Summary
Ziel der hier vorgestellten Methoden ist es, die optische Aerosoldicke der Atmosphäre zu messen. Das Sonnenphotometer wird auf die Sonne gerichtet und die größte Spannungsablesung, die auf einem eingebauten digitalen Voltmeter erzielt wird, wird aufgezeichnet. Auch atmosphärische Messungen wie barometrischer Druck und relative Luftfeuchtigkeit werden durchgeführt.
Abstract
Hier beschreiben wir die Messung der optischen Aerosoldicke mit dem Handsonnenphotometer GLOBE. Die optische Aerosoldicke (AOT) wurde an der Xavier University of Louisiana gemessen (XULA, 29.96 ° N, 90,11 ° W und 3 m über dem Meeresspiegel). Die Messungen erfolgten mit zwei verschiedenen Wellenlängen, 505 nm und 625 nm. Die AOT-Messungen wurden 6-mal am Tag durchgeführt (7 Uhr, 9 Uhr, 11 Uhr, Sonnentämittag, 15 Uhr und 17 Uhr). Die Daten, die in diesem Papier gezeigt werden, sind die monatlichen durchschnittlichen AOT-Werte, die am Sonnendmittag genommen werden. Während jeder Messzeit; Für jeden Kanal werden mindestens fünf Werte der Sonnenlichtspannung V und der dunklen Spannung Vdunkel genommen . Der Mittelwert für diese fünf Messungen wird als Durchschnitt für diese Messzeit genommen. Auch andere meteorologische Daten wie Temperatur, Oberflächendruck, Niederschlag und relative Luftfeuchtigkeit werden gleichzeitig gemessen. Das gesamte Protokoll wird innerhalb einer Zeitspanne von 10 – 15 min abgeschlossen. Die gemessenen AOT-Werte bei 505 nm und 625 nm werden dann verwendet, um die AOT-Werte für Wellenlängen 667 nm, 551 nm, 532 nm und 490 nm zu extrapolieren. Die gemessenen und extrapolierten AOT-Werte wurden dann mit den Werten der nächstgelegenen AERONET-Station am Wave CIS Gelände 6 (AERONET, 28,87 ° N, 90.48 ° W und 33 m über dem Meeresspiegel) verglichen, der etwa 96 km südlich von XULA liegt. In dieser Studie haben wir die jährlichen und täglichen Variationen von AOT für einen Zeitraum von 12 Monaten von September 2017 bis August 2018 verfolgt. Wir haben auch die AOT-Daten von zwei unabhängig kalibrierten GLOBE-Handsonnenfotometern am Standort XULA verglichen. Die Daten zeigen, dass sich die beiden Instrumente sehr einig sind.
Introduction
Atmosphärische Aerosole sind winzige feste und flüssige Partikel (von Submikron bis Millimeter Größe), die in der Luft aufgehängt sind. Einige Aerosole werden durch menschliche Aktivität produziert, andere durch natürliche Prozesse 1,2,3, 4. Aerosole in der Atmosphäre reduzieren die Menge an Sonnenenergie, die die Erdoberfläche erreicht, indem sie Licht und thermische Strahlung von der Sonne streuen oder absorbieren. Die Menge an Aerosol in der Atmosphäre variiert erheblich mit Lage und Zeit. Es gibt saisonale und jährliche Veränderungen sowie episodische Veränderungen aufgrund von Ereignissen wie großen Staubstürmen, Waldbränden oder Vulkanausbrüchen 5,6, 7,8.
