מדידה של בעובי אירוסולים אופטיים של האטמוספירה באמצעות מחשב כף יד השמש פוטומטר

סיכום

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.

תקציר

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- v_כהה 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

מבוא

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 טבעיים^1,2,3,4. 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 געשיות^5,6,7,8.

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 AOT^9,10,11. 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 העולם^12,13. 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 העולמי^14,15. הלמידה הגלובלית ותצפיות לטובת הסביבה (גלוב) התוכנית מספקת פלטפורמה עבור רשת כזו, דרך אלפי בתי ספר בכל 50 מדינות ארצות הברית וכמעט 120 מדינות אחרות^16,17 . 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 לגישה^17,18

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- v_כהה 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, V_dark 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. בוכולץ^20,21 הפיק ערכים טבלתים של _R מבוסס על אטמוספרות סטנדרטית. לערוץ 505 ננומטר a_R ≈ 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

פרוטוקול

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.

1. 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.
2. 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
3. . 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.
4. הגדר את מתג הרוטרי לערוץ הירוק של הפומטר השמש.
5. 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.
6. 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.
7. הקלט את הזמן שבו הקריאה צולמה. הזמן חייב להיות מוקלט. בשנות ה -30 הקרובות שעון דיגיטלי משמש מטרה זו טוב יותר מאשר אחד אנלוגי.
8. . 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.
9. הגדר את מתג הרוטרי לערוץ האדום וחזור על שלבים 1.4 – 1.7.
10. חזור על שלבים 1.4 – 1.8 עוד ארבע פעמים כדי להשיג חמש המתח קריאות עבור הערוץ הירוק 5 קריאות מתח עבור הערוץ האדום
11. למדוד את טמפרטורת האוויר שוב כמו בשלב 1.2.

2. אוסף מטא-נתונים

1. 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.
   1. 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
   2. השתמש ברומטר כדי למדוד ולהקליט לחץ אטמוספירי.
2. 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.

1. אם הטמפרטורה בחוץ היא יותר מ 5 מעלות מתחת לטמפרטורת החדר, לשמור על פומטר השמש עטוף קצף תרמי כאשר לא בשימוש.
2. בעת לקיחת מדידות במהלך חודשי הקיץ החמים, לשמור על השמש פומטר בצל כאשר לא בשימוש.

תוצאות

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

דיון

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 במדידה

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה

שם	חברה	מספר קטלוג	הערות
פוטומטר שמש כף יד מכויל של GLOBE	IESRE, ארה"ב (פוטומטר שמש GLOBE) ו-TERNUM, בריטניה (פוטומטר שמש Calitoo פוטומטר		השמש GLOBE מודד AOT ב-505 ננומטר ו-625 ננומטר.
ברומטר	ספקי יערנות, ארה"ב, Cat# 43316	43316	הברומטר האנרואיד חייב להיות בעל סולם ברור עם טווח לחץ בין 940 ל -1,060 מיליבר.
תרשים ענן GLOBE	ספקי יערנות, ארה"ב Cat#33485	33485	תרשים זיהוי ענן בחינם מתקבל מ-www.globe.gov.
מד לחות	, ארה"ב, Cat# 76254	76245	כל מד לחות דיגיטלי המודד לחות יחסית בטווח של 20-95% בדיוק של 5% מקובל.
Labquest2 GPS	Vernier, ארה"ב, Cat LABQ2	LABQ2	Vernier LabQuest 2 הוא ממשק עצמאי המשמש לאיסוף נתוני חיישנים עם יישום הגרפים והניתוח המובנה שלו. GPS הוא אחד החיישנים המובנים שלה
Taylor Orchid Thermometer	Forestry Suppliers, ארה"ב Cat# 89129	89129
ספקי	יערות שעונים, ארה"ב, Cat# 39137	39137	השעון חייב להיות דיגיטלי ומסוגל למדוד זמן עד שניות.