Summary
מטרת השיטות המוצגות כאן היא למדוד את עובי התרסיס האופטי של האטמוספירה. הפומטר השמש מכוון לשמש והקריאה הגדולה ביותר במתח המתקבלת על גבי מתח דיגיטלי מובנה מוקלטת. מדידות אטמוספריים כגון לחץ ברומטרי ולחות יחסית מתבצעות גם כן.
Abstract
כאן, אנו מתארים את המדידה של עובי תרסיס אופטי באמצעות הגלובוס מחשב כף יד של השמש. עובי תרסיס אופטי (AOT) נמדד באוניברסיטת אקסבייר של לואיזיאנה (XULA, 29.96 ° N, 90.11 ° W ו 3 מ מעל פני הים). המידות נעשו בשני אורכי גל שונים, 505 ננומטר ו 625 nm. מדידות AOT נעשו 6 פעמים ביום (7 בבוקר, 9 בבוקר, 11 בבוקר, בצהריים סולריים, 15:00 ו-17:00). הנתונים המוצגים בנייר זה הם ערכי ה-AOT הממוצעים החודשיים שנלקחו בצהריים סולריים. בכל זמן מדידה; לפחות חמישה ערכים של מתח אור השמש v ו- vכהה מתח כהה נלקחים עבור כל ערוץ. הממוצע לחמש המידות האלה נלקח כהממוצע לזמן המדידה. נתונים מטאורולוגיים אחרים כגון טמפרטורה, לחץ פני השטח, גשמים ולחות יחסית נמדדים גם באותו זמן. הפרוטוקול כולו מושלם בטווח זמן של 10 – 15 דקות. ערכי ה-AOT הנמדדים ב505 ננומטר ו-625 ננומטר משמשים לשער את ערכי ה-AOT עבור אורכי גל 667 nm, 551 nm, 532 nm ו-490 nm. ערכי ה-AOT הנמדדים והמודלים השוו לערכים מתחנת ה-AERONET הקרובה ביותר באתר של Wave CIS 6 (AERONET, 28.87 ° N, 90.48 ° W ו 33 מ מעל פני הים), שהוא כ-96 ק מ מדרום ל-XULA. במחקר זה איתרנו את הווריאציות השנתיות והיומיות של AOT לתקופה של 12 חודשים מספטמבר 2017 ועד אוגוסט 2018. כמו כן, השוונו את נתוני ה-AOT משני פוטומטריים בעלי מחשב כף יד מכוילים באופן עצמאי באתר XULA. הנתונים מראים ששני המכשירים. נמצאים בהסכם מצוין
Introduction
אירוסולים אטמוספריים הם חלקיקים מוצקים ונוזליים לדקה (החל מסאב-מיקרון לגודל מילימטר) המושהה באוויר. אירוסולים מסוימים מיוצרים באמצעות פעילות אנושית ואחרים מיוצרים על ידי תהליכים טבעיים1,2,3,4. אירוסולים באטמוספירה מפחיתים את כמות האנרגיה הסולארית המגיעה למשטח האדמה באמצעות פיזור או קליטת קרינת האור והחום מהשמש. כמות התרסיס באטמוספירה משתנה באופן משמעותי עם המיקום והזמן. ישנם שינויים עונתיים ושנתיים כמו גם שינויים האפיזודי בשל אירועים כגון סופות אבק גדולות, שריפות בר או התפרצויות געשיות5,6,7,8.
