でなければなりません。精度のこのレベルは、私たちは水蒸気吸収に起因する AOT への貢献を無視することができます。上記のプロトコルは簡単であり、中学校から大学までの学生が続くことができます。手持ち型の太陽測光器は安価で、電子店から容易に得られる LEDs を使用する。器械自体は強く、特別な心配を必要としない。
現在、世界中に400以上の AERONET のモニタリングステーションがありますが、これらも地球全体をカバーするには十分ではありません。ハンドヘルドサン photometers は、ここで説明したプロトコルを使用して、AERONET によって残されたギャップを埋めるために使用することができます。世界中の何千もの学校を組織し、AERONET 局27、28よりもはるかに近い地上モニタリングステーションのネットワークを形成することができます。与えられた議定書が付いている手持ち型の太陽測光器はまた現在および未来のスペースベースのエーロゾルの監視プラットホームを検証するのに使用することができる。
ここで与えられたプロトコルの制限の1つは、sun とのアライメントが手動で行われることであり、これは人為的ミスの影響を受けやすいということです。LED ベースのハンドヘルドサン測光器の設計によってもたらされる制限もあります。LED 検出器のための帯域幅 (FWHM) は測定の間違いを引き起こすかもしれない ~ 75 nm である。与えられたプロトコルのもう1つの課題は、データが継続的かつ定期的に収集されるように学生チームを編成することです。学生は、最終的な成績に対していくつかのクレジットを与えることによってデータを収集する意欲を持つことができます。
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Disclosures
著者は利害の対立を宣言していない。
Acknowledgments
この作業は、DOD ARO 助成 #W911NF-15-1-0510 および国立科学財団の助成金1411209の下での研究開始アワードによって財政的にサポートされました。私たちは、ルイジアナ州ザビエル大学で物理学とコンピュータサイエンス部門と教育部門に心から感謝の意を表します。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| A Calibrated GLOBE handheld sun photometer | IESRE, USA (GLOBE sun photometer) and TERNUM, UK (Calitoo sun photometer | The GLOBE sun photometer measures AOT at 505 nm and 625nm. | |
| Barometer | Forestry suppliers, USA, Cat# 43316 | 43316 | The aneroid barometer must have a clear scale with a pressure range between 940 and 1,060 millibars. |
| GLOBE cloud chart | Forestry Suppliers, USA Cat#33485 | 33485 | A free cloud identification chart is obtained from www.globe.gov. |
| Hygrometer | Forestry suppliers, USA, Cat# 76254 | 76245 | Any digital hygrometer which measures relative humidity in the range of 20-95% with an accuracy of 5% is acceptable. |
| Labquest2 GPS | Vernier, USA, Cat LABQ2 | LABQ2 | Vernier LabQuest 2 is a standalone interface used to collect sensor data with its built-in graphing and analysis application. GPS is one of its built-in sensors |
| Taylor Orchid Thermometer | Forestry Suppliers, USA Cat# 89129 | 89129 | |
| Watch | Forestry suppliers, USA, Cat# 39137 | 39137 | The watch must be digital and capable of measuring time up to seconds. |
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