Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Environment
Click here for the English version

Environment

Meting van aërosolen optische dikte van de atmosfeer met behulp van de GLOBE handheld zon fotometer

Published: May 29, 2019 doi: 10.3791/59257
Automatic Translation
1, 1
1Department of Physics, Xavier University of Louisiana

Summary

Het doel van de hier voorgestelde methodes is de optische dikte van het aërosol van de atmosfeer te meten. De zon fotometer is gericht op de zon en de grootste spanning te lezen verkregen op een ingebouwde digitale opdruk volt wordt geregistreerd. Atmosferische metingen zoals barometerdruk en relatieve vochtigheid worden ook uitgevoerd.

Abstract

Hier beschrijven we de meting van Aerosol optische dikte met behulp van de GLOBE handheld zon fotometer. Aerosol optische dikte (AOT) werd gemeten aan de Xavier University of Louisiana (XULA, 29,96 ° N, 90,11 ° W en 3 m boven de zeespiegel). De metingen werden gedaan op twee verschillende golflengten, 505 nm en 625 nm. De AOT-metingen werden 6 keer per dag gedaan (7 AM, 9 AM, 11 uur, Solar Noon, 15:00 en 17.00 uur). De gegevens in dit document zijn de maandelijkse gemiddelde AOT-waarden genomen op Solar Noon. Tijdens elke meettijd; ten minste vijf waarden van het zonlicht voltage v en de donkere voltage vDark worden genomen voor elk kanaal. Het gemiddelde voor deze vijf metingen wordt genomen als gemiddeld voor die meettijd. Ook andere meteorologische gegevens zoals temperatuur, oppervlakte druk, regenval en relatieve vochtigheid worden gelijktijdig gemeten. Het gehele protocol wordt binnen een tijdspanne van 10-15 min. voltooid. De gemeten AOT-waarden bij 505 nm en 625 nm worden vervolgens gebruikt om de AOT-waarden te extrapoleren voor golflengten 667 nm, 551 nm, 532 nm en 490 nm. De gemeten en geëxtrapoleerde AOT waarden werden vervolgens vergeleken met waarden van de dichtstbijzijnde AERONET station op Wave CIS site 6 (AERONET, 28,87 ° N, 90,48 ° W en 33 m boven de zeespiegel), dat is ongeveer 96 km ten zuiden van XULA. In deze studie hebben we bijgehouden van de jaarlijkse en dagelijkse variaties van AOT voor een periode van 12 maanden van 2017 september tot en met augustus 2018. We hebben ook vergeleken AOT gegevens van twee onafhankelijk gekalibreerd GLOBE handheld zon fotometers op de XULA site. Uit de gegevens blijkt dat de twee instrumenten in uitstekende overeenstemming zijn.

Introduction

Atmosferische aërosolen zijn minieme stevige en vloeibare deeltjes (die zich van submicron aan millimeter grootte uitstrekken) die in de lucht worden opgeschort. Sommige aërosolen worden geproduceerd door menselijke activiteit en anderen worden geproduceerd door natuurlijke processen1,2,3,4. Aërosolen in de atmosfeer verminderen de hoeveelheid zonne-energie bereiken van het aardoppervlak door verstrooiing of absorberen van licht en thermische straling van de zon. De hoeveelheid aërosol in de atmosfeer varieert aanzienlijk met locatie en tijd. Er zijn seizoengebonden en jaarlijkse veranderingen evenals episodische veranderingen toe te schrijven aan gebeurtenissen zoals grote stof onweren, wilde branden of vulkanische uitbarstingen5,6,7,8.