ההשפעה של אירוסולים על האקלים ועל בריאות הציבור הם בין הנושאים דומיננטי במחקר הסביבתי הנוכחי. אירוסולים משפיעים על מזג האוויר על-ידי פיזור או קליטת קרינת האור והחום מהשמש והפעלת גרעיני התעבות בהיווצרות העננים. אירוסולים גם לשחק תפקיד בפיזור של פתוגנים באוויר והם יכולים לגרום או לשפר מחלות נשימה וכלי דם. עובי תרסיס אופטי (AOT) הוא מדד לכמות האור השמש הנספג או מפוזר באמצעות אירוסולים אלה. ישנן מספר שיטות מבוססות קרקע לניטור AOT9,10,11. הגדול ביותר של מערכת ניטור AOT המבוססת על הקרקע הוא הפרויקט הרשת של תרסיס רובוטית (AERONET). AERONET היא רשת של מעל 400 תחנות ניטור התפשטה בכל רחבי העולם12,13. למרות המספר הגדול הזה של תחנות ניטור, יש עדיין פערים גדולים ברחבי העולם, כי הם לא מנוטרים עבור AOT. כדוגמה, תחנת ה-AERONET הקרובה ביותר מאתר המחקר שלנו היא כ 90 ק מ משם. נייר זה מתאר את השימוש בפומטר נייד מחשבי כף-יד ניידים שניתן להשתמש בו כדי לגשר על הפערים בין תחנות ניטור AERONET. השמש הניידת של מחשב כף היד הוא כלי אידיאלי לשימוש על ידי סטודנטים ברחבי העולם ברשת בקרת תרסיס העולמי14,15. הלמידה הגלובלית ותצפיות לטובת הסביבה (גלוב) התוכנית מספקת פלטפורמה עבור רשת כזו, דרך אלפי בתי ספר בכל 50 מדינות ארצות הברית וכמעט 120 מדינות אחרות16,17 . הרעיון העיקרי של תוכנית גלוב היא להשתמש בסטודנטים בכל רחבי העולם כדי לספק מדידות יקרי ערך מדעית של פרמטרים סביבתיים באמצעות ציוד זול. עם הנחיה נאותה, סטודנטים ומומחים אחרים יכולים ליצור רשתות של פוטומטי שמש מסוג כף-יד כדי למלא את הפערים בין תחנות הניטור של AERONET. היתרון הגדול ביותר של פומטר השמש הידני הוא כי ניתן לקחת את החלקים המרוחקות ביותר של העולם. מדידות AOT עם מכשירים קטנים אחרים הניתנים להעברה בהצלחה בעבר כדי לבצע לימודי מחקר באזורים מרוחקים וקשים לגישה17,18
המטרה העיקרית של מחקר זה היא להשתמש בפוטומטי השמש של הגלובוס כדי לעקוב אחר השנה השנתית, יומית ושעות של AOT באתר המחקר שלנו XULA ולהשוות עם מדידות מתחנת AERONET סמוכה. מסמך זה מציג נתונים לתקופה של 12 חודשים מספטמבר 2017 ועד אוגוסט 2018. זהו ה-AOT הראשון שנרשם עבור אתר ה-XULA. כדור הארץ השמש מודד AOT בשני אורכי גל, 505 nm ו 625 nm. אתר AERONET באתר Wave CIS 6 מודד AOT ב 15 אורכי גל שונים. עבור ההשוואה שלנו התמקדנו אלה 4 אורכי גל, 667 nm, 551 nm, 532 nm ו 490 nm. בחרנו אלה מכיוון שהם 4 אורכי גל AERONET הקרוב ביותר לעולם האור הפוטר של הגלובוס. כדי לבצע את ההשוואה, שמנו ערכי AOT באורכי גל אלה עבור אתר XULA.
מדידות של AOT נעשים בכל יום כאשר תנאי מזג האוויר מתירים. מדידות שנעשים כאשר יש ענני נוצה בקרבת השמש אינם נכללים בניתוח. טבלה 1 מציגה את מספר הימים בכל חודש שהיה לנו שמיים ברורים לחלוטין. בסך הכל, כ 47% מהנתונים שנלקחו לא נכללו.