Die Auswirkungen von Aerosolen auf das Klima und die öffentliche Gesundheit gehören zu den vorherrschenden Themen in der aktuellen Umweltforschung. Aerosole beeinflussen das Wetter, indem sie Licht und thermische Strahlung von der Sonne streuen oder absorbieren und als Kondensationskerne bei der Bildung von Wolken wirken. Aerosole spielen auch eine Rolle bei der Ausbreitung von Krankheitserregern in der Luft und können Atemwegs-und Herz-Kreislauf-Erkrankungen verursachen oder verbessern. Aerosol-optische Dicke (AOT) ist ein Maß für die Menge des Sonnenlichts, die von diesen Aerosolen absorbiert oder verstreut wird. Es gibt mehrere bodenbasierte Methoden zur Überwachung von AOT9,10,11. Das größte bodengestützte AOT-Überwachungssystem ist das Projekt Aerosol Robotic Network (AERONET). AERONET ist ein Netzwerk von über 400 Überwachungsstationen, die sich über 12,13Uhr verteilen. Trotz dieser großen Zahl von Überwachungsstationen gibt es weltweit immer noch große Lücken, die nicht für AOT überwacht werden. Zum Beispiel ist die nächstgelegene AERONET-Station von unserer Studienstelle etwa 90 km entfernt. In diesem Beitrag wird der Einsatz eines tragbaren Handsonnenphotometers beschrieben, mit dem die Lücken zwischen den AERONET-Überwachungsstationen geschlossen werden können. Das tragbare Handsonnenphotometer ist ein ideales Instrument für Studentenaufder ganzen Welt in einem globalen Aerosolüberwachungsnetzwerk 14,15. Das Global Learning and Observations to Benefit the Environment (GLOBE) Programm bietet eine Plattform für ein solches Netzwerk, durch Tausende von Schulen in allen 50 Staaten der Vereinigten Staaten und in fast 120 anderen Ländern 16,17 . Die Grundidee des GLOBE-Programms ist es, Studenten auf der ganzen Welt zu nutzen, um wissenschaftlich wertvolle Messungen von Umweltparametern mit kostengünstigen Geräten zu liefern. Unter der richtigen Anleitung können Studierende und andere Nicht-Spezialisten Netzwerke von Handsonnenbildphotometern bilden, um die Lücken zwischen den AERONET-Überwachungsstationen zu füllen. Der größte Vorteil des Handsonnenphotometers ist, dass es auch in die entlegensten Teile der Welt gebracht werden kann. AOT-Messungen mit anderen kleinen und transportablen Instrumenten wurden in der Vergangenheit erfolgreich eingesetzt, um Forschungsstudien in abgelegenen und schwer zugänglichen Bereichen17,18 durchzuführen.
Das Hauptziel dieser Studie ist es, mit den GLOBE-Handsonnenbildfotometern die jährliche, tägliche und stündliche Variation von AOT an unserem XULA-Studienort zu verfolgen und mit Messungen einer nahe gelegenen AERONET-Station zu vergleichen. Dieses Papier stellt Daten für einen Zeitraum von zwölf Monaten von September 2017 bis August 2018 vor. Dies ist die erste AOT, die für die XULA-Website aufgenommen wurde. Das Sonnenphotometer GLOBE misst AOT auf zwei Wellenlängen, 505 nm und 625 nm. Der AERONET-Standort am Wave CIS Site 6 misst AOT mit 15 verschiedenen Wellenlängen. Für unseren Vergleich haben wir uns auf diese 4 Wellenlängen konzentriert, 667 nm, 551 nm, 532 nm und 490 nm. Wir haben uns für diese entschieden, weil es sich um die 4 AERONET-Wellenlängen handelt, die dem GLOBE-Sonnenphotometer am nächsten sind. Um den Vergleich zu ziehen, haben wir AOT-Werte an diesen Wellenlängen für XULA-Standort extrapoliert.