Het effect van aërosolen op het klimaat en op de volksgezondheid behoren tot de dominante onderwerpen in het huidige milieuonderzoek. De aërosols beïnvloeden het weer door lichte en thermische straling van de zon te verstrooien of te absorberen en door als condensatie kernen in de vorming van wolken te handelen. Aërosolen spelen ook een rol in de verspreiding van pathogenen in de lucht en ze kunnen veroorzaken of te verbeteren respiratoire en hart-en vaatziekten. Aerosol optische dikte (AOT) is een maat voor de hoeveelheid zonlicht die wordt geabsorbeerd of verspreid door deze aërosolen. Er zijn verschillende methoden op de grond voor het toezicht op AOT9,10,11. De grootste van de grond-based AOT monitoring systeem is de Aerosol Robotic Network (AERONET) project. AERONET is een netwerk van meer dan 400 monitoringstations verspreid over de hele wereld12,13. Ondanks dit grote aantal controleposten, zijn er nog grote hiaten wereldwijd die niet voor AOT worden gecontroleerd. Als voorbeeld, de dichtstbijzijnde AERONET station van onze studie site is ongeveer 90 km afstand. Deze paper beschrijft het gebruik van een draagbare handheld zon fotometer die kan worden gebruikt om de kloof tussen AERONET monitoringstations brug. De draagbare handheld Sun fotometer is een ideaal instrument voor gebruik door studenten over de hele wereld in een wereldwijde aerosol monitoring netwerk14,15. De wereldwijde leer-en observaties ten voordele van het milieu (Globe) programma biedt een platform voor een dergelijk netwerk, door middel van duizenden scholen in alle 50 staten van de Verenigde Staten en in bijna 120 andere landen16,17 . Het belangrijkste idee van de GLOBE programma is om studenten te gebruiken over de hele wereld om wetenschappelijk waardevolle metingen van het milieu parameters met behulp van goedkope apparatuur te bieden. Met de juiste begeleiding, kunnen studenten en andere niet-specialist vormen netwerken van handheld zon fotometers om de lacunes tussen de AERONET monitoringstations te vullen. Het grootste voordeel van de handheld zon fotometer is dat het kan worden genomen om zelfs de meest afgelegen delen van de wereld. AOT-metingen met andere kleine en vervoerbare instrumenten zijn in het verleden met succes gebruikt om onderzoek te verrichten in afgelegen en moeilijk toegankelijke gebieden17,18

Het belangrijkste doel van deze studie is om de GLOBE handheld zon fotometers te gebruiken om de jaarlijkse, dagelijkse en uurloon variatie van AOT track op onze XULA studie site en vergelijken met metingen van een nabijgelegen AERONET station. Deze paper presenteert gegevens voor een periode van 12 maanden van 2017 september tot 2018 augustus. Dit is de allereerste AOT opgenomen voor de XULA site. De GLOBE zon fotometer maatregelen AOT op twee golflengten, 505 nm en 625 nm. De AERONET site op Wave CIS site 6 maatregelen AOT op 15 verschillende golflengten. Voor onze vergelijking hebben we ons geconcentreerd op deze 4 golflengten, 667 nm, 551 nm, 532 nm en 490 nm. We kozen deze omdat ze de 4 AERONET golflengten het dichtst bij de GLOBE zon fotometer golflengten. Om de vergelijking te maken, extrapoleren wij AOT waarden bij deze golflengten voor XULA plaats.

De metingen van AOT worden gedaan elke dag wanneer de weersomstandigheden toelaten. Metingen die worden gedaan wanneer er cirruswolken in de nabijheid van de zon zijn uitgesloten in de analyse. Tabel 1 toont het aantal dagen in elke maand dat we volledig helder luchten hadden. Totaal werd ongeveer 47% van de genomen gegevens uitgesloten.

Maand September Oktober November Dec Januari Februari Mar Apr Kan Jr Jul Augustus
Aantal dagen 18 20 16 15 15 15 16 15 18 15 15 16

Tabel 1: de AOT-metingen werden 6 keer per dag uitgevoerd (7:00 am, 9 am, 11 uur, Solar Noon, 3 uur en 5 uur). De gegevens op de percelen zijn de maandelijkse gemiddelde AOT-waarden genomen op Solar Noon. Tijdens elke meettijd; ten minste vijf waarden van het zonlicht voltage v en de donkere voltage vDark worden genomen voor elk kanaal. Het gemiddelde voor deze vijf metingen wordt genomen als gemiddeld voor die meettijd. De fout in deze metingen wordt berekend als de standaarddeviaties van deze vijf metingen. AOT-waarden worden verkregen met de vergelijking die onder16wordt weergegeven:

