Article de méthode

Mesure des aérosols épaisseur optique de l’atmosphère à l’aide du photomètre solaire de poche GLOBE

DOI :

10.3791/59257

⸱

29 mai 2019

 , 
1Department of Physics, Xavier University of Louisiana

Dans cet article

Résumé

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

L’objectif des méthodes présentées ici est de mesurer l’épaisseur optique de l’aérosol de l’atmosphère. Le photomètre solaire est pointé au soleil et la plus grande lecture de tension obtenue sur un voltmètre numérique intégré est enregistrée. Des mesures atmosphériques telles que la pression barométrique et l’humidité relative sont également effectuées.

Résumé

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Ici, nous décrivons la mesure de l’épaisseur optique des aérosols à l’aide du photomètre solaire de poche GLOBE. L’épaisseur optique des aérosols (AOT) a été mesurée à l’Université Xavier de Louisiane (XULA, 29,96 ° N, 90,11 ° o et 3 m au-dessus du niveau de la mer). Les mesures ont été faites à deux longueurs d’onde différentes, 505 nm et 625 nm. Les mesures AOT ont été effectuées 6 fois par jour (7 heures, 9 heures, 11 heures, midi solaire, 15 heures et 17 heures). Les données présentées dans cet article sont les valeurs mensuelles moyennes d’AOT prises à midi solaire. Pendant chaque temps de mesure; au moins cinq valeurs de la tension du soleil v et de la tension foncée vDark sont prises pour chaque canal. La moyenne pour ces cinq mesures est prise comme moyen pour ce temps de mesure. D’autres données météorologiques telles que la température, la pression superficielle, les précipitations et l’humidité relative sont également mesurées en même temps. L’ensemble du protocole est complété dans un laps de temps de 10 à 15 min. Les valeurs mesurées d’AOT à 505 nm et 625 nm sont ensuite utilisées pour extrapoler les valeurs d’AOT pour les longueurs d’onde 667 nm, 551 nm, 532 nm et 490 nm. Les valeurs mesurées et extrapolées de l’AOT ont ensuite été comparées aux valeurs de la station AERONET la plus proche au site 6 de Wave CIS (AERONET, 28,87 ° N, 90,48 ° o et 33 m au-dessus du niveau de la mer), soit environ 96 km au sud de XULA. Dans cette étude, nous avons suivi les variations annuelles et quotidiennes de l’AOT pour une période de 12 mois allant du 2017 septembre au 2018 août. Nous avons également comparé les données AOT de deux photomètres solaires de poche GLOBE étalonnés indépendamment sur le site XULA. Les données montrent que les deux instruments sont en excellent accord.

Introduction

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Les aérosols atmosphériques sont des particules solides et liquides de minute (allant de la taille de submicroniques à millimètre) suspendues dans l’air. Certains aérosols sont produits par l’activité humaine et d’autres sont produits par les processus naturels1,2,3,4. Les aérosols dans l’atmosphère réduisent la quantité d’énergie solaire atteignant la surface de la terre en diffusant ou en absorbant la lumière et le rayonnement thermique du soleil. La quantité d’aérosol dans l’atmosphère varie significativement avec l’emplacement et le temps. Il y a des changements saisonniers et annuels, ainsi que des changements épisodiques dus à des événements tels que de grandes tempêtes de poussière, des incendies sauvages ou des éruptions volcaniques5,6,7,8.