Die Messungen von AOT werden jeden Tag durchgeführt, wenn die Wetterbedingungen es zulassen. Messungen, die bei Zirruswolken in der Nähe der Sonne durchgeführt werden, werden in der Analyse ausgeschlossen. Tabelle 1 zeigt die Anzahl der Tage in jedem Monat, die wir völlig klar hatten. Insgesamt wurden etwa 47% der erfassten Daten ausgeschlossen.
| monat | September | Okt | Nov | Dec | Jan | Feb | verderben | Apr | dürfen | Jun | Jul | Aug |
| Anzahl der Tage | 18 | 20 | 16 | 15 | 15 | 15 | 16 | 15 | 18 | 15 | 15 | 16 |
Tabelle 1: Die AOT-Messungen wurden 6 Mal am Tag durchgeführt (7:00, 9 Uhr, 11 Uhr, Sonnennämmung, 3 Uhr und 5 Uhr). Die Daten, die auf den Grundstücken gezeigt werden, sind die monatlichen durchschnittlichen AOT-Werte, die am Sonnendmittag erhoben werden. Während jeder Messzeit; Für jeden Kanal werden mindestens fünf Werte der Sonnenlichtspannung V und der dunklen Spannung Vdunkel genommen . Der Mittelwert für diese fünf Messungen wird als Durchschnitt für diese Messzeit genommen. Der Fehler bei diesen Messungen wird als Standardabweichungen dieser fünf Messungen berechnet. AOT-Werte werden mit der unten gezeigten Gleichung16 erreicht:
V0 ist die Kalibrierungskonstante des Sonnenphotometers, R ist der Erd-Sun-Abstand in astronomischen Einheiten, V dunkel ist die dunkle Spannung, die aufgezeichnet wird, wenn Licht vom Durchschreiten des Lochs auf der oberen Halterung des Sonnenphotometer, V ist die Sonnenlichtspannung, die vom Sonnenphotometer aufgezeichnet wird, wenn das Licht durch das Loch auf der oberen Halterung geht, einR stellt die Dämpfung des Lichts durch Rayleigh Streuung, P und P0 dar . Es handelt sich dabei um den gemessenen und den Standard-Luftdruck, und m ist die relative Luftmasse. Die relative Luftmasse wird aus Daten der National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) berechnet. Auch andere meteorologische Daten wie Temperatur, Niederschlag und relative Luftfeuchtigkeit werden gleichzeitig gemessen. Die oben genannte Gleichung 1 beinhaltet die Beiträge der optischen Dicke aus Ozon. Die Wirkung von Ozon auf die AOT-Werte wird anhand von tabellarischen Werten des Ozonabsorptionskoeffizienten und Annahmen über den Ozonwert in der Atmosphäre19berechnet. Bucholtz20,21hat tabellarische Werte eines R auf Basis von Standardatmosphären erzeugt. Für den 505 nm-Kanal ist einR "0,13813" und für den 625 nm-Kanal ist es ~ 0,5793.
Die hier vorgestellten Daten sind ein Beispiel dafür, wie Schülerteams organisiert werden können, um lange und nachhaltige AOT-Messungen durchzuführen. In dieser Studie nutzten zwei studentische Teams zwei unabhängig kalibrierte GLOBE-Handsonnenbildfotometer, um die jährliche, tägliche und stündliche Variation der optischen Aerosoldicke der Atmosphäre an unserem XULA-Studienort zu verfolgen. Die beiden Globe-Sonnenfotometer, die bei dieser Untersuchung verwendet wurden, wurden vom IESRE (Institut für Erdwissenschaftliche Forschung und Bildung gekauft; einer hatte die Seriennummer RG8-989 und der andere hatte die Seriennummer RG8-990). Bevor die Daten der beiden Instrumente kombiniert werden konnten, wurde eine Regressionsanalyse durchgeführt, um die Vereinbarung zu ermitteln.
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Protocol
1. Photometer-Operation
NOTE: Diese Protokolle werden am besten von zwei Personen durchgeführt, die zusammenarbeiten. Eine Person hält und richtet das Sonnenphotometer aus, während die zweite Person die Messungen aufzeichnet.
- Messen Sie die Länge und den Spielraum für die Website mit GPS. Der erste Schritt vor Ort ist, das GPS zu aktivieren, indem man den Sensoraufbau aus dem Sensormenü wählt und GPS wählt. Sobald GPS genügend Satelliten erworben hat, werden Breiten-und Längenwerte angezeigt. Sobald die Werte angezeigt werden, drücken Sie die Daten sammeln und drücken Sie dann auf Speichern.