Equation 1

V0 is de kalibratie constante van de zon fotometer, R is de aarde-zon afstand in astronomische eenheden, vDark is de donkere spanning geregistreerd wanneer het licht wordt geblokkeerd door het gat op de bovenste beugel van de zon fotometer, V is het zonlicht spanning opgenomen van de zon fotometer wanneer het licht gaat door het gat op de bovenste beugel, eenR vertegenwoordigt de demping van het licht als gevolg van Rayleigh verstrooiing, p en p0 zijn de gemeten en standaard atmosferische druk, respectievelijk, en m is de relatieve luchtmassa. De relatieve luchtmassa wordt berekend op basis van gegevens die door de National Oceanic and atmosferisch Administration (NOAA) worden verstrekt. Ook andere meteorologische gegevens zoals temperatuur, regenval en relatieve vochtigheid worden gelijktijdig gemeten. Vergelijking 1 zoals hierboven vermeld omvat de bijdragen van optische dikte van ozon. Het effect van ozon op AOT-waarden wordt berekend op basis van tabel waarden van de ozon absorptiecoëfficiënt en veronderstellingen over het ozongehalte in de atmosfeer19. Bucholtz20,21 heeft geproduceerd tabel waarden van eenR op basis van standaard atmosferen. Voor de 505 nm kanaal aR ≈ 0,13813 en voor de 625 nm kanaal is het ~ 0,05793.

De hier gepresenteerde gegevens is een voorbeeld van hoe teams van studenten kunnen worden georganiseerd om lange en aanhoudende AOT metingen te nemen. In deze studie, twee studententeams gebruikt twee onafhankelijk gekalibreerd GLOBE handheld zon fotometers om de jaarlijkse, dagelijkse en uurloon variatie van de aerosol optische dikte van de atmosfeer op onze XULA studie site. De twee Globe zon fotometers gebruikt in dit onderzoek werden gekocht bij de IESRE (Instituut voor Aardwetenschappen onderzoek en onderwijs; een had serienummer RG8-989 en de andere had serienummer RG8-990). Voordat de gegevens van de twee instrumenten zouden kunnen worden samengevoegd, werd een regressieanalyse uitgevoerd om de overeenkomst

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. fotometer verrichting

Opmerking: Deze protocollen worden het best gedaan door twee mensen samen te werken. Een persoon houdt en lijnt de zon fotometer terwijl de tweede persoon record de metingen.

  1. Meet de lengte en breedte van de site met behulp van GPS. Op de site, de eerste stap is het activeren van de GPS door het kiezen van sensor set-up van de sensor menu en selecteer GPS. Zodra GPS genoeg satellieten heeft verworven, zullen de breedte en lengtewaarden worden getoond. Zodra de waarden worden weergegeven, drukt u op gegevens verzamelen en drukt u op opslaan.
  2. Zorg ervoor dat de zon fotometer werkt goed. Een goed gekalibreerde zon fotometer moet produceren een stabiele spanning van ~ 0,03 V binnenshuis en tot 5 V wanneer het licht is gericht op de detector. De voltmeter op de wereldbol zonne-lichtmeting is ingebouwd op de zon fotometer
  3. Neem de luchttemperatuur op. Bij gebruik van een alcohol in glazen thermometer, geef de thermometer 3 tot 5 min aan te passen aan de buitentemperatuur voor het opnemen van de stabiele lezing. Als u de ingebouwde thermometer van de zon fotometer gebruikt, draai dan de draaischakelaar naar T en noteer de spannings aflezing op de voltage volt. De voltage lezing die door 100 wordt vermenigvuldigd zal de luchttemperatuur in graden Celsius op dat ogenblik geven.
  4. Zet de roterende schakelaar op het groene kanaal van de zon fotometer.
  5. Hebben een persoon af te stemmen van de zon fotometer, zodat het licht dat door het gat op de bovenste beugel produceert een zonlicht plek gecentreerd over de gekleurde stip op de trapas. Voor de beste resultaten, gebruik maken van een tafel en een stoel. De persoon die het uitlijnen van de zon fotometer moet zitten op de stoel en rust zijn/haar armen op de tafel om een gestage lezing te verkrijgen.
  6. Neem de tweede persoon de lezing op de voltmeter. Zorg ervoor dat de zon vlek is stabiel op de stip voor het nemen van een lezing. Als het voltage lezing schommelt, registreer enkel de maximum getoonde waarde.
  7. De tijd vastleggen waarop de lezing is gemaakt. De tijd moet worden geregistreerd op de dichtstbijzijnde 30 s. Een digitaal horloge dient dit doel beter dan een analoog een.
  8. De donkere spanning te verkrijgen. Laat de persoon zitten houden van de zon fotometer uitgelijnd met de zon met een hand en dan het gat op de bovenste beugel met een vinger van de andere kant te dekken. De tweede persoon zal het opnemen van de spanning te lezen.
  9. Stel de draaiknop in op het rode kanaal en herhaal stap 1.4 – 1.7.
  10. Herhaal stap 1.4 – 1,8 vier keer om vijf voltages lezingen te verkrijgen voor het groene kanaal en vijf voltage metingen voor het rode kanaal
  11. Meet de luchttemperatuur opnieuw als in stap 1,2.

