Messung der Aerosols Optische Dicke der Atmosphäre mit dem GLOBE Handheld Sun Photometer

Zusammenfassung

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.

Zusammenfassung

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 V_dunkel 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.

Einleitung

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 AOT^9,10,11. 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 Studenten^aufder 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 V_dunkel 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:

V_{0 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, ein_R stellt die Dämpfung des Lichts durch Rayleigh Streuung, P und P_{0 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. Bucholtz^20,21hat tabellarische Werte eines _R auf Basis von Standardatmosphären erzeugt. Für den 505 nm-Kanal ist ein_R "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.

Protokoll

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.

1. 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.
2. 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
3. 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.
4. Stellen Sie den Drehschalter auf den grünen Kanal des Sonnenphotometers.
5. 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.
6. 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.
7. 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.
8. 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.
9. Stellen Sie den Drehschalter auf den roten Kanal und wiederholen Sie die Schritte 1,4 – 1.7.
10. Wiederholungsschritte 1,4 – 1,8 vier Mal mehr, um fünf Spannungswerte für den grünen Kanal und fünf Spannungswerte für den roten Kanal zu erhalten
11. Messen Sie die Lufttemperatur wieder wie in Schritt 1.2.

2. Sammlung der Metadaten

1. 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.
   1. 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
   2. Verwenden Sie ein Barometer, um den Luftdruck zu messen und zu erfassen.
2. 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.

1. Wenn die Außentemperatur mehr als 5 Grad unter der Raumtemperatur liegt, halten Sie das Sonnenphotometer in Thermoschaum gewickelt, wenn es nicht benutzt wird.
2. Bei Messungen in den heißen Sommermonaten sollte man das Sonnenphotometer im Schatten halten, wenn es nicht in Gebrauch ist.

Ergebnisse

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-Web...

Diskussion

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 Ann...

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien

Name	Unternehmen	Katalognummer	Kommentare
Ein kalibriertes GLOBE Sonnenphotometer	IESRE, USA (GLOBE Sonnenphotometer) und TERNUM, UK (Calitoo Sonnenphotometer		Das GLOBE Sonnenphotometer misst AOT bei 505 nm und 625 nm.
Barometer	Forstzulieferer, USA, Cat# 43316	43316	Das Aneroid-Barometer muss über eine übersichtliche Skala mit einem Druckbereich zwischen 940 und 1.060 Millibar verfügen.
GLOBE Wolkenkarte	Forstzulieferer, USA Cat#33485	33485	Eine kostenlose Wolkenidentifikationskarte erhalten Sie von www.globe.gov.
Hygrometer	Forstzulieferer, USA, Cat# 76254	76245	Jedes digitale Hygrometer, das die relative Luftfeuchtigkeit im Bereich von 20-95% mit einer Genauigkeit von 5% misst, ist akzeptabel.
Labquest2 GPS	Vernier, USA, Cat LABQ2	LABQ2	Vernier LabQuest 2 ist eine eigenständige Schnittstelle, die zur Erfassung von Sensordaten mit der integrierten Grafik- und Analyseanwendung verwendet wird. GPS ist einer der eingebauten Sensoren
Taylor Orchid Thermometer	Forestry Suppliers, USA Cat# 89129	89129
Uhr	Forestry suppliers, USA, Cat# 39137	39137	Die Uhr muss digital sein und in der Lage sein, die Zeit bis zu Sekunden zu messen.