- Stellen Sie sicher, dass das Sonnenphotometer gut funktioniert. Ein richtig kalibriertes Sonnenphotometer sollte eine stabile Spannung von ~ 0,03 V im Innenraum und bis zu 5 V erzeugen, wenn Licht auf den Detektor gerichtet wird. Der Voltmeter auf dem Globe-Sonnenphotometer ist auf dem Sonnenphotometer eingebaut
- Die Lufttemperatur aufzeichnen. Wenn Sie einen Alkohol im Glasthermometer verwenden, geben Sie das Thermometer 3 – 5 Minuten an die Außentemperatur an, bevor Sie die stabile Ablesung aufnehmen. Wenn Sie das eingebaute Thermometer des Sonnenphotometers verwenden, schalten Sie den Drehschalter auf T um und nehmen Sie die Spannungsablesung auf dem Voltmeter auf. Die mit dem 100 multiplizierte Spannungsablesung gibt die Lufttemperatur in Grad Celsius zu dieser Zeit.
- Stellen Sie den Drehschalter auf den grünen Kanal des Sonnenphotometers.
- Lassen Sie eine Person das Sonnenphotometer so ausrichten, dass das Licht, das durch das Loch auf der oberen Halterung geht, einen Sonnenscheinfleck erzeugt, der über den farbigen Punkt auf der unteren Halterung zentriert ist. Für die besten Ergebnisse verwenden Sie einen Tisch und einen Stuhl. Die Person, die das Sonnenphotometer ausrichtet, sollte auf dem Stuhl sitzen und sich auf dem Tisch ausruhen, um eine stetige Lektüre zu erhalten.
- Lassen Sie die zweite Person die Lesung auf dem Voltmeter aufnehmen. Vergewissern Sie sich, dass der Sonnenfleck auf dem Punkt stabil ist, bevor Sie eine Lesung machen. Wenn die Spannungsablesung schwankt, notieren Sie einfach den angezeigten Maximalwert.
- Notieren Sie sich die Zeit, zu der die Lesung stattfand. Die Zeit muss bis in die nächsten 30 Jahre aufgezeichnet werden. Eine digitale Uhr dient diesem Zweck besser als einer analogen.
- Erhalte die dunkle Spannung. Lassen Sie die Person, die sich hinsetzt, das Sonnenphotometer mit einer Hand auf die Sonne ausrichten und dann das Loch auf der oberen Halterung mit einem Finger von der anderen Hand bedecken. Die zweite Person wird die Spannungsablesung aufzeichnen.
- Stellen Sie den Drehschalter auf den roten Kanal und wiederholen Sie die Schritte 1,4 – 1.7.
- Wiederholungsschritte 1,4 – 1,8 vier Mal mehr, um fünf Spannungswerte für den grünen Kanal und fünf Spannungswerte für den roten Kanal zu erhalten
- Messen Sie die Lufttemperatur wieder wie in Schritt 1.2.
2. Sammlung der Metadaten
-
Verwenden Sie die Globe Wolke Diagramm, um die Wolken in der Nähe der Sonne zu beobachten und aufzuzeichnen. Dies geschieht, indem man in den Himmel schaut und beobachtete Merkmale aus der GLOBE-Wolkendiagramm (https://www.globe.gov/documents/348614/24331082/GLOBE+Cloud+Chart.) prüft. Sichtbare Zirruswolken sind wegen ihrer charakteristischen dünnen wispigen Stränge leicht zu beobachten. Unsichtbare Zirruswolken werden abgeleitet, wenn die Sonnenlichtspannung, die an einem scheinbar klaren Tag abläuft, unter 0,5 V liegt.