2. verzameling van metadata

  1. Gebruik de Globe Cloud Chart te observeren en opnemen van de wolken in de buurt van de zon. Dit wordt gedaan door te kijken naar de hemel en het controleren van waargenomen functies uit de GLOBE Cloud Chart (https://www.globe.gov/documents/348614/24331082/GLOBE+Cloud+Chart.). Zichtbare cirruswolken zijn gemakkelijk te observeren vanwege hun karakteristieke dunne plukjes. Onzichtbare cirruswolken worden afgeleid als het zonlicht voltage lezing op een kennelijk heldere dag is minder dan 0,5 V.
    1. Gebruik een hygrometer te meten en registreren van de relatieve vochtigheid: Houd de hygrometer met een lange arm uit de buurt van het lichaam, laat het in de lucht voor ongeveer 3 minuten, en neem dan de droge bol lezen eerst gevolgd door de natte bol lezen. Zoek het verschil in de twee lezingen en gebruik de relatieve luchtvochtigheid grafiek om de relatieve vochtigheid vast te stellen
    2. Gebruik een barometer om atmosferische druk te meten en vast te leggen.
  2. Bereken AOT door het inpluggen van de gemeten waarden en de constanten in vergelijking 1 hierboven gegeven.

3. temperatuurregeling

Opmerking: De elektronica van de zon fotometer zijn gevoelig voor temperatuur. Voor optimale prestaties worden de volgende stappen aanbevolen.

  1. Als buiten de temperatuur is meer dan 5 graden onder de kamertemperatuur, houd de zon fotometer verpakt in thermisch schuim wanneer niet in gebruik.
  2. Bij het nemen van metingen tijdens de hete zomermaanden, houd de zon fotometer in de schaduw wanneer niet in gebruik.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

De GLOBE zon fotometer maatregelen AOT op λ = 505 nm en λ = 625 nm. De AERONET site op Wave CIS site 6 maatregelen AOT op 15 verschillende golflengten. Voor onze vergelijking hebben we ons geconcentreerd op deze 4 golflengtes van de AERONET site: 667 nm, 551 nm, 532 nm en 490 nm. Om een vergelijking te maken tussen de twee stations, extrapoleren we AOT op 667 nm, 551 nm, 532 nm en 490 nm voor de XULA site. Dit wordt gedaan met behulp van de XULA site angstrom coëfficiënten. Voor om het even welke bepaalde plaats en instrument, worden de optische dikte τ, de golflengte λ, en de atmosferische troebelheid coëfficiënt β verbonden door de troebelings formule van angstrom

Equation 22

Waar α de exponent van de angstrom is. α en β zijn onafhankelijk van de golflengte waarbij de optische dikte wordt gemeten. Het zijn parameters die de atmosfeer beschrijven die wordt gemeten. Gezien AOT op twee verschillende golflengten(λ 1 = 505 nm en λ2 = 625 nm, voor onze zon fotometer), en de gemeten AOT (τ1 en τ2), wordt de Angstrom exponent α voor de XULA site berekend vanaf de vergelijking,

Equation 33

De AOT (τ3) bij een derde golflengte, λ3 kan worden geëxtrapoleerd voor dezelfde XULA atmosferische omstandigheden met behulp van de vergelijking:

Equation 44

τ1en λ1 kunnen met τ2 en λ2 in vergelijking 4 worden vervangen om de zelfde waarde voor τ3te krijgen. Deze berekening wordt gebruikt om τ waarden te vergelijken die door twee instrumenten worden verkregen die verschillende golflengten gebruiken. Ideaal gezien moeten de twee instrumenten bij de zelfde plaats worden gebruikt. In ons geval moet worden opgemerkt dat de twee instrumenten waren ~ 96 km uit elkaar.

Figure 1
Figuur 1: een voorbeeld van de dagelijkse gemiddelde AOT-waarden voor de rode en groene kanalen gemeten op XULA, berekend met behulp van vergelijking 1. De figuur toont alleen gegevens voor de maand oktober. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figuur 1 toont een voorbeeld van de typische dagelijkse gemiddelde AOT-waarden berekend met behulp van vergelijking 1. Dit cijfer toont de AOT gegevens voor zowel de groene en de rode kanalen van de GLOBE Sun fotometer voor de maand oktober.