| חודש | ספטמבר | Oct | נובמבר | Dec | Jan | Feb | Mar | Apr | מאי | יוני | Jul | Aug |
| מספר הימים | 18 | 20 | 16 | 15 | 15 | 15 | 16 | 15 | 18 | 15 | 15 | 16 |
טבלה 1: מדידות AOT נעשו 6 פעמים ביום (7:00 am, 9 בבוקר, 11 בבוקר, בצהריים סולריים, 3 בבוקר, ו-5 בבוקר). הנתונים המוצגים על המגרשים הם ערכי ה-AOT הממוצעים החודשיים שנלקחו בצהריים הסולריים. בכל זמן מדידה; לפחות חמישה ערכים של מתח אור השמש v ו- vכהה מתח כהה נלקחים עבור כל ערוץ. הממוצע לחמש המידות האלה נלקח כהממוצע לזמן המדידה. השגיאה במידות אלה מחושבת כסטיות סטנדרטיות של חמש מדידות אלה. ערכי AOT מתקבלים באמצעות המשוואה המוצגת להלן16:
V0 הוא קבוע כיול של פומטר השמש, R הוא מרחק כדור הארץ ביחידות אסטרונומיות, Vdark הוא מתח כהה הקליט כאשר האור נחסם לעבור דרך החור על החלק העליון של ה אור השמש, V הוא מתח האור השמש הקליט מתוך השמש פומטר כאשר התאורה עובר דרך החור על הסוגר העליון, R מייצג את הנחת האור בשל פיזור ריילי, p ו- p0 הן הלחץ האטמוספרי הנמדד והסטנדרטי, בהתאמה, ו- m היא מסת האוויר היחסית. מסת האוויר היחסית מחושבת מתוך נתונים שסופקו על ידי מינהל האוקיינוסים והאטמוספירה הלאומי (NOAA). נתונים מטאורולוגיים אחרים כגון טמפרטורה, גשמים ולחות יחסית נמדדים גם הם באותו זמן. משוואה 1 כפי שניתן לעיל כוללת את התרומות של עובי אופטי מאוזון. השפעת האוזון על ערכי AOT מחושבת בהתבסס על הערכים המוטבתים של מקדם ספיגת האוזון והנחות על כמות האוזון באטמוספירה19. בוכולץ20,21 הפיק ערכים טבלתים של R מבוסס על אטמוספרות סטנדרטית. לערוץ 505 ננומטר aR ≈ 0.13813 ולערוץ 625 ננומטר הוא ~ 0.05793.
הנתונים המוצגים כאן מייצגים דוגמה לאופן הארגון של קבוצות תלמידים לקחת מדידות AOT ארוכות ומתמשכת. במחקר זה, שתי קבוצות סטודנטים השתמשו בשני באופן עצמאי מכויל הגלובוס השמש פוטומטריים לעקוב אחר השנתי, יום יומית וריאציה של עובי תרסיס אופטי של האטמוספירה באתר המחקר שלנו XULA. שני פומטרים השמש של הגלובוס בשימוש בחקירה הזאת נרכשו מ-המכון לחקר כדור הארץ מדעי והשכלה; אחד היה מספר סידורי RG8-989 והשני היה מספר סידורי RG8-990). לפני שניתן יהיה לשלב את הנתונים משני המכשירים, ניתוח רגרסיה בוצע כדי לוודא את ההסכם
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. מבצע פומטר
הערה: הפרוטוקולים האלה נעשים בדרך הטובה ביותר ע י שני אנשים שעובדים יחד. אדם אחד מחזיק ומיישר את הפומטר השמש בזמן שהאדם השני מתעד את המידות.
- מדוד את קו האורך והרוחב עבור האתר באמצעות GPS. באתר, הצעד הראשון הוא להפעיל את ה-GPS על ידי בחירת חיישן הגדרת מהתפריט חיישן ולבחור GPS. לאחר ה-GPS רכשה מספיק לוויינים, ערכי קו הרוחב וקו האורך יוצגו. לאחר הצגת ערכים מוצגים העיתונות לאסוף נתונים ולאחר מכן להקיש שמור.
- ודא שפומטר השמש פועל היטב. מכויל כראוי השמש פומטר צריך לייצר מתח יציב של ~ 0.03 V בתוך הבית עד 5 V כאשר אור מכוונת על הגלאי. מד המתח על הפומטר השמש של הגלובוס נבנה על הפומטר השמש
- . הקלט את טמפרטורת האוויר אם משתמשים באלכוהול במדחום זכוכית, תנו למדחום 3 – 5 דקות להסתגל לטמפרטורה החיצונית לפני שאתם מקליטים את הקריאה היציבה. בשעת שימוש במדחום המובנה של השמש, הפנו את המתג החוגה ל-T והקליטו את קריאת המתח על מונה המתח. הקריאה מתח הוכפל על ידי 100 ייתן את טמפרטורת האוויר במעלות צלזיוס באותו זמן.