- Verwenden Sie ein Hygrometer, um die relative Luftfeuchtigkeit zu messen und aufzuzeichnen: Halten Sie das Hygrometer mit einem verlängerten Arm vom Körper weg, lassen Sie es in der Luft für etwa 3 Minuten, und dann nehmen Sie die trockene Glühbirne lesen zuerst gefolgt von der nassen Glühbirne lesen. Finden Sie den Unterschied in den beiden Messwerten und verwenden Sie die relative Feuchtigkeitsdiagramm, um die relative Luftfeuchtigkeit festzustellen
- Verwenden Sie ein Barometer, um den Luftdruck zu messen und zu erfassen.
- Berechnen Sie AOT, indem Sie die Messwerte und die Konstanten in die oben angegebene Gleichung 1 einfügen.
3. Temperaturregelung
NOTE: Die Elektronik des Sonnenlichtfotometers ist temperaturempfindlich. Für eine optimale Leistung werden folgende Schritte empfohlen.
- Wenn die Außentemperatur mehr als 5 Grad unter der Raumtemperatur liegt, halten Sie das Sonnenphotometer in Thermoschaum gewickelt, wenn es nicht benutzt wird.
- Bei Messungen in den heißen Sommermonaten sollte man das Sonnenphotometer im Schatten halten, wenn es nicht in Gebrauch ist.
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Representative Results
Das GLOBE-Sonnenphotometer misst AOT mit einem "5505 nm" und "= 625 nm". Der AERONET-Standort am Wave CIS Site 6 misst AOT mit 15 verschiedenen Wellenlängen. Für unseren Vergleich haben wir uns auf diese 4 Wellenlängen der AERONET-Website konzentriert: 667 nm, 551 nm, 532 nm und 490 nm. Um einen Vergleich zwischen den beiden Stationen zu ziehen, haben wir AOT mit 667 nm, 551 nm, 532 nm und 490 nm für den XULA-Standort extrapoliert. Dies geschieht mit den Angstro-Koeffizienten der XULA-Website. Für jede beliebige Seite und ein bestimmtes Instrument sind die optische Dicke, die Wellenlänge und der atmosphärische Trübungskoeffizient β durch die Trübungsformel von Angstrom miteinander verbunden.
(2)
Wo α der Angstrom es Exponent ist. α und β sind unabhängig von der Wellenlänge, an der die optische Dicke gemessen wird. Es sind Parameter, die die gemessene Atmosphäre beschreiben. Angesichts von AOT bei zwei verschiedenen Wellenlängen (,) 1 = 505 nm und , für unser Sonnenphotometer) und dem gemessenen AOT (,, 1 und, 2), wird der Angstrom-Exponent α fürdie XULA-Website berechnet. Die Gleichung,
(3)
Der AOT (,)auf einer dritten Wellenlänge, und er kann mit der Gleichung für die gleichen XULA-atmosphärischen Bedingungen extrapoliert werden:
(4)
InderGleichung 4 kann 1 und "1" ersetzt werden, um den gleichen Wert für ,3, zu erhalten. Diese Berechnung wird verwendet, um Werte zu vergleichen, die von zwei Instrumenten gewonnen werden, die unterschiedliche Wellenlängen verwenden. Idealerweise müssen die beiden Instrumente am gleichen Ort eingesetzt werden. In unserem Fall ist zu beachten, dass die beiden Instrumente ~ 96 km voneinander entfernt waren.
Abbildung 1: Eine Stichprobe der Tagesdurchschnittswerte für die bei XULA gemessenen roten und grünen Kanäle, berechnet mit Gleichung 1. Die Abbildung zeigt nur Daten für den Monat Oktober. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Abbildung 1 zeigt eine Probe der typischen Tagesmittel-AOT-Werte, die mit der Gleichung 1 berechnet werden. Diese Abbildung zeigt die AOT-Daten sowohl für den grünen als auch für die roten Kanäle des GLOBE-Sonnenphotometers für den Monat Oktober.
