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Articolo metodologico

Misura dello spessore ottico aerosols dell'atmosfera utilizzando il fotometro solare palmare GLOBE

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DOI:

10.3791/59257

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29 maggio 2019

 , 
1Department of Physics, Xavier University of Louisiana

In questo articolo

Sommario

L'obiettivo dei metodi presentati qui è quello di misurare lo spessore ottico dell'aerosol dell'atmosfera. Il fotometro solare è puntato al sole e viene registrata la più grande lettura di tensione ottenuta su un voltmetro digitale integrato. Vengono inoltre eseguite misurazioni atmosferiche come la pressione atmosferica e l'umidità relativa.

Abstract

Qui descriviamo la misura dello spessore ottico dell'aerosol utilizzando il fotometro palmare GLOBE. Lo spessore ottico dell'aerosol (AOT) è stato misurato presso la Xavier University of Louisiana (XULA, 29,96 ° N, 90,11 ° W e 3 m sul livello del mare). Le misurazioni sono state effettuate a due lunghezze d'onda diverse, 505 nm e 625 Nm. Le misurazioni AOT sono state effettuate 6 volte al giorno (7 AM, 9 AM, 11 AM, mezzogiorno solare, 3 PM e 5 PM). I dati mostrati in questo documento sono i valori medi mensili AOT presi al mezzogiorno solare. Durante ogni tempo di misurazione; per ogni canale vengono presi almeno cinque valori della tensione della luce solare v e della tensione scura vDark . La media per queste cinque misurazioni viene considerata come il valore medio per quel tempo di misura. Altri dati meteorologici come temperatura, pressione superficiale, precipitazioni e umidità relativa sono misurati allo stesso tempo. L'intero protocollo è completato entro un lasso di tempo di 10-15 min. I valori AOT misurati a 505 nm e 625 nm vengono quindi utilizzati per estrapolare i valori AOT per lunghezze d'onda 667 Nm, 551 nm, 532 nm e 490 nm. I valori AOT misurati ed estrapolati sono stati poi confrontati con i valori della stazione AERONET più vicina al sito Wave CIS 6 (AERONET, 28,87 ° N, 90,48 ° W e 33 m sul livello del mare), che si trova a circa 96 km a sud di XULA. In questo studio abbiamo monitorato le variazioni annuali e giornaliere di AOT per un periodo di 12 mesi dal 2017 settembre al 2018 agosto. Abbiamo anche confrontato i dati AOT di due fotometri solari portatili GLOBE calibrati in modo indipendente sul sito XULA. I dati dimostrano che i due strumenti sono in ottimo accordo.

Introduzione

Gli aerosol atmosferici sono particelle solide e liquide minute (che vanno da submicron a millimetro di dimensione) sospese nell'aria. Alcuni aerosol sono prodotti attraverso l'attività umana e altri sono prodotti dai processi naturali1,2,3,4. Gli aerosol nell'atmosfera riducono la quantità di energia solare che raggiunge la superficie terrestre spargendo o assorbendo radiazioni luminose e termiche dal sole. La quantità di aerosol nell'atmosfera varia significativamente con la posizione e il tempo. Ci sono cambiamenti stagionali e annuali, nonché cambiamenti episodici a causa di eventi come grandi tempeste di polvere, incendi selvatici o eruzioni vulcaniche5,6,7,8.