- הגדר את מתג הרוטרי לערוץ הירוק של הפומטר השמש.
- יש אדם אחד ליישר את הפומטר השמש כך אור עובר דרך החור על הסוגר העליון מייצרת כתם אור השמש ממורכז על הנקודה הצבעונית על הסוגר התחתון. לקבלת התוצאות הטובות ביותר, השתמש בשולחן ובכיסא. האדם המבצע את הפומטר השמש צריך לשבת על הכיסא ולהניח את זרועותיו על השולחן כדי לקבל קריאה קבועה.
- שהאדם השני ירשום את. הקריאה על מד המתח ודא שנקודת השמש יציבה בנקודה לפני שהיא מקבלת קריאה. אם קריאת מתח אינה משתנה, פשוט הקלט את הערך המירבי המוצג.
- הקלט את הזמן שבו הקריאה צולמה. הזמן חייב להיות מוקלט. בשנות ה -30 הקרובות שעון דיגיטלי משמש מטרה זו טוב יותר מאשר אחד אנלוגי.
- . השג את המתח האפל האם האדם יושב למטה לשמור את האור השמש מיושר לשמש ביד אחת ולאחר מכן לכסות את החור על הסוגר העליון עם אצבע מצד שני. האדם השני ירשום את קריאת המתח.
- הגדר את מתג הרוטרי לערוץ האדום וחזור על שלבים 1.4 – 1.7.
- חזור על שלבים 1.4 – 1.8 עוד ארבע פעמים כדי להשיג חמש המתח קריאות עבור הערוץ הירוק 5 קריאות מתח עבור הערוץ האדום
- למדוד את טמפרטורת האוויר שוב כמו בשלב 1.2.
2. אוסף מטא-נתונים
-
השתמש בתרשים הענן של גלוב כדי להתבונן ולהקליט את העננים בסמוך לשמש. הדבר נעשה על-ידי התבוננות בשמים ובדיקת תכונות נצפו מתוך תרשים הענן של גלוב (https://www.globe.gov/documents/348614/24331082/GLOBE+Cloud+Chart.). ענני נוצה גלויים קל להתבונן בגלל קווצות שלהם דק ויספי סוני רזה. ענני נוצה בלתי נראים משתמעת אם הקריאה מתח אור השמש ביום בהיר ככל הנראה הוא פחות מ 0.5 V.
- השתמש בלומטר כדי למדוד ולהקליט את הלחות היחסית: החזק את ההיגרומטר עם זרוע מורחבת הרחק מהגוף, להשאיר אותו באוויר במשך כ 3 דקות, ולאחר מכן לקחת את הנורה היבשה הקריאה הראשונה ואחריו קריאה הנורה רטוב. מצא את ההבדל בשתי הקריאות והשתמש בתרשים הלחות היחסי כדי ליצור את הלחות היחסית
- השתמש ברומטר כדי למדוד ולהקליט לחץ אטמוספירי.
- חשב את AOT על-ידי חיבור הערכים הנמדדים והקבועים למשוואה 1 שניתנה לעיל.
3. בקרת טמפרטורה
הערה: האלקטרוניקה של הפומטר השמש. רגישות לטמפרטורה לקבלת ביצועים אופטימליים, מומלץ לבצע את השלבים הבאים.
- אם הטמפרטורה בחוץ היא יותר מ 5 מעלות מתחת לטמפרטורת החדר, לשמור על פומטר השמש עטוף קצף תרמי כאשר לא בשימוש.