L’impact des aérosols sur le climat et sur la santé publique figurent parmi les sujets dominants de la recherche environnementale actuelle. Les aérosols affectent le temps en diffusant ou en absorbant la lumière et le rayonnement thermique du soleil et en agissant comme noyaux de condensation dans la formation de nuages. Les aérosols jouent également un rôle dans la dispersion des agents pathogènes dans l’air et ils peuvent causer ou améliorer les maladies respiratoires et cardiovasculaires. L’épaisseur optique des aérosols (AOT) est une mesure de la quantité de lumière du soleil qui est absorbée ou dispersée par ces aérosols. Il existe plusieurs méthodes fondées sur le sol pour la surveillance de l’AOT9,10,11. Le plus grand système de surveillance AOT basé sur le sol est le projet AERONET (réseau robotisé en aérosol). AERONET est un réseau de plus de 400 stations de surveillance réparties dans le monde12,13. Malgré ce grand nombre de stations de surveillance, il y a encore de grandes lacunes dans le monde entier qui ne sont pas surveillées pour l’AOT. À titre d’exemple, la station AERONET la plus proche de notre site d’étude est à environ 90 km. Cet article décrit l’utilisation d’un photomètre portatif de poche de soleil qui peut être utilisé pour combler les écarts entre les stations de surveillance AERONET. Le photomètre portatif de poche de soleil est un instrument idéal pour l’utilisation par les étudiants du monde entier dans un réseau mondial de surveillance des aérosols14,15. Le programme mondial d’apprentissage et d’observations au profit de l’environnement (Globe) fournit une plate-forme pour un tel réseau, à travers des milliers d’écoles dans tous les 50 États des États-Unis et dans près de 120 autres pays16,17 . L’idée principale du programme GLOBE est d’utiliser des étudiants partout dans le monde pour fournir des mesures scientifiquement précieuses des paramètres environnementaux en utilisant un équipement peu coûteux. Avec des conseils appropriés, les étudiants et autres non-spécialistes peuvent former des réseaux de photomètres solaires portatifs pour combler les écarts entre les stations de surveillance AERONET. Le plus grand avantage du photomètre portatif de soleil est qu’il peut être pris à même les parties les plus éloignées du monde. Les mesures d’AOT avec d’autres instruments petits et transportables ont été utilisées avec succès dans le passé pour mener des études de recherche dans des zones éloignées et difficiles d’accès17,18

L’objectif principal de cette étude est d’utiliser les photomètres solaires de poche GLOBE pour suivre la variation annuelle, quotidienne et horaire de l’AOT sur notre site d’étude XULA et comparer avec les mesures d’une station AERONET voisine. Ce document présente des données pour une période de 12 mois allant du 2017 septembre au 2018 août. C’est le tout premier AOT enregistré pour le site XULA. Le photomètre solaire GLOBE mesure l’AOT à deux longueurs d’onde, 505 nm et 625 nm. Le site AERONET du site Wave CIS 6 mesure l’AOT à 15 longueurs d’onde différentes. Pour notre comparaison, nous nous sommes concentrés sur ces 4 longueurs d’onde, 667 nm, 551 nm, 532 nm et 490 nm. Nous avons choisi ces derniers parce qu’ils sont les 4 longueurs d’onde AERONET les plus proches des longueurs d’onde du photomètre GLOBE soleil. Pour effectuer la comparaison, nous avons extrapolé les valeurs AOT à ces longueurs d’onde pour le site XULA.

Les mesures de l’AOT sont effectuées chaque jour lorsque les conditions météorologiques le permettent. Les mesures effectuées lorsqu’il y a des nuages de Cirrus à proximité du soleil sont exclues dans l’analyse. Le tableau 1 montre le nombre de jours de chaque mois où nous avions un ciel complètement dégagé. Au total, environ 47% des données recueillies ont été exclues.

moisSeptOctNovDecJanFévgâtertaux annuelpouvoirJuinJuilAoût
Nombre de jours182016151515161518151516

Tableau 1: les mesures AOT ont été effectuées 6 fois par jour (7:00 AM, 9h, 11h, midi solaire, 3 AM et 5 am). Les données affichées sur les parcelles sont les valeurs moyennes mensuelles d’AOT prises à midi solaire. Pendant chaque temps de mesure; au moins cinq valeurs de la tension du soleil v et de la tension foncée vDark sont prises pour chaque canal. La moyenne pour ces cinq mesures est prise comme moyen pour ce temps de mesure. L’erreur dans ces mesures est calculée comme les écarts types de ces cinq mesures. Les valeurs d’AOT sont obtenues en utilisant l’équation ci-dessous16:

figure-introduction-1

V0 est la constante d’étalonnage du photomètre solaire, R est la distance Terre-Soleil dans les unités astronomiques, vDark est la tension sombre enregistrée lorsque la lumière est bloquée de passer par le trou sur le support supérieur de la photomètre solaire, V est la tension du soleil enregistrée à partir du photomètre solaire lorsque la lumière traverse le trou sur le support supérieur, unR représente l’atténuation de la lumière due à la diffusion de Rayleigh, p et p0 sont la pression atmosphérique mesurée et standard, respectivement, et m est la masse d’air relative. La masse d’air relative est calculée à partir des données fournies par l’administration nationale océanique et atmosphérique (NOAA). D’autres données météorologiques telles que la température, les précipitations et l’humidité relative sont également mesurées en même temps. L’équation 1 comme indiqué ci-dessus comprend les apports d’épaisseur optique de l’ozone. L’effet de l’ozone sur les valeurs d’AOT est calculé sur la base des valeurs tabulées du coefficient d’absorption de l’ozone et des hypothèses sur la quantité d’ozone dans l’atmosphère19. Bucholtz20,21 a produit des valeurs tabulées d' unR basé sur des atmosphères standard. Pour le canal 505 nm aR ≈ 0,13813 et pour le canal 625 nm il est ~ 0,05793.