Figure 2
Figuur 2: Seizoensgebonden variatie van AOT. (a) variatie van de maandelijkse gemiddelde AOT-waarden gemeten op XULA gedurende de periode van 12 maanden. De AOT-waarden werden gemeten bij golflengten 625 nm en 505 nm. De ozon correctie is op deze gegevens toegepast. De foutbalken tonen de standaarddeviatie van de vijf metingen die voor elke meettijd zijn genomen. De pijlen tonen de AOT-pieken in februari en mei. (b) seizoensgebonden variatie van AOT op de XULA site. De seizoenen werden zo gecategoriseerd: de winter (DEC, Jan, en feb), de lente (maart, apr, mei), de zomer (Jun, juli, aug) en daling (Sept., Oct, nov.). Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figuur 2a toont variatie van de gemiddelde maandelijkse AOT gemeten op XULA over de periode van 12 maanden. Gemiddelde ozon optische dikte correcties van-0,01 en-0,03 werden toegepast op de 505 nm en 625 nm optische dikte waarden, respectievelijk. De gegevens tonen aan dat de AOT gemeten op golflengte 505 nm (groen licht) voortdurend daalde van september tot januari en vervolgens een hoogtepunt in februari. De AOT gemeten op golflengte 625 nm (rood licht) volgde een soortgelijke trend, maar bereikte een minimum in december en begon te gaan voor januari en februari. AOT gemeten op 505 nm is gemiddeld hoger dan AOT gemeten op 625 nm. In Figuur 2b worden de gemiddelde AOT-waarden per seizoen weergegeven. De seizoenen werden gecategoriseerd als volgt: de winter (december, januari en februari), de lente (maart, april en mei), de zomer (juni, juli en augustus), en daling (september, oktober en november). De zomer had het hoogste gemiddelde AOT en de winter had de laagste gemiddelde AOT. Hoge waarden van AOT tijdens de zomermaanden kan te wijten zijn aan de opwarming van het aardoppervlak als gevolg van de hoge luchttemperaturen. De warme aarde verhoogt de snelheid van verdamping. De druppels en ijs kristallen die vorm wanneer deze waterdamp bevriest of condenseert verhoogt aërosolen in de atmosfeer. Lage waarden van AOT in de wintermaanden kan te wijten zijn aan wolken opruimen en regen wash out processen als de wintermaanden zijn ook geassocieerd met hoge regenval.

Figure 3
Figuur 3: vergelijking tussen XULA en AERONET. (a) geëxtrapoleerd AOT op XULA. Deze AOT-waarden werden geëxtrapoleerd voor 4 golflengten (667 nm, 551 nm, 532 nm en 490 nm) met behulp van vergelijking 3. bAERONET AOT bij dezelfde golflengten. De AERONET gegevens die hier worden gebruikt, zijn ingedeeld als niveau 2,0. Cloud screening en ozon correctie algoritmen en werden automatisch toegepast op de gegevens. De foutbalken in deelvenster b zijn gebaseerd op de minimale onzekerheid van 0,02 AOT-eenheden voor het niveau 2,0 AERONET gegevens25. De pijlen tonen de AOT pieken in februari en in mei voor zowel (a) en (b). Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Om een vergelijking te maken tussen de XULA site en de AERONET site, extrapoleren we AOT waarden op golflengten 667 nm, 551 nm, 532 nm en 490 nm voor de XULA site. Dit werd gedaan gebruikend vergelijking 3 hierboven. Figuur 3a toont de geëxtrapoleerde AOT op XULA voor de golflengten 667 nm, 551 nm, 532 nm en 490 nm. Figuur 3b toont de gemeten AERONET AOT bij dezelfde golflengten. Deze gegevens tonen een goede kwalitatieve overeenkomst, maar gezien de afstand tussen de twee locaties, is er geen rechtvaardiging voor meer kwantitatieve vergelijkingen. Hoewel we waargenomen pieken in februari en mei, de gemiddelde AOT voor de winter en lente maanden waren de laagste. Dit suggereert dat deze pieken zijn te wijten aan een aantal willekeurige gebeurtenissen. Deze gebeurtenissen kunnen van alles zijn van rook van bosbranden en agrarische activiteiten in naburige staten om aërosolen uit over de Golf van Mexico. Het vereist metingen voor vele seizoenen om definitief te zijn over de oorzaak van de AOT pieken in mei en februari.