- בעת לקיחת מדידות במהלך חודשי הקיץ החמים, לשמור על השמש פומטר בצל כאשר לא בשימוש.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
אור השמש של הגלובוס מודד AOT ב λ = 505 ננומטר ו λ = 625 nm. אתר AERONET באתר Wave CIS 6 מודד AOT ב 15 אורכי גל שונים. עבור ההשוואה שלנו אנו התמקדו אלה 4 אורכי גל של האתר AERONET: 667 nm, 551 nm, 532 nm ו 490 nm. כדי לבצע השוואה בין שתי התחנות, אנו מ667 את ה-AOT ב-nm, 551 ננומטר, 532 nm 490 ו-"nm" לאתר xula. פעולה זו מתבצעת באמצעות מקדמי אנגסטרום של האתר XULA. עבור כל אתר וכלי מכשיר, τ עובי אופטי, λ אורך הגל, ואת מקדם האטמוספירה עכירות β מחוברים באמצעות נוסחת העכירות של angstrom
2
כאשר α היא המעריך של אנגסטרום. α ו β הם עצמאיים של אורך הגל שבו עובי אופטי נמדד. הם פרמטרים המתארים את האטמוספירה הנמדדת. בהינתן aot בשני אורכי גל שונים (λ1 = 505 ננומטר ו λ2 = 625 nm, עבור פומטר השמש שלנו), ו-AOT נמדד (τ1 ו τ2), מעריך angstrom α עבור האתר xula מחושב מ המשוואה
3
ה-AOT (τ3) באורך הגל השלישי, λ3 יכול להיות שונה עבור התנאים האטמוספריים אותו באמצעות המשוואה:
4
ניתן להחליף את τ1ו- λ1 ב- τ2 ו- λ2 במשוואה 4 כדי לקבל את אותו הערך עבור τ3. חישוב זה משמש להשוואת ערכי τ שהושגו על-ידי שני מכשירים המשתמשים באורכי גל שונים. באופן אידיאלי, יש להשתמש בשני הכלים באותה מיקום. במקרה שלנו יש לציין כי שני המכשירים היו במרחק של כ-96 ק מ זה מזה.
איור 1: מדגם של ערכי AOT ממוצעים יומיים עבור הערוצים האדומים והירוקים הנמדדים ב-XULA, המחושב באמצעות משוואה 1. האיור מציג נתונים לחודש אוקטובר בלבד. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 1 מציג דגימה של ערכי ה-AOT הממוצעים הרגילים שחושבו באמצעות משוואה 1. איור זה מציג את נתוני ה-AOT עבור הערוצים הירוקים והאדומים של הפוטומטר של הגלובוס לחודש אוקטובר.
איור 2: וריאציה עונתית של AOT. (a) של ערכי ה-AOT הממוצעים החודשיים הנמדדים ב-xula במהלך תקופת 12 החודשים. ערכי AOT נמדדו באורכי גל 625 ננומטר ו 505 ננומטר. תיקון האוזון הוחל על נתונים אלה. קווי השגיאה מציגים את סטיית התקן של חמש המידות שצולמו עבור כל זמן מדידה. החיצים מציגים את פסגות ה-AOT בפברואר ובמאי. (ב) וריאציה עונתית של AOT באתר xula. העונות היו מסווגות: חורף (דצמבר, ינואר, פברואר), אביב (מרץ, אפריל, מאי), קיץ (יוני, יולי, אוגוסט) וסתיו (ספטמבר, אוקטובר, נובמבר). אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 2a מציג וריאציה של ה-AOT החודשי הממוצע הנמדד ב-xula במהלך 12 החודשים האחרונים. ממוצע האוזון האופטי עובי תיקונים של-0.01 ו-0.03 שהוחלו על 505 ננומטר ו 625 ערכי עובי בערך אופטי, בהתאמה. הנתונים מראים כי ה-AOT נמדד באורך גל 505 ננומטר (אור ירוק) צנח ברציפות מספטמבר עד ינואר ולאחר מכן הגיע לשיאו בפברואר. ה-AOT הנמדד באורך גל 625 ננומטר (אור אדום) בעקבות מגמה דומה, אך הגיע למינימום בדצמבר והחל לעלות לינואר ופברואר. AOT הנמדד ב 505 ננומטר נמצא בממוצע גבוה מ-AOT הנמדד ב 625 ננומטר. איור 2b מציג את ערכי ה-AOT הממוצעים בכל עונה. העונות חולקו כדלקמן: חורף (דצמבר, ינואר ופברואר), אביב (מרץ, אפריל מאי), קיץ (יוני, יולי ואוגוסט), ובסתיו (ספטמבר, אוקטובר ונובמבר). בקיץ הממוצע הגבוה ביותר ל-AOT ולחורף היה ה-AOT הממוצע הנמוך ביותר. ערכים גבוהים של AOT בחודשי הקיץ עשויים לנבוע מהתחממות פני כדור הארץ בשל הטמפרטורות באוויר הגבוה. האדמה החמימה מגבירה את שיעור האידוי. טיפות וגבישי קרח שיוצרים כאשר אדי מים זה קופא או מתעבה מגביר אירוסולים באטמוספירה. ערכים נמוכים של AOT בחודשי החורף עשויים לנבוע מניקוי עננים ולשטוף את התהליכים כאשר חודשי החורף משויכים גם למשקעים גבוהים.