Abbildung 2: Saisonale Variation von AOT. A) Variation der monatlichen durchschnittlichen AOT-Werte, die bei XULA über den 12-Monats-Zeitraum gemessen werden. Die AOT-Werte wurden mit Wellenlängen 625 nm und 505 nm gemessen. Die Ozonkorrektur wurde auf diese Daten angewendet. Die Fehlerbalken zeigen die Standardabweichung der fünf Messungen für jede Messzeit an. Die Pfeile zeigen die AOT-Gipfel im Februar und im Mai. (B) Saisonvariante von AOT am XULA-Standort. Die Jahreszeiten wurden so kategorisiert: Winter (Dezember, Januar und Februar), Frühling (März, Apr, Mai), Sommer (Juni, Juli, August) und Herbst (Sept, Oct, Nov.). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Abbildung 2a zeigt eine Variation des durchschnittlichen monatlichen AOT, der in den 12 Monaten bei XULA gemessen wurde. Auf die optischen Dickwerte 505 nm bzw. 625 nm wurden die optischen Dickenwerte von-0,01 und-0,03 verwendet. Die Daten zeigen, dass der AOT, der bei Wellenlänge 505 nm (grünes Licht) gemessen wurde, von September bis Januar kontinuierlich abnahm und dann im Februar in die Höhe ging. Der AOT, gemessen bei Wellenlänge 625 nm (rotes Licht), folgte einem ähnlichen Trend, erreichte aber im Dezember ein Minimum und begann für Januar und Februar zu steigen. AOT gemessen mit 505 nm ist im Durchschnitt höher als AOT gemessen mit 625 nm. Abbildung 2b zeigt die durchschnittlichen AOT-Werte pro Saison. Die Jahreszeiten wurden wie folgt kategorisiert: Winter (Dezember, Januar und Februar), Frühling (März, April und Mai), Sommer (Juni, Juli und August) und Herbst (September, Oktober und November). Der Sommer hatte den höchsten durchschnittlichen AOT und der Winter den niedrigsten durchschnittlichen AOT. Hohe Werte von AOT in den Sommermonaten können aufgrund der Erwärmung der Erdoberfläche aufgrund der hohen Lufttemperaturen entstehen. Die warme Erde erhöht die Verdunstungsrate. Die Tropfen und Eiskristalle, die entstehen, wenn dieser Wasserdampf einfriert oder Kondensen, erhöhen Aerosole in der Atmosphäre. Niedrige Werte von AOT in den Wintermonaten können auf Wolkenspül-und Regenabwäschungsprozesse zurückzuführen sein, da die Wintermonate auch mit hohen Niederschlägen verbunden sind.
Abbildung 3: Vergleich zwischen XULA und AERONET. (a) Extrapolated AOT at XULA. Diese AOT-Werte wurden für 4 Wellenlängen (667 nm, 551 nm, 532 nm und 490 nm) mit Gleichung 3 extrapoliert. (B) AERONET AOT auf den gleichen Wellenlängen. Die hier verwendeten AERONET-Daten werden als Level 2.0 klassifiziert. Cloud-Screening und Ozonkorrektur Algorithmen und wurden automatisch auf die Daten angewendet. Die Fehlerbalken in Panel b basieren auf der minimalen Ungewissheit von 0,02 AOT-Einheiten für die Stufe 2.0 AERONET Daten 25. Die Pfeile zeigen die AOT-Gipfel im Februar und im Mai für (a) und (b). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Um einen Vergleich zwischen dem XULA-Standort und dem AERONET-Standort zu ziehen, haben wir die AOT-Werte auf Wellenlängen 667 nm, 551 nm, 532 nm und 490 nm für den XULA-Standort extrapoliert. Dies geschah mit der oben genannten Gleichung 3. Abbildung 3a zeigt den extrapolierten AOT bei XULA für die Wellenlängen 667 nm, 551 nm, 532 nm und 490 nm. Abbildung 3b zeigt das gemessene AERONET AOT auf den gleichen Wellenlängen. Diese Daten zeigen eine gute qualitative Übereinstimmung, aber angesichts der Entfernung zwischen den beiden Standorten gibt es keine Rechtfertigung für quantitativere Vergleiche. Auch wenn wir im Februar und Mai Spitzenwerte beobachtet haben, waren die durchschnittlichen AOT für die Winter-und Frühlingsmonate am niedrigsten. Dies deutet darauf hin, dass diese Spitzen auf einige zufällige Ereignisse zurückzuführen sind. Diese Ereignisse könnten alles sein, von Rauch durch Waldbrände und landwirtschaftliche Aktivitäten in den Nachbarstaaten bis hin zu Aerosolen, die aus dem gesamten Golf von Mexiko kommen. Es erfordert Messungen für viele Jahreszeiten, um über die Ursache der AOT-Gipfel im Mai und Februar endgültig zu sein.