Figure 4
Figuur 4: lineaire regressies krommen voor AOT waarden uit twee verschillende handheld zonne-fotometers op de XULA site. Serienummers RG-989 en RG-9990. a625 nm en (b) 505 nm. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

We controleerden de betrouwbaarheid van de GLOBE zon fotometers door het vergelijken van twee onafhankelijk gekalibreerd instrumenten tegen elkaar. Figuur 4 toont AOT gegevens uit de Globe Sun fotometer met serienummer RG8-989 en een ander met serienummer RG8-990. De figuur toont aan dat de overeenkomst tussen de twee zon fotometers is sterker voor de 505 nm kanaal dan de 625 nm kanaal. De R-kwadraat waarde voor de 505 nm (groen) kanaal was 95,3% en de helling van de lineaire regressielijn tussen de twee zon fotometers was 0,89. Voor de 625 nm (rood) kanaal, R-kwadraat was 91,6% en de helling lineaire regressielijn was 0,82. De overeenkomst over het rode kanaal is lager wegens de gevolgen van het verwarmen op de rode leiden. De rode LED is gevoeliger voor temperatuur dan de groene LED. De overeenkomst voor beide kanalen is verbeterd wanneer de gegevensverzamelaars de blootstelling van het instrument aan direct zonlicht tussen metingen controleren.

Figure 5
Figuur 5: overdag veranderlijkheid van uurtarief gemiddelde waarden van AOT berekend over de periode van 12 maanden. De tijd die op de grafiek wordt getoond is lokale tijd. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

In Figuur 5 wordt de variatie per uur van de AOT gemiddeld over de periode van 12 maanden weergegeven. Elk gegevenspunt was een gemiddelde van 194 metingen. De dagelijkse variatie was tussen 0,265 in de ochtend en 0,06 in de avond voor het 505 kanaal van nm, dat aan ongeveer 77% variatie beantwoordt. De gegevens tonen een piek bij 9:00 AM van 0,265 en een andere piek bij 3:00 P.M. van 0,182 voor het kanaal van 505 nm. De 625 nm kanaal toonde soortgelijke pieken. Alhoewel deze tijden met de verkeers piekuren in New Orleans samen vielen, zijn meer onderzoeken nodig om te vestigen als de pieken uitsluitend toe te schrijven aan voertuigemissies zijn.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

De eerste stap in dit protocol is het definiëren van de studie site. Dit wordt gedaan met behulp van een GPS om de lengte-en breedtegraad van de studie site te vinden. De lengte-en breedte waarden zijn van cruciaal belang bij de berekening van AOT met vergelijking 1. Tijdens de meting, is het cruciaal dat de zon fotometer is direct en stevig gericht op de zon. Het kleine gaatje op de bovenste beugel van de handheld zon fotometer vermindert de hoeveelheid verspreid licht het bereiken van de LED-detectoren in de zon fotometer. Vergelijking 1 is een benadering die veronderstelt dat geen verspreid licht door het gat bij de hoogste steun gaat. Als de zon fotometer goed is uitgelijnd, de fout die door deze veronderstelling is verwaarloosbaar in vergelijking met andere bronnen van fouten in de meting22,23,24. De Led's in de zon fotometer zijn gevoelig voor extreme temperaturen. Tijdens de hete zomermaanden, de zon fotometer moet worden bewaard in de schaduw wanneer niet in gebruik. Tijdens de koude wintermaanden, de zon fotometer moet worden verpakt in beschermende thermische doek tussen de metingen. In extreem koude omgevingen moet de thermische bescherming gedurende de metingen worden gebruikt. Bij normaal gebruik, de zon fotometer moet lezen een paar millivolts in het donker en tussen 1,0 V en 3,0 V wanneer direct gericht op de zon. Metingen met de zon fotometer zijn betrouwbaar wanneer de zon is duidelijk van alle wolken. Het dragen van een zonnebril met een kastanjebruin tint zal helpen om zwakke wolken die anders onzichtbaar zijn voor de hals oog25,26te detecteren.

De AOT die uit vergelijking 1 is berekend, moet worden gecorrigeerd voor ozon bijdrage aan AOT. Dit wordt gedaan door het aftrekken van ~ 0,01 en ~ 0,03 uit de AOT-waarden berekend voor de groene en rode kanalen respectievelijk22. Wanneer deze protocollen zorgvuldig worden gevolgd, moet de nauwkeurigheid ~ 0,02 AOT-eenheden. Dit niveau van nauwkeurigheid stelt ons in staat om eventuele bijdragen aan AOT te wijten aan waterdamp absorptie te negeren. De hierboven gegeven protocollen zijn eenvoudig en kunnen door studenten van middelbare school aan universiteitsniveau worden gevolgd. De handheld Sun fotometer maakt gebruik van Led's die zijn goedkoop en zijn gemakkelijk te verkrijgen van elektronische winkels. Het instrument zelf is robuust en heeft geen speciale zorg nodig.