איור 3: השוואה בין XULA ו AERONET. (א) מאשר על AOT ב-xula. ערכי AOT אלה השערו עבור 4 אורכי גל (667 ננומטר, 551 nm, 532 ננומטר ו490 nm) באמצעות משוואה 3. (ב) AERONET AOT באותם אורכי גל. נתוני AERONET המשמשים כאן מסווגים כרמה 2.0. הקרנת ענן ואלגוריתמים לתיקון האוזון ויושמו באופן אוטומטי על הנתונים. קווי השגיאה בלוח ב' מבוססים על אי הוודאות המינימלי של 0.02 יחידות AOT עבור הרמה 2.0 AERONET נתונים25. החיצים מציגים את פסגות ה-AOT בפברואר ובמאי עבור שניהם (a) ו-(ב). אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
כדי לבצע השוואה בין אתר ה-XULA לבין אתר AERONET, אנו מעריך את ערכי AOT באורכי גל 667 nm, 551 nm, 532 nm ו 490 nm עבור אתר XULA. זה נעשה באמצעות משוואה 3 לעיל. איור 3a מראה את ה-AOT האקסטרולי ב xula עבור אורכי גל 667 nm, 551 nm, 532 nm ו 490 nm. איור 3b מראה AERONET AOT נמדד באותו גל. נתונים אלה מראים הסכמה איכותית טובה אך בהתחשב במרחק בין שני האתרים, אין הצדקה להשוואות כמותיים יותר. למרות שבחנו בפסגות בפברואר ובמאי, ה-AOT הממוצע לחורף ולאביב היו הנמוכים ביותר. הדבר מרמז על כך שפסגות אלה הן בגלל כמה אירועים אקראיים. אירועים אלה יכולים להיות כל דבר מעשן משריפות היער ופעילויות חקלאיות במדינות השכנות לאירוסולים המגיעים מרחבי מפרץ מקסיקו. היא דורשת מדידות לעונות רבות למען הגורם לפסגות ה-AOT במאי ובפברואר.
איור 4: הקיכה ליניארית מתעקל לערכי AOT משני פוטומטריים שונים של שיזוף כף-יד באתר XULA. מספרים סידוריים RG-989 ו-RG-9990. (א) 625 nm ו-(ב) 505 nm. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
בדקנו את האמינות של הפוטומטרים של הגלובוס באמצעות השוואת שני מכשירים מכויל באופן עצמאי אחד נגד השני. איור 4 מציג נתוני AOT מתוך האור השמש של הגלובוס עם מספר סידורי RG8-989 ואחר עם מספר סידורי RG8-990. הדמות מראה כי ההסכם בין שני מדחום השמש הוא חזק יותר 505 ננומטר ערוץ מאשר ערוץ 625 ננומטר. ערך R בריבוע עבור הערוץ 505 ננומטר (ירוק) היה 95.3% והשיפוע של קו הרגרסיה הליניארית בין שני הפוטומטנים הראשון היה 0.89. עבור הערוץ 625 ננומטר (אדום), R-בריבוע היה 91.6% ושורת הרגרסיה הליניארית של השיפוע היתה 0.82. ההסכם על הערוץ האדום נמוך יותר בשל השפעות החימום על הנורית האדומה. נורית ה-LED האדומה רגישה יותר לטמפרטורה מאשר הנורית הירוקה. ההסכם עבור שני הערוצים משופר כאשר מלקטי הנתונים שולטים בחשיפת המכשיר לאור השמש הישיר בין המידות.