Les données présentées ici représentent un exemple de la façon dont les équipes d’étudiants peuvent être organisées pour prendre des mesures AOT longues et soutenues. Dans cette étude, deux équipes étudiantes ont utilisé deux photomètres solaires de poche GLOBE étalonnés indépendamment pour suivre la variation annuelle, quotidienne et horaire de l’épaisseur optique de l’aérosol de l’atmosphère à notre site d’étude XULA. Les deux photomètres Globe Sun utilisés dans cette enquête ont été achetés auprès de l’IESRE (Institut de recherche et d’éducation en sciences de la terre; l’un avait le numéro de série RG8-989 et l’autre avait le numéro de série RG8-990). Avant de combiner les données des deux instruments, une analyse de régression a été effectuée afin de vérifier l’accord

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Protocole

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1. fonctionnement du photomètre

Remarque: Ces protocoles sont mieux faits par deux personnes travaillant ensemble. Une personne retient et aligne le photomètre solaire pendant que la deuxième personne enregistre les mesures.

  1. Mesurez la longitude et la latitude du site à l’aide du GPS. Sur le site, la première étape consiste à activer le GPS en choisissant le réglage du capteur dans le menu du capteur et en sélectionnant GPS. Une fois que le GPS a acquis suffisamment de satellites, les valeurs de latitude et de longitude s’affichent. Une fois les valeurs affichées, appuyez sur collecter les données, puis appuyez sur Enregistrer.
  2. Assurez-vous que le photomètre solaire fonctionne bien. Un photomètre solaire correctement calibré devrait produire une tension stable de ~ 0,03 V à l’intérieur et jusqu’à 5 V lorsque la lumière est dirigée sur le détecteur. Le voltmètre sur le photomètre Globe Sun est construit sur le photomètre solaire
  3. Enregistrer la température de l’air. En cas d’utilisation d’alcool dans un thermomètre en verre, donner le thermomètre 3 – 5 min pour s’ajuster à la température extérieure avant d’enregistrer la lecture stable. Si vous utilisez le thermomètre intégré du photomètre solaire, tournez le sélecteur rotatif sur T et enregistrez la lecture de tension sur le voltmètre. La lecture de tension multipliée par le 100 donnera la température de l’air en degrés Celsius à ce moment-là.
  4. Réglez le sélecteur rotatif sur le canal vert du photomètre solaire.
  5. Demandez à une personne d’aligner le photomètre solaire de sorte que la lumière passant par le trou sur le support supérieur produise un spot solaire centré sur le point de couleur sur le support inférieur. Pour de meilleurs résultats, utilisez une table et une chaise. La personne qui aligne le photomètre solaire doit s’asseoir sur la chaise et reposer ses bras sur la table afin d’obtenir une lecture régulière.
  6. Demandez à la deuxième personne d’enregistrer la lecture sur le voltmètre. Assurez-vous que le spot solaire est stable sur le point avant de prendre une lecture. Si la lecture de la tension est fluctuante, il suffit d’enregistrer la valeur maximale indiquée.
  7. Enregistrez l’heure à laquelle la lecture a été prise. Le temps doit être enregistré au 30 s le plus proche. Une montre numérique sert ce but mieux qu’un analogue.
  8. Obtenir la tension sombre. Demandez à la personne assise de garder le photomètre du soleil aligné sur le soleil d’une main, puis couvrez le trou sur le support supérieur avec un doigt de l’autre main. La deuxième personne enregistrera la lecture de la tension.
  9. Réglez le sélecteur rotatif sur le canal rouge et répétez les étapes 1.4 à 1.7.
  10. Répétez les étapes 1.4 – 1.8 quatre fois pour obtenir cinq lectures de tensions pour le canal vert et cinq lectures de tension pour le canal rouge
  11. Mesurez à nouveau la température de l’air comme à l’étape 1,2.