Abbildung 4: Lineare Regressionskurven für AOT-Werte aus zwei verschiedenen Handsonnenbildfotometern am Standort XULA. Seriennummern RG-989 und RG-9990. (a) 625 nm und (b) 505 nm. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Wir haben die Zuverlässigkeit der GLOBE-Sonnenphotometer überprüft, indem wir zwei unabhängig kalibrierte Instrumente gegeneinander verglichen haben. Abbildung 4 zeigt AOT-Daten aus dem GLOBE-Sonnenphotometer mit Seriennummer RG8-989 und ein weiteres mit Seriennummer RG8-990. Die Abbildung zeigt, dass die Übereinstimmung zwischen den beiden Sonnenphotometern für den 505 nm-Kanal stärker ist als der 625 nm-Kanal. Der R-Quadratwert für den 505 nm (grünen) Kanal betrug 95,3% und die Steigung der linearen Regressionslinie zwischen den beiden Sonnenfotometern 0,89. Für den 625 nm-Kanal (rot) betrug R-squared 91,6% und die lineare Regressionslinie 0,82. Die Einigung auf den roten Kanal ist wegen der Auswirkungen der Heizung auf die rote LED geringer. Die rote LED ist temperaturempfindlicher als die grüne LED. Die Vereinbarung für beide Kanäle wird verbessert, wenn Datensammler die Exposition des Instruments gegenüber direkter Sonneneinstrahlung zwischen den Messungen kontrollieren.
Abbildung 5: Die variaberistale Variabilität der Stundenmittelwerte von AOT, die über den Zeitraum von 12 Monaten berechnet werden. Die Zeit, die auf dem Diagramm gezeigt wird, ist lokale Zeit. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Abbildung 5 zeigt die Stundenvariante von AOT im Durchschnitt über den Zeitraum von 12 Monaten. Jeder Datenpunkt betrug durchschnittlich 194 Messungen. Die tägliche Variante lag zwischen 0,265 Uhr morgens und 0,06 am Abend für den 505 nm-Kanal, was einer Variation von etwa 77 Prozent entspricht. Die Daten zeigen einen Peak bei 9:00 AM von 0.265 und einen weiteren Peak bei 3:00 PM von 0.182 für den 505 nm-Kanal. Der 625 nm-Kanal zeigte ähnliche Spitzen. Auch wenn diese Zeiten mit den verkehrsberuhigten Stoßzeiten in New Orleans zusammenfielen, sind weitere Untersuchungen erforderlich, um festzustellen, ob die Spitzen ausschließlich auf die Emissionen von Fahrzeugen zurückzuführen sind.