איור 5: השתנות Diurnal של ערכים הממוצע לשעה של AOT שחושבו במשך 12 החודשים. הזמן המוצג בגרף הוא זמן מקומי. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 5 מציג את הווריאציה המוצעת של AOT בממוצע במשך 12 החודשים. כל נקודת נתונים היתה ממוצע של 194 מדידות. הווריאציה היומית הייתה בין 0.265 לפנות בוקר ו0.06 בערב לערוץ ה505 ננומטר, המתאים ל-77% וריאציה. הנתונים מראים שיא ב 9:00 בבוקר של 0.265 ועוד פסגה בשעה 3:00 PM של 0.182 עבור ערוץ ה505 ננומטר. ערוץ 625 ננומטר הראה פסגות דומות. אף על פי שהזמנים האלה היו עם שיא שעות התנועה בניו אורלינס, יש צורך בחקירות נוספות כדי לקבוע אם הפסגות הן רק בגלל פליטת הרכב.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
הצעד הראשון בפרוטוקול זה הוא להגדיר את אתר המחקר. פעולה זו מתבצעת באמצעות GPS כדי למצוא את קו האורך ואת קו הרוחב של אתר המחקר. ערכי האורך והרוחב הם קריטיים בחישוב AOT באמצעות משוואה 1. במהלך המדידה, הכרחי שהפומטר השמש יהיה מכוון ישירות ויציב לשמש. החור הזעיר בחלק העליון של הפומטר כף השמש מפחית את כמות האור הפזורים המגיעים לגלאי ה-LED בפומטר השמש. משוואה 1 היא קירוב המניח כי אין אור מפוזר עובר דרך החור בסוגריים העליונים. אם השמש פומטר מיושר כראוי, השגיאה שהוצגה על ידי הנחה זו היא זניחה לעומת מקורות אחרים של שגיאה במדידה22,23,24. הנוריות בפומטר השמש רגישות לטמפרטורות קיצוניות. במהלך חודשי הקיץ החמים, ניתן לשמור את הפומטר השמש בצל כאשר לא בשימוש. במהלך חודשי החורף הקרים, הפומטר השמש חייב להיות עטוף בד תרמי מגן בין מדידות. בסביבות קרות מאוד, יש להשתמש בהגנה תרמית לאורך כל המדידות. כאשר הפעלה כרגיל, השמש פוטר צריך לקרוא כמה מיליולטים בחושך בין 1.0 V ו 3.0 V כאשר הצביע ישירות על השמש. מדידות עם הפומטר השמש אמינים כשהשמש ברורה מכל העננים. לבישת משקפי שמש עם גוון אובורן יסייע לזהות עננים עמומים אשר בלתי נראים אחרת לעין העורף25,26.
יש לתקן את ה-AOT המחושב ממשוואה 1 עבור תרומת האוזון ל-AOT. פעולה זו מתבצעת על-ידי חיסור ~ 0.01 ו-~ 0.03 מערכי ה-AOT המחושבים עבור הערוצים הירוקים והאדומים בהתאמה22. כאשר מעקב אחר פרוטוקולים אלה בקפידה, הדיוק צריך להיות ~ 0.02 יחידות AOT. רמת דיוק זו מאפשרת לנו להתעלם מכל תרומה ל-AOT בשל ספיגת אדי המים. הפרוטוקולים שניתנו לעיל הם פשוטים ויכולים לאחר מכן סטודנטים מחטיבת הביניים לרמת המכללה. פומטר השמש הידני משתמש נוריות אשר זולות הם מתקבלים בקלות מחנויות אלקטרוניות. המכשיר עצמו חזק ואינו זקוק לטיפול מיוחד.