2. collecte des métadonnées

  1. Utilisez la carte Cloud globe pour observer et enregistrer les nuages près du soleil. Cela se fait en regardant dans le ciel et en vérifiant les caractéristiques observées de la carte nuage GLOBE (https://www.globe.gov/documents/348614/24331082/GLOBE+Cloud+Chart.). Les nuages de Cirrus visibles sont faciles à observer en raison de leurs brins minces et légers caractéristiques. Des nuages de Cirrus invisibles sont déduits si la lecture de la tension du soleil sur un jour apparemment clair est inférieure à 0,5 V.
    1. Utiliser un hygromètre pour mesurer et enregistrer l’humidité relative: Tenez l’hygromètre avec un bras prolongé loin du corps, laissez-le dans l’air pendant environ 3 minutes, puis prenez la lecture de l’ampoule sèche d’abord suivie de la lecture de l’ampoule humide. Trouvez la différence dans les deux lectures et utilisez le tableau d’humidité relative pour établir l’humidité relative
    2. Utilisez un baromètre pour mesurer et enregistrer la pression atmosphérique.
  2. Calculez AOT en branchant les valeurs mesurées et les constantes dans l’équation 1 donnée ci-dessus.

3. régulation de la température

Remarque: L’électronique du photomètre solaire est sensible à la température. Pour des performances optimales, les étapes suivantes sont recommandées.

  1. Si la température extérieure est supérieure à 5 degrés en dessous de la température ambiante, conservez le photomètre solaire enveloppé dans de la mousse thermique lorsqu’il n’est pas utilisé.
  2. Lorsque vous prenez des mesures pendant les mois chauds d’été, gardez le photomètre solaire à l’ombre lorsqu’il n’est pas utilisé.

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Résultats

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Le photomètre solaire GLOBE mesure l’AOT à λ = 505 nm et λ = 625 nm. Le site AERONET du site Wave CIS 6 mesure l’AOT à 15 longueurs d’onde différentes. Pour notre comparaison, nous nous sommes concentrés sur ces 4 longueurs d’onde du site AERONET: 667 nm, 551 nm, 532 nm et 490 nm. Pour faire une comparaison entre les deux stations, nous avons extrapolé AOT à 667 nm, 551 nm, 532 nm et 490 nm pour le site XULA. Ceci est fait en utilisant les coefficients Angstrom du site XULA. Pour un site ...

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Discussion

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La première étape de ce protocole est de définir le site d’étude. Ceci est fait en utilisant un GPS pour trouver la longitude et la latitude du site d’étude. Les valeurs de longitude et de latitude sont cruciales dans le calcul de l’AOT à l’aide de l’équation 1. Pendant la mesure, il est crucial que le photomètre solaire soit pointé directement et fermement au soleil. Le petit trou sur le support supérieur du photomètre portatif de soleil réduit la quantité de lumière dispersée atteignant les détecteurs de LED dans le ph...

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Déclarations de divulgation

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Les auteurs ne déclarent aucun conflit d’intérêts.

Remerciements

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Ce travail a été appuyé financièrement par la subvention du DOD ARO #W911NF-15-1-0510 et le National Science Foundation Research initiation Awards sous la concession no 1411209. Nous exprimons notre sincère gratitude au département de physique et informatique et à la Division de l’éducation de l’Université Xavier de Louisiane.

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
Un photomètre solaire portable GLOBE IESRE, USA (photomètre solaire GLOBE) et TERNUM, UK (photomètreLe photomètre solaire GLOBE mesure l’AOT à 505 nm et 625 nm.
BaromètreFournisseurs forestiers, États-Unis, Cat# 4331643316 Lebaromètre anéroïde doit avoir une échelle claire avec une plage de pression comprise entre 940 et 1 060 millibars.
Carte des nuages GLOBEFournisseurs forestiers, États-Unis Cat#3348533485Une carte d’identification des nuages gratuite est obtenue auprès de www.globe.gov.
HygromètreFournisseurs forestiers, États-Unis, Cat# 7625476245Tout hygromètre numérique qui mesure l’humidité relative dans la plage de 20 à 95 % avec une précision de 5 % est acceptable.
Labquest2 GPSVernier, États-Unis, Cat LABQ2LABQ2 Vernier LabQuest2 est une interface autonome utilisée pour collecter des données de capteur grâce à son application intégrée de représentation graphique et d’analyse. Le GPS est l’un de ses capteurs intégrés
Taylor Orchid ThermometerForestry Suppliers, USA Cat# 8912989129
Watch Forestry suppliers, USA, Cat# 3913739137La montre doit être numérique et capable de mesurer le temps jusqu’à quelques secondes.
solaire Calitoo

Références

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