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Discussion
Der erste Schritt in diesem Protokoll ist die Definition der Studienseite. Dies geschieht über ein GPS, um die Länge und Breite der Studienstelle zu finden. Die Längen-und Breitenwerte sind bei der Berechnung von AOT mit Gleichung 1 entscheidend. Bei der Messung ist es entscheidend, dass das Sonnenphotometer direkt und fest auf die Sonne zeigt. Das winzige Loch an der oberen Halterung des Handsonnenphotometers reduziert die Menge an Streulicht, die die LED-Detektoren im Sonnenphotometer erreicht. Gleichung 1 ist eine Annäherung, die davon ausgeht, dass kein gestreutes Licht durch das Loch an der oberen Halterung geht. Wenn das Sonnenphotometer richtig ausgerichtet ist, ist der Fehler, der durch diese Annahme eingeführt wird, im Vergleich zu anderen Fehlerquellen inder Messung 22,23,24vernachlässigbar. Die LEDs im Sonnenphotometer sind empfindlich gegenüber extremen Temperaturen. In den heißen Sommermonaten muss das Sonnenphotometer im Schatten gehalten werden, wenn es nicht benutzt wird. In den kalten Wintermonaten muss das Sonnenphotometer zwischen den Maßen in schützende Thermokleidung eingewickelt werden. In extrem kalten Umgebungen muss der Wärmeschutz während der Messungen eingesetzt werden. Bei normaler Bedienung sollte das Sonnenphotometer ein paar Millivolt im Dunkeln und zwischen 1,0 V und 3,0 V lesen, wenn es direkt auf die Sonne zeigt. Messungen mit dem Sonnenphotometer sind zuverlässig, wenn die Sonne von allen Wolken frei ist. Das Tragen einer Sonnenbrille mit einem Aubrenint-Tönung hilft, schwache Wolken zu erkennen, die sonst für das Nackendes Auges 25,26unsichtbar sind.
Das AOT, das aus der Gleichung 1 berechnet wird, muss für den Ozonbeitrag zu AOT korrigiert werden. Dies geschieht, indem ~ 0,01 und ~ 0,03 von den AOT-Werten abgezogen werden, die für die grünen und roten Kanäle bzw.22 berechnet werden. Wenn diese Protokolle sorgfältig befolgt werden, sollte die Genauigkeit ~ 0,02 AOT-Einheiten sein. Diese Genauigkeit erlaubt es uns, jegliche Beiträge zu AOT aufgrund der Wasserdampfaufnahme zu ignorieren. Die oben genannten Protokolle sind einfach und können von Schülern der Mittelschule bis zur Hochschule befolgt werden. Das Handsonnenphotometer verwendet LEDs, die preiswert sind und leicht aus elektronischen Geschäften bezogen werden können. Das Instrument selbst ist robust und braucht keine besondere Pflege.
Derzeit gibt es weltweit über 400 AERONET-Überwachungsstationen, aber auch diese reichen nicht aus, um den ganzen Planeten abzudecken. Handgehaltene Sonnenphotometer, mit den hier beschriebenen Protokollen, können verwendet werden, um die Lücken zu überbrücken, die von AERONET ausgelassen wurden. Die Tausenden von Schulen rund um den Globus können organisiert werden, um ein Netzwerk von bodengestützten Überwachungsstationen zu bilden, die viel näher beieinander liegen als die AERONET-Stationen27,28. Mit dem Handsonnenphotometer mit den vorgegebenen Protokollen können auch aktuelle und zukünftige Weltraumüberwachungsplattformen validiert werden.
Eine der Einschränkungen der hier gegebenen Protokolle ist, dass die Ausrichtung mit der Sonne manuell erfolgt, was anfällig für menschliche Fehler ist. Es gibt auch Einschränkungen durch das Design des LED-basierten Handsonnenfotometers. Die Bandbreite (FWHM) für die LED-Detektoren beträgt ~ 75 nm, was zu Fehlern in der Messung führen kann. Die andere Herausforderung bei den vorgegebenen Protokollen besteht darin, Schülerteams so zu organisieren, dass die Daten kontinuierlich und regelmäßig erhoben werden. Die Studierenden können motiviert werden, Daten zu sammeln, indem sie ihnen einen gewissen Kredit zu ihrer Abschlussstufe gewähren.
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Disclosures
Die Autoren erklären keinen Interessenkonflikt.
Acknowledgments
Diese Arbeit wurde finanziell unterstützt durch das DOD ARO Stipendium #W911NF-15-1-0510 und National Science Foundation Research Initiation Awards unter Grant No. 1411209. Wir bedanken uns herzlich bei der Fakultät für Physik und Informatik und der Abteilung Bildung an der 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. |
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