כיום יש מעל 400 AERONET תחנות ניטור ברחבי העולם, אבל אפילו אלה הם לא מספיק כדי לכסות את כדור הארץ כולו. שימוש בפרוטוקולים המתוארים כאן יכול לשמש לגישור בין הפערים שנותרו על-ידי AERONET. אלפי בתי הספר ברחבי העולם יכול להיות מאורגן כדי ליצור רשת של תחנות ניטור הקרקע כי הם הרבה יותר קרוב אחד לשני מאשר תחנות AERONET27,28. השמש הידני מפוטר עם הפרוטוקולים הנתון יכול לשמש גם כדי לאמת הנוכחי והעתיד מבוסס על מרחב הפלטפורמה ניטור תרסיס.
אחת ממגבלות הפרוטוקולים הניתנים כאן היא שהיישור עם השמש מתבצע באופן ידני, הפגיע לשגיאות אנושיות. יש גם מגבלות הביא על ידי העיצוב של מבוסס LED פומטר השמש מבוססת כף יד. רוחב הפס (FWHM) עבור גלאי ה-LED הוא ~ 75 ננומטר שעלול לגרום לשגיאות במדידה. האתגר השני עם הפרוטוקולים הניתנים הוא ארגון צוותי סטודנטים כך שהנתונים נאספים ברציפות ובאופן קבוע. תלמידים יכולים להיות מוטיבציה לאסוף נתונים על ידי מתן להם קצת קרדיט לקראת הציון הסופי שלהם.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
המחברים לא מצהירים. על ניגוד אינטרסים
Acknowledgments
העבודה הזאת נתמכת מבחינה פיננסית על ידי המענק של משרד ההגנה הW911NF-15-1-0510 והמדע הלאומי לחקר הקרן הלאומית למדעי המדינה תחת גרנט מס ' 1411209. אנו מבטאים את הכרת התודה הכנה שלנו לפיסיקה ומדעי המחשב ולחטיבה לחינוך באוניברסיטת אקסבייר.
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. |
References
- 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).
- Toledano, C., et al. Overview of sun photometer measurements of aerosol properties in Scandinavia and Svalbard. Atmospheric Environment. 52, 182-188 (2012).
- Aerosol Protocol - GLOBE.gov. , Available from: https://www.globe.gov/documents/348614/e9acbb7a-5e1f-444a-bdd3-acff62b50759 (2019).
- 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).
- Gong, W., Zhang, S., Ma, Y. Aerosol Optical Properties and Determination of Aerosol Size Distribution in Wuhan, China. Atmosphere. 5, 81-91 (2014).
- Cisek, M., et al. Aerosol Optical Depth variations due to local breeze circulation in Kongsfjorden, Spitsbergen. Oceanologia. 59, 422-430 (2017).
- Charlson, R. J., et al. Climate forcing by anthropogenic aerosols. Science. 255, 423-430 (1992).
- Kohil, E. E., et al. A study of atmospheric aerosol optical properties over Alexandria city. Egypt Journal of Physics Conference. 810, 012033 (2017).
- 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).
- 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).
- 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).
- Mims, F. M. III An international haze-monitoring network for students. Bulletin of the American. Meteorological Society. 80, 1421-1431 (1999).
- Mielonen, T., et al. Temperature-dependence of aerosol optical depth over the southeastern US. Atmospheric Chemistry and Physics Discussion. , (2016).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Schmid, B., Wehrli, C. Comparison of Sun photometer calibration by use of the Langley technique and the standard lamp. Applied Optics. 34, 45014512 (1995).
- 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).
- 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).
- Bucholtz, A. Rayleigh-scattering calculations for the terrestrial atmosphere. Applied Optics. 34, 2765-2773 (1995).
- Brooks, D. R. Monitoring Solar Radiation and Its Transmission through the Atmosphere. The GLOBE Program's Aerosols, Water Vapor, and UVA Monitoring Projects. , (2006).
- 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).
- Toledo, F., et al. AOT retrieval procedure for distributed measurements with low-cost Sun photometers. Journal of Geophysical Research Atmospheres. 123, 1113-1131 (2017).
- 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).
- 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).
- Bovchaliuk, V., et al. Aerosol Microtops II sunphotometer observations over Ukraine. Advances in Astronomy and Space Physics. 3, 46-52 (2013).
- 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).
- 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).
- Porter, J. N., et al. Handheld Sun Photometer Measurements from Light Aircraft. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology. 24, 1588-1597 (2007).