Op dit moment zijn er meer dan 400 AERONET monitoringstations over de hele wereld, maar zelfs deze zijn niet genoeg om de hele planeet te dekken. Handheld zon fotometers, met behulp van de protocollen hier beschreven kan worden gebruikt om de lacunes weggelaten door AERONET brug. De duizenden scholen over de hele wereld kunnen worden georganiseerd om een netwerk van de grond-based monitoringstations die veel dichter bij elkaar dan de AERONET stations27,28te vormen. De handheld zon fotometer met de gegeven protocollen kan ook worden gebruikt om de huidige en toekomstige ruimte-based aerosol monitoring platforms te valideren.

Een van de beperkingen van de protocollen hier gegeven is dat de aanpassing aan de zon handmatig wordt gedaan, die vatbaar is voor menselijke fouten. Er zijn ook beperkingen teweeggebracht door het ontwerp van de LED-gebaseerde handheld zon fotometer. De bandbreedte (FWHM) voor de LED-detectoren is ~ 75 nm, die kan leiden tot fouten in de meting. De andere uitdaging met de gegeven protocollen is het organiseren van studententeams, zodat de gegevens continu worden verzameld en op regelmatige basis. De studenten kunnen worden gemotiveerd om gegevens te verzamelen door hen wat krediet naar hun eind rang te geven.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

De auteurs verklaren geen belangenverstrengeling.

Acknowledgments

Dit werk werd financieel ondersteund door de DOD ARO Grant #W911NF-15-1-0510 en National Science Foundation Research initiatie Awards onder Grant No. 1411209. We uiten onze oprechte dankbaarheid aan de fysica en informatica afdeling en de afdeling van het onderwijs aan de Xavier University of Louisiana.

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.