L'impatto degli aerosol sul clima e sulla salute pubblica è tra i temi dominanti nell'attuale ricerca ambientale. Gli aerosol influenzano il tempo spargendo o assorbendo la luce e la radiazione termica dal sole e agendo come nuclei di condensazione nella formazione delle nuvole. Anche gli aerosol giocano un ruolo nella dispersione degli agenti patogeni nell'aria e possono causare o migliorare le malattie respiratorie e cardiovascolari. Lo spessore ottico dell'aerosol (AOT) è una misura della quantità di luce solare assorbita o dispersa da questi aerosol. Ci sono diversi metodi basati sul terreno per il monitoraggio AOT9,10,11. Il più grande sistema di monitoraggio AOT basato sul suolo è il progetto AERONET (aerosol Robotic Network). Aeronet è una rete di oltre 400 stazioni di monitoraggio distribuite in tutto il mondo12,13. Nonostante questo gran numero di stazioni di monitoraggio, ci sono ancora grandi lacune in tutto il mondo che non sono monitorati per AOT. Ad esempio, la stazione AERONET più vicina dal nostro sito di studio si trova a circa 90 km di distanza. Questo documento descrive l'uso di un fotometro palmare portatile che può essere utilizzato per colmare le lacune tra le stazioni di monitoraggio AERONET. Il fotometro portatile palmare Sun è uno strumento ideale per gli studenti di tutto il mondo in una rete globale di monitoraggio degli aerosol14,15. L'apprendimento globale e le osservazioni a beneficio del programma ambiente (Globe) fornisce una piattaforma per tale rete, attraverso migliaia di scuole in tutti gli stati 50 degli Stati Uniti e in quasi 120 altri paesi16,17 . L'idea principale del programma GLOBE è quella di utilizzare gli studenti di tutto il mondo per fornire misurazioni scientificamente preziose dei parametri ambientali utilizzando attrezzature poco costose. Con una guida adeguata, gli studenti e altri non specialisti possono formare reti di fotometri solari portatili per colmare le lacune tra le stazioni di monitoraggio AERONET. Il più grande vantaggio del fotometro solare palmare è che può essere portato anche alle parti più remote del mondo. Le misurazioni AOT con altri strumenti piccoli e trasportabili sono state utilizzate con successo in passato per effettuare studi di ricerca in aree remote e difficili da accedere17,18

L'obiettivo principale di questo studio è quello di utilizzare i fotometri solari portatili GLOBE per tracciare la variazione annuale, giornaliera e oraria di AOT nel nostro sito di studio XULA e confrontarlo con le misurazioni da una stazione AERONET vicina. Questo documento presenta i dati per un periodo di 12 mesi dal 2017 settembre al 2018 agosto. Questo è il primo AOT mai registrato per il sito XULA. Il fotometro solare GLOBE misura AOT a due lunghezze d'onda, 505 nm e 625 Nm. Il sito AERONET a Wave CIS Site 6 misura AOT a 15 diverse lunghezze d'onda. Per il nostro confronto ci siamo concentrati su queste 4 lunghezze d'onda, 667 Nm, 551 nm, 532 nm e 490 nm. Abbiamo scelto questi perché sono le 4 lunghezze d'onda di AERONET più vicine alle lunghezze d'onda dei fotometri solari GLOBE. Per effettuare il confronto, abbiamo estrapolato i valori AOT a queste lunghezze d'onda per il sito XULA.

Le misurazioni di AOT vengono effettuate ogni giorno quando le condizioni meteorologiche lo consentono. Le misurazioni effettuate quando ci sono nubi di Cirrus nelle vicinanze del sole sono escluse nell'analisi. La tabella 1 Mostra il numero di giorni in ogni mese che avevamo cieli completamente chiari. Complessivamente, circa il 47% dei dati presi è stato escluso.

meseSettembreOttobreNovembreDicembreGennaioFebbraiosciupareAprmaggioGiuLugAgosto
Numero di giorni182016151515161518151516

Tabella 1: le misurazioni AOT sono state effettuate 6 volte al giorno (7:00 AM, 9 am, 11 am, mezzogiorno solare, 3 AM e 5 AM). I dati mostrati sui grafici sono i valori medi mensili AOT presi al mezzogiorno solare. Durante ogni tempo di misurazione; per ogni canale vengono presi almeno cinque valori della tensione della luce solare v e della tensione scura vDark . La media per queste cinque misurazioni viene considerata come il valore medio per quel tempo di misura. L'errore in queste misurazioni è calcolato come le deviazioni standard di queste cinque misurazioni. I valori AOT sono ottenuti utilizzando l'equazione mostrata sotto16:

figure-introduction-1

V0 è la costante di calibrazione del fotometro solare, R è la distanza terra-sole in unità astronomiche, vscuro è la tensione oscura registrata quando la luce è bloccata dal passaggio attraverso il foro sulla staffa superiore del Sun fotometro, V è la tensione di luce solare registrata dal fotometro sole quando la luce passa attraverso il foro sulla staffa superiore, unR rappresenta l'attenuazione della luce a causa di Rayleigh scattering, p e p0 sono la pressione atmosferica misurata e standard, rispettivamente, e m è la massa d'aria relativa. La massa d'aria relativa è calcolata dai dati forniti dall'amministrazione nazionale oceanica e atmosferica (NOAA). Anche altri dati meteorologici come temperatura, precipitazioni e umidità relativa sono misurati allo stesso tempo. L'equazione 1 come indicato sopra include i contributi dello spessore ottico dall'ozono. L'effetto dell'ozono sui valori di AOT è calcolato sulla base dei valori tabulari del coefficiente di assorbimento dell'ozono e delle ipotesi sulla quantità di ozono nell'atmosfera19. Bucholtz20,21 ha prodotto valori tabulari di unaR sulla base di atmosfere standard. Per il canale 505 nm aR ≈ 0,13813 e per il canale 625 nm è ~ 0,05793.

I dati qui presentati rappresentano un esempio di come le squadre di studenti possono essere organizzate per prendere misure AOT lunghe e sostenute. In questo studio, due team di studenti hanno utilizzato due fotometri solari portatili GLOBE calibrati in modo indipendente per tracciare la variazione annuale, giornaliera e oraria dello spessore ottico dell'aerosol dell'atmosfera nel nostro sito di studio XULA. I due fotometri solari Globe utilizzati in questa indagine sono stati acquistati presso l'IESRE (Istituto per la ricerca e l'educazione della scienza della terra; uno aveva il numero di serie RG8-989 e l'altro aveva il numero di serie RG8-990). Prima di combinare i dati dei due strumenti, è stata effettuata un'analisi di regressione per accertare l'accordo

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Protocollo

1. funzionamento del fotometro

Nota: Questi protocolli sono meglio realizzati da due persone che lavorano insieme. Una persona tiene e allinea il fotometro solare mentre la seconda persona registra le misurazioni.

  1. Misurare la longitudine e la latitudine del sito utilizzando il GPS. Nel sito, il primo passo è quello di attivare il GPS scegliendo il set-up del sensore dal menu del sensore e selezionare GPS. Una volta che il GPS ha acquisito abbastanza satelliti, verranno visualizzati i valori di latitudine e longitudine. Una volta visualizzati i valori, premere Raccogli dati e quindi premere Salva.
  2. Accertarsi che il fotometro solare funzioni bene. Un fotometro solare adeguatamente calibrato dovrebbe produrre una tensione stabile di ~ 0,03 V in interni e fino a 5 V quando la luce è diretta sul rivelatore. Il voltmetro sul fotometro a globo è costruito sul fotometro solare
  3. Registrare la temperatura dell'aria. Se si utilizza un alcool in vetro termometro, dare il termometro 3 – 5 min per regolare alla temperatura esterna prima di registrare la lettura stabile. Se si utilizza il termometro incorporato del fotometro solare, ruotare il selettore a T e registrare la lettura della tensione sul voltmetro. La lettura della tensione moltiplicata per il 100 darà la temperatura dell'aria in gradi Celsius in quel momento.
  4. Impostare il selettore sul canale verde del fotometro solare.
  5. Avere una persona allineare il fotometro solare in modo che la luce che passa attraverso il foro sulla staffa superiore produce un punto luce del sole centrato sul punto colorato sul movimento inferiore. Per risultati ottimali, utilizzare un tavolo e una sedia. La persona che allinea il fotometro solare dovrebbe sedersi sulla sedia e riposare le braccia sul tavolo al fine di ottenere una lettura costante.
  6. Avere la seconda persona registrare la lettura sul voltmetro. Assicurarsi che il punto di sole è stabile sul punto prima di prendere una lettura. Se la lettura della tensione è fluttuante, basta registrare il valore massimo mostrato.
  7. Registrare l'ora in cui è stata scattata la lettura. Il tempo deve essere registrato al 30 s più vicino. Un orologio digitale serve A questo scopo meglio di quello analogico.
  8. Ottenere la tensione scura. Avere la persona seduto tenere il fotometro sole allineato al sole con una mano e poi coprire il foro sulla staffa superiore con un dito dall'altra mano. La seconda persona registrerà la lettura della tensione.
  9. Impostare il selettore sul canale rosso e ripetere i passaggi 1.4 – 1.7.
  10. Ripetere i passaggi 1.4 – 1.8 altre quattro volte per ottenere cinque letture di tensioni per il canale verde e cinque letture di tensione per il canale rosso
  11. Misurare nuovamente la temperatura dell'aria come nel passaggio 1,2.

2. raccolta dei metadati

  1. Usa il grafico nuvola Globe per osservare e registrare le nuvole vicino al sole. Questo viene fatto guardando nel cielo e controllando le caratteristiche osservate dal grafico nuvola GLOBE (https://www.globe.gov/documents/348614/24331082/GLOBE+Cloud+Chart.). Le nuvole di Cirrus visibili sono facili da osservare a causa dei loro caratteristici filamenti sottili di Wispy. Le nuvole di Cirrus invisibili sono dedotte se la lettura della tensione della luce solare in un giorno apparentemente chiaro è inferiore a 0,5 V.
    1. Utilizzare un igrometro per misurare e registrare l'umidità relativa: tenere l'igrometro con un braccio esteso lontano dal corpo, lasciarlo in aria per circa 3 minuti, e poi prendere la lettura bulbo secco prima seguita dalla lettura bulbo umido. Trovare la differenza nelle due letture e utilizzare il diagramma di umidità relativa per stabilire l'umidità relativa
    2. Utilizzare un barometro per misurare e registrare la pressione atmosferica.
  2. Calcola AOT collegando i valori misurati e le costanti nell'equazione 1 sopra riportata.

3. regolazione della temperatura

Nota: L'elettronica del fotometro solare è sensibile alla temperatura. Per ottenere prestazioni ottimali, si consigliano i seguenti passaggi.

  1. Se la temperatura esterna è superiore a 5 gradi sotto la temperatura ambiente, tenere il fotometro solare avvolto in schiuma termica quando non in uso.
  2. Quando si scattando misurazioni durante i mesi estivi caldi, tenere il fotometro solare all'ombra quando non in uso.

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Risultati

Il fotometro solare GLOBE misura AOT a λ = 505 nm e λ = 625 Nm. Il sito AERONET a Wave CIS Site 6 misura AOT a 15 diverse lunghezze d'onda. Per il nostro confronto ci siamo concentrati su queste 4 lunghezze d'onda del sito AERONET: 667 Nm, 551 nm, 532 nm e 490 nm. Per fare un confronto tra le due stazioni, abbiamo estrapolato AOT a 667 Nm, 551 nm, 532 nm e 490 nm per il sito XULA. Questo viene fatto utilizzando i coefficienti Angstrom del sito XULA. Per ogni sito e strumento, lo spessore ...

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Discussione

Il primo passo in questo protocollo è quello di definire il sito di studio. Questo viene fatto utilizzando un GPS per trovare la longitudine e la latitudine del sito di studio. I valori di longitudine e latitudine sono critici nel calcolo dell'AOT utilizzando l'equazione 1. Durante la misurazione, è fondamentale che il fotometro solare sia puntato direttamente e saldamente al sole. Il piccolo foro nella staffa superiore del fotometro solare palmare riduce la quantità di luce diffusa che raggiunge i rilevatori LED nel fot...

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Dichiarazioni

Gli autori non dichiarano conflitti di interesse.

Ringraziamenti

Questo lavoro è stato sostenuto finanziariamente dal DOD ARO Grant #W911NF-15-1-0510 e dal National Science Foundation Research Initiation Awards con il Grant n. 1411209. Esprimiamo la nostra sincera gratitudine al dipartimento di fisica e informatica e alla divisione dell'istruzione presso la Xavier University of Louisiana.

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Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
A Fotometro solare portatile GLOBE calibratoIESRE, USA (GLOBE fotometro solare) e TERNUM, Regno Unito (fotometroIl fotometro solare GLOBE misura AOT a 505 nm e 625 nm.
BarometroFornitori forestali, USA, Cat# 4331643316Il barometro aneroide deve avere una scala chiara con un intervallo di pressione compreso tra 940 e 1.060 millibar.
Grafico delle nuvole GLOBEFornitori forestali, USA Cat#3348533485Un grafico di identificazione delle nuvole gratuito è ottenuto da www.globe.gov.
IgrometroFornitori forestali, USA, Cat# 7625476245È accettabile qualsiasi igrometro digitale che misuri l'umidità relativa nell'intervallo 20-95% con una precisione del 5%.
Labquest2 GPSVernier, USA, Cat LABQ2LABQ2Vernier LabQuest 2 è un'interfaccia autonoma utilizzata per raccogliere i dati dei sensori con la sua applicazione grafica e di analisi integrata. Il GPS è uno dei suoi sensori integrati
Taylor Orchid ThermometerForestry Suppliers, USA Cat# 8912989129
WatchForestry suppliers, USA, Cat# 3913739137L'orologio deve essere digitale e in grado di misurare il tempo fino a secondi.
solare Calitoo

Riferimenti

  1. 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).
  2. Toledano, C., et al. Overview of sun photometer measurements of aerosol properties in Scandinavia and Svalbard. Atmospheric Environment. 52, 182-188 (2012).
  3. Aerosol Protocol - GLOBE.gov. , Available from: https://www.globe.gov/documents/348614/e9acbb7a-5e1f-444a-bdd3-acff62b50759 (2019).
  4. 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).
  5. Gong, W., Zhang, S., Ma, Y. Aerosol Optical Properties and Determination of Aerosol Size Distribution in Wuhan, China. Atmosphere. 5, 81-91 (2014).
  6. Cisek, M., et al. Aerosol Optical Depth variations due to local breeze circulation in Kongsfjorden, Spitsbergen. Oceanologia. 59, 422-430 (2017).
  7. Charlson, R. J., et al. Climate forcing by anthropogenic aerosols. Science. 255, 423-430 (1992).
  8. Kohil, E. E., et al. A study of atmospheric aerosol optical properties over Alexandria city. Egypt Journal of Physics Conference. 810, 012033(2017).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. Mims, F. M. III An international haze-monitoring network for students. Bulletin of the American. Meteorological Society. 80, 1421-1431 (1999).
  13. Mielonen, T., et al. Temperature-dependence of aerosol optical depth over the southeastern US. Atmospheric Chemistry and Physics Discussion. , (2016).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. Schmid, B., Wehrli, C. Comparison of Sun photometer calibration by use of the Langley technique and the standard lamp. Applied Optics. 34, 45014512(1995).
  19. 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).
  20. 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).
  21. Bucholtz, A. Rayleigh-scattering calculations for the terrestrial atmosphere. Applied Optics. 34, 2765-2773 (1995).
  22. Brooks, D. R. Monitoring Solar Radiation and Its Transmission through the Atmosphere. The GLOBE Program's Aerosols, Water Vapor, and UVA Monitoring Projects. , (2006).
  23. 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).
  24. Toledo, F., et al. AOT retrieval procedure for distributed measurements with low-cost Sun photometers. Journal of Geophysical Research Atmospheres. 123, 1113-1131 (2017).
  25. 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).
  26. 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).
  27. Bovchaliuk, V., et al. Aerosol Microtops II sunphotometer observations over Ukraine. Advances in Astronomy and Space Physics. 3, 46-52 (2013).
  28. 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).
  29. 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).
  30. Porter, J. N., et al. Handheld Sun Photometer Measurements from Light Aircraft. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology. 24, 1588-1597 (2007).

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