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Mondol, P. K., Mamun, M. M. I., Islam, M. M. Construction of an inexpensive sun photometer to measure aerosol optical depth and comparisons between the measured data and satellite observations. American Journal of Remote Sensing. 2 (5), 37-43 (2014).
  2. Toledano, C., et al. Overview of sun photometer measurements of aerosol properties in Scandinavia and Svalbard. Atmospheric Environment. 52, 182-188 (2012).
  3. Aerosol Protocol - GLOBE.gov. , Available from: https://www.globe.gov/documents/348614/e9acbb7a-5e1f-444a-bdd3-acff62b50759 (2019).
  4. Heintzenber, J., et al. The life cycle of the atmospheric aerosol. Topics in atmospheric and terrestrial physics and chemistry. Boutron, F. , ISBN 2-86883-241-5, 2512-70 (1994).
  5. Gong, W., Zhang, S., Ma, Y. Aerosol Optical Properties and Determination of Aerosol Size Distribution in Wuhan, China. Atmosphere. 5, 81-91 (2014).
  6. Cisek, M., et al. Aerosol Optical Depth variations due to local breeze circulation in Kongsfjorden, Spitsbergen. Oceanologia. 59, 422-430 (2017).
  7. Charlson, R. J., et al. Climate forcing by anthropogenic aerosols. Science. 255, 423-430 (1992).
  8. Kohil, E. E., et al. A study of atmospheric aerosol optical properties over Alexandria city. Egypt Journal of Physics Conference. 810, 012033 (2017).
  9. Altaratz, O., Bar-Or, R. Z., Wollner, U., Koren, I. Relative humidity and its effect on aerosol optical depth in the vicinity of convective clouds. Environmental Research Letters. 8, 034025 (2013).
  10. Jung, C. H., Shin, H. J., Lee, J. Y., Kim, Y. P. Sensitivity and Contribution of Organic Aerosols to Aerosol Optical Properties Based on Their Refractive Index and Hygroscopicity. Atmosphere. 7 (65), (2016).
  11. Sharma, N. P., Sapkota, B. K., Bhattarai, B., Kjeldstad, B. Study on Aerosol Optical Depth in winter and Summer Season in Bhaktapur. Journal of the Institute of Engineering. 8 (1), 269-276 (2009).
  12. Mims, F. M. III An international haze-monitoring network for students. Bulletin of the American. Meteorological Society. 80, 1421-1431 (1999).
  13. Mielonen, T., et al. Temperature-dependence of aerosol optical depth over the southeastern US. Atmospheric Chemistry and Physics Discussion. , (2016).
  14. Coakley, J. A., Cess, R. D., Yurevich, F. B. The effect of tropospheric aerosols on the earth’s radiation budget: A parameterization for climate models. Journal of Atmospheric Science. 40, 116-138 (1983).
  15. Stachlewska, I. S., Zawadzka, O., Engelmann, R. Effect of Heat Wave Conditions on Aerosol Optical Properties Derived from Satellite and Ground-Based Remote Sensing over Poland. Remote Sensing. 9, 1199 (2017).
  16. Brooks, D. R. Development of an inexpensive handheld LED-based Sun photometer for the GLOBE program. Journal of Geophysical Research. 106 (5), 4733-4740 (2001).
  17. Sellitto, P., et al. A novel methodology to determine volcanic aerosols optical properties in the UV and NIR and Ångström parameters using Sun photometry. Journal of Geophysical Research Atmospheres. 122 (8), (2017).
  18. Schmid, B., Wehrli, C. Comparison of Sun photometer calibration by use of the Langley technique and the standard lamp. Applied Optics. 34, 45014512 (1995).
  19. Shiobara, M., Spinhirne, J. D., Uchiyama, A., Asano, S. Optical depth measurements of aerosol, cloud and water vapor using sun photometers during theFIRE Cirrus II. Journal of Applied Meteorology. 35, 364-366 (1991).
  20. Aïssani, O., Mokhnache, A. Aerosol size distribution retrieved from optical depth measurements in Tamanrasset and Blida. Revue des Energies Renouvelables. 15 (2), 207-218 (2012).
  21. Bucholtz, A. Rayleigh-scattering calculations for the terrestrial atmosphere. Applied Optics. 34, 2765-2773 (1995).
  22. Brooks, D. R. Monitoring Solar Radiation and Its Transmission through the Atmosphere. The GLOBE Program's Aerosols, Water Vapor, and UVA Monitoring Projects. , (2006).
  23. Holben, B. N., et al. AERONET - A federated instrument network and data archive for aerosol characterization. Remote Sensing of the Environment. 66, 1-16 (1998).
  24. Toledo, F., et al. AOT retrieval procedure for distributed measurements with low-cost Sun photometers. Journal of Geophysical Research Atmospheres. 123, 1113-1131 (2017).
  25. Giles, D. M., et al. Advancements in the Aerosol Robotic Network (AERONET) 1 Version 3 Database - Automated Near Real-Time Quality Control Algorithm with Improved Cloud Screening for Sun Photometer Aerosol Optical Depth (AOD) Measurements. Atmospheric Measurement Techniques Discussions. , (2018).
  26. Zawadzka, I., et al. Studies of aerosol optical depth with the use of Microtops II sun photometers and MODIS detectors in coastal areas of the Baltic Sea. Acta Geophysica. 62 (2), 400-422 (2014).
  27. Bovchaliuk, V., et al. Aerosol Microtops II sunphotometer observations over Ukraine. Advances in Astronomy and Space Physics. 3, 46-52 (2013).
  28. More, S., Kumar, P. P., Gupta, P., Devara, P. C. S., Aher, G. R. Comparison of Aerosol Products Retrieved from AERONET, MICROTOPS and MODIS over a Tropical Urban City, Pune, India. Aerosol and Air Quality Research. 13, 107-121 (2013).
  29. Boersma, K. F., de Vroom, J. P. Validation of MODIS aerosol observations over the Netherlands with GLOBE student measurements. Journal of Geophysical Research. 111, D20311 (2006).
  30. Porter, J. N., et al. Handheld Sun Photometer Measurements from Light Aircraft. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology. 24, 1588-1597 (2007).

Tags

Milieuwetenschappen kwestie 147 zon fotometer aërosols aërosols optische dikte (AOT) donker voltage groen kanaal rood kanaal
Meting van aërosolen optische dikte van de atmosfeer met behulp van de GLOBE handheld zon fotometer
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Bradley, M., Gasseller, M.… More

Bradley, M., Gasseller, M. Measurement of Aerosols Optical Thickness of the Atmosphere using the GLOBE Handheld Sun Photometer. J. Vis. Exp. (147), e59257, doi:10.3791/59257 (2019).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter