글로브 휴대용 태양 광도 계를 이용한 대기의에 어로 졸 광학 두께 측정

요약

여기에 제시 된 방법의 목표는 대기의에 어로 졸 광학 두께를 측정 하는 것입니다. 태양 광도 계는 태양을 가리키며 내장 디지털 전압계에서 얻은 최대 전압 판독값이 기록 됩니다. 대기압 및 상대 습도와 같은 대기 측정도 수행 됩니다.

초록

여기서는 글로브 핸드 헬드 태양 광도 계를 사용 하 여에 어로 졸 광학 두께의 측정을 설명 합니다. 에 어로 졸 광학 두께 (AOT)는 루이지애나 자비에 르 대학에서 측정 하였으며, 29.96 ° N, 90.11 ° W 및 해발 3 m). 측정은 2 개의 상이한 파장, 505 nm 및 625 nm에서 이루어졌다. AOT 측정은 오전 7 시, 오전 9 시, 오전 11:00, 오후 3:00 및 17:00까지 하루에 6 번 수행 되었습니다. 이 문서에 표시 된 데이터는 매월 평균 AOT 값입니다. 각 측정 시간 동안; 각 채널에 대해 태양광 전압 v 와 어두운 전압 v 의 최소 5 개 값이 촬영 됩니다. 이러한 5 가지 측정에 대 한 평균은 해당 측정 시간의 평균으로 취합니다. 온도, 표면 압력, 강 우 및 상대 습도와 같은 기타 기상 데이터도 동시에 측정 됩니다. 전체 프로토콜은 10 ~ 15 분의 시간 범위 내에서 완료 됩니다. 505 nm 및 625 nm에서 측정 된 AOT 값은 667 nm, 551 nm, 532 nm 및 490 nm의 파장에 대 한 AOT 값을 추정 하는 데 사용 됩니다. 측정 되 고 외삽 된 AOT 값은 XULA에서 남쪽으로 약 96 킬로미터에 달하는 웨이브 CIS 사이트 6 (AERONET 넷, 28.87 ° N, 90.48 및 33 m)에서 가장 가까운에 어로 네트 역의 값과 비교 되었다. 이 연구에서 우리는 9 월 2017에서 8 월 2018에 12 개월 기간 동안 AOT의 연간 및 일일 변화를 추적. 우리는 또한 XULA 사이트에서 독립적으로 보정 된 두 개의 글로브 핸드 헬드 태양 광도 계에서 AOT 데이터를 비교 했습니다. 데이터는 두 개의 악기가 우수한 합의에 있음을 보여준다.

서론

대기에 어로 졸은 공기 중에 부유 하는 분 고체 및 액체 입자 (서브 마이크론에서 밀리미터 크기에 이르기까지)입니다. 일부에 어로 졸은 인간의 활동을 통해 생산 되며 다른 것 들은 자연 공정^1,2,⁴에 의해 생산 됩니다. 대기 중에 어로 졸은 태양 으로부터의 빛과 열 방사선을 산란 또는 흡수 하 여 지구의 표면에 도달 하는 태양 에너지의 양을 줄입니다. 대기에서에 어로 졸의 양은 위치와 시간에 따라 크게 달라 집니다. 대형 먼지 폭풍, 야생 화재 또는 화산 폭발^5,7,⁸등의 이벤트로 인해 시즌 및 연간 변경 뿐만 아니라 에피소드 변경 사항이 있습니다.

에 어로 졸이 기후와 공중 보건에 미치는 영향은 현재 환경 연구에서 지배적인 주제 중 하나입니다. 에 어로 졸은 햇빛 으로부터 빛과 열을 산란 시키거나 흡수 하 여 날씨에 영향을 미치며, 구름 형성 시 응축 핵으로 작용 합니다. 에 어로 졸은 또한 공기 중의 병원 체의 분산에 역할을 하며 호흡기 및 심혈 관 질환을 일으키거나 강화할 수 있습니다. 에 어로 졸 광학 두께 (AOT)는이 스프레이에 의해 흡수 되거나 산란 되는 햇빛의 양을 측정 한 것입니다. AOT^9,10,11을 모니터링 하기 위한 몇 가지 접지 기반 방법이 있습니다. 지상 기반 AOT 모니터링 시스템 중 가장 큰 것은에 어로 졸 로봇 네트워크 (AERONET) 프로젝트입니다. Aeronet은 이상 400 모니터링 방송국의 네트워크는 전 세계^12,13확산. 이 많은 수의 모니터링 스테이션에도 불구 하 고 AOT에 대해 모니터링 되지 않는 전 세계적으로 여전히 큰 간격이 있습니다. 예를 들어, 우리의 연구 사이트에서 가장 가까운 AERONET 네 역은 약 90 킬로미터 떨어져 있습니다. 이 문서는 AERONET 네트 모니터링 스테이션 사이의 격차를 해소 하는 데 사용할 수 있는 휴대용 핸드 헬드 태양 광 미터의 사용을 설명 합니다. 휴대용 핸드헬드 태양 광 미터는 글로벌에 어로 졸 모니터링 네트워크^14,15에서 전 세계 학생 들이 사용 하기에 이상적인 도구입니다. 환경 (글로브) 프로그램에 도움이 되는 글로벌 학습과 관찰은 미국과 거의 120의 모든 50 국가에 있는 수천 개의 학교를 통해 그러한 네트워크를 위한 플랫폼을 제공 합니다.^16,17 . 글로브 프로그램의 주요 아이디어는 저렴 한 장비를 사용 하 여 환경 매개 변수의 과학적으로 귀중 한 측정을 제공 하기 위해 전 세계의 학생 들을 사용 하는 것입니다. 적절 한 지도와 함께, 학생 및 기타 비 전문가는 AERONET 네트 모니터링 스테이션 사이의 격차를 채우기 위해 핸드 헬드 태양 광 미터의 네트워크를 형성 할 수 있습니다. 핸드 헬드 태양 광 미터의 가장 큰 장점은 세계의 원격 부품에도 촬영 할 수 있다는 것입니다. 다른 소형 및 이동형 계측기와의 AOT 측정은 과거에는 접근 하기 힘든 원격 및 접근이 어려운 분야에서 연구를 수행 하기 위해 성공적으로 사용 되었습니다.^17,18

이 연구의 주요 목표는 우리의 XULA 연구 사이트에서 AOT의 연간, 매일 및 시간별 변화를 추적 하 고 근처에 AERONET 네 역에서 측정과 비교 하기 위해 글로브 핸드 헬드 태양 광도 계를 사용 하는 것입니다. 이 문서에서는 9 월 2017에서 8 월 2018까지 12 개월 동안 데이터를 제공 합니다. XULA 사이트에 대해 기록 된 최초의 AOT입니다. 글로브 태양 광 미터는 두 개의 파장, 505 nm 및 625 nm에서 AOT를 측정 합니다. 웨이브 CIS 사이트 6의 AERONET 사이트는 15 개의 서로 다른 파장에서 AOT을 측정 합니다. 우리의 비교를 위해 우리는이 4 파장, 667 nm, 551 nm, 532 nm 및 490 nm에 초점을 맞추고 있습니다. 그들은 세계 태양 광 미터 파장에 가장 가까운 4 개의 AERONET 파장 때문에 우리는이를 선택 했다. 비교를 위해, 우리는 XULA 사이트에 대 한 이러한 파장에서 AOT 값을 추정 했다.

AOT의 측정은 기상 조건이 허용 하는 경우 매일 수행 됩니다. 태양 부근에서 cirrus 구름이 있을 때 수행 되는 측정은 해석에서 제외 됩니다. 표 1 에는 매달 완전히 맑은 하늘이 있었던 일 수가 나와 있습니다. 모두, 찍은 데이터의 약 47%가 제외 되었습니다.

달	9 월	Oct	11 월	12 월	1 월	년 2 월	마 르	년 4 월	수	Jun	7 월	8 월
일 수	18	20	16	15	15	15	16	15	18	15	15	16

표 1: AOT 측정은 하루에 6 회 7:00 (오전 9 시, 오전 11 시, 오전 11:00, 오전 3 시 및 오전 5)에 수행 되었습니다. 플롯에 표시 된 데이터는 태양 정오에서 찍은 월별 평균 AOT 값입니다. 각 측정 시간 동안; 각 채널에 대해 태양광 전압 v 와 어두운 전압 v 의 최소 5 개 값이 촬영 됩니다. 이러한 5 가지 측정에 대 한 평균은 해당 측정 시간의 평균으로 취합니다. 이러한 측정의 오차는 이러한 5 가지 측정의 표준 편차로 계산 됩니다. AOT 값은¹⁶아래에 표시 된 방정식을 사용 하 여 얻습니다.

V₀ 은 태양 광 량의 캘리브레이션 상수이 고, R 은 지구 태양 거리를 천체 단위로 하 고, V의_어두운 전압은 빛이 차단 된 경우의 상단 브라켓의 구멍을 통과 하는 것을 차단할 때 기록 된 태양 광도 계, V 는 태양 광 량에서 기록 된 태양광 전압이 상단 브래킷의 구멍을 통과 하면 _R 은 레일리 산란, p 및 p₀ 으로 인 한 빛의 감쇠를 나타냅니다. 은 각각 측정 및 표준 대기압이 고, m 은 상대 공기 질량 이다. 상대 공기 질량은 국립 해양 대기 행정 (NOAA)에 의해 제공 되는 데이터 로부터 계산 된다. 온도, 강 우 및 상대 습도와 같은 기타 기상 데이터도 동시에 측정 됩니다. 상기 수학식 1은 오존 으로부터의 광학 두께의 기여도를 포함 한다. AOT 값에 대 한 오존의 효과는 대기 중의 오존 량에 대 한 오존 흡수 계수 및 추정의 표로 작성 된 값에 기초 하 여 계산 된다 (¹⁹). Bucholtz^20,21 은 표준 대기에 기초한 _R 의 표로 된 값을 생성 하였다. 505 nm 채널의 경우 _R ≈ 0.13813 및 625 nm 채널의 경우는 ~ 0.05793 이다.

여기에 제시 된 데이터는 길고 지속적인 AOT 측정을 수행 하기 위해 학생 들의 팀을 구성 하는 방법의 예를 나타냅니다. 이 연구에서, 두 개의 학생 팀은 두 개의 독립적으로 보정 된 글로브 핸드 헬드 태양 광 미터를 사용 하 여 우리의 XULA 연구 사이트에서 대기의에 어로 졸 광학 두께의 연간, 일일 및 시간별 변화를 추적 합니다. 이 조사에 사용 된 두 글로브 태양 광 미터는 IESRE에서 구입 한 (지구 과학 연구 및 교육 연구소; 하나는 일련 번호 RG8-989이 있고 다른 한 개는 일련 번호 RG8-990을 가졌다. 두 계측기의 데이터를 결합할 수 있으려면, 회귀 분석이 계약을 확인 하기 위해 수행 되었습니다.

프로토콜

1. 광도 계 작동

참고: 이러한 프로토콜은 함께 작업 하는 두 사람이 수행 하는 것이 가장 좋습니다. 두 번째 사람이 측정을 기록 하는 동안 한 사람이 태양 광도 계를 잡고 정렬 합니다.

1. GPS를 사용 하 여 사이트의 경도와 위도를 측정 합니다. 사이트에서 첫 번째 단계는 센서 메뉴에서 센서 설정을 선택 하 여 gps를 활성화 하 고 GPS를 선택 하는 것입니다. GPS가 충분 한 위성을 획득 하면 위도 및 경도 값이 표시 됩니다. 값이 표시 되 면 데이터 수집을 누른 다음 저장을 누릅니다.
2. 태양 광도 계가 잘 작동 하는지 확인 하십시오. 적절 하 게 보정 된 태양 광 미터는 감지기에서 빛이 지시 될 때 실내 및 최대 5v 0.03의 안정적인 전압을 생성 해야 합니다. 글로브 태양 광 미터의 전압계는 태양 광도 계에 내장 되어 있습니다
3. 기온을 기록 합니다. 유리 온도계에 알코올을 사용 하는 경우, 안정적인 판독을 기록 하기 전에 외부 온도로 조정 하기 위해 3 ~ 5 분 온도계를 제공 합니다. Sun 광도 계의 내장 온도계를 사용 하는 경우 로터리 스위치를 T로 돌려 전압계의 전압 판독값을 기록 하십시오. 전압 판독값에 100을 곱한 값은 해당 시간에 섭씨 단위로 공기 온도를 제공 합니다.
4. 회전 스위치를 sun 광도 계의 녹색 채널로 설정 합니다.
5. 한 사람이 태양 광도 계를 정렬 하 여 상단 브래킷의 구멍을 통과 하는 빛이 하단 브래킷의 컬러 도트를 중심으로 하는 태양광 지점을 생성 하도록 합니다. 최상의 결과를 위해 테이블과의 자를 사용 하십시오. 태양 광 계를 정렬 하는 사람은의 자에 앉아서 꾸준한 독서를 얻기 위해 테이블에 자신의 팔을 휴식 해야 합니다.
6. 두 번째 사람이 전압계에서 판독값을 기록 하도록 합니다. 독서를 취하기 전에 태양 흑점이 도트에 안정 되어 있는지 확인 하십시오. 전압 판독값이 변동 하는 경우에는 표시 된 최대값을 기록 하면 됩니다.
7. 읽기를 수행한 시간을 기록 합니다. 시간은 가장 가까운 30 초에 기록해 야 합니다. 디지털 시계는 아날로그 보다 더 나은이 목적을 제공 합니다.
8. 어두운 전압을 구합니다. 앉은 사람이 한 손으로 태양 광 량을 햇빛에 맞춘 다음, 상단 브래킷의 구멍을 손가락으로 덮어 주세요. 두 번째 사람은 전압 판독을 기록 합니다.
9. 회전식 스위치를 빨간색 채널로 설정 하 고 1.4 ~ 1.7 단계를 반복 합니다.
10. 1.4 ~ 1.8 단계를 반복 하 여 녹색 채널에 대 한 5 개의 전압 판독값과 적색 채널에 대 한 5 개의 전압 판독값을 구합니다.
11. 1.2 단계에서와 같이 공기 온도를 다시 측정 하십시오.

2. 메타 데이터의 수집

1. 지구본 구름 차트를 사용 하 여 태양 근처의 구름을 관찰 하 고 기록할 수 있습니다. 이 작업은 하늘을 바라보 며 지구본 구름 차트 (https://www.globe.gov/documents/348614/24331082/GLOBE+Cloud+Chart)에서 관찰 된 기능을 확인 하 여 수행 됩니다. 보이는 cirrus 구름은 그들의 특징적인 얇은 어렴풋이 가닥 때문에 관찰 하기 쉽습니다. 보이지 않는 cirrus 구름은 분명히 맑은 날의 태양광 전압이 0.5 V 미만인 경우 유추 됩니다.
   1. 측정 하 고 상대 습도를 기록 하는 습도 계를 사용 하 여: 몸에서 멀리 연장 된 팔을 가진 습도 계를 유지 하 고, 약 3 분 동안 공기에 두고, 먼저 젖은 전구 독서 다음에 마른 전구 독서를가지고. 두 판독 값의 차이를 찾아 상대 습도 차트를 사용 하 여 상대 습도를 설정
   2. 기압계를 사용 하 여 대기압을 측정 하 고 기록 합니다.
2. 측정 된 값과 상수를 위에 주어진 방정식 1에 꽂아 AOT를 계산 합니다.

3. 온도 조절

참고: 태양 광도 계의 전자 장치는 온도에 민감합니다. 최적의 성능을 위해 다음 단계를 수행 하는 것이 좋습니다.

1. 외부 온도가 실 온 보다 5도 이상 있는 경우, 사용 하지 않을 때는 태양 광 량을 열 폼에 싸서 보관 하십시오.
2. 더운 여름에 측정을 할 때 사용 하지 않을 때는 햇빛을 그늘에 보관 하십시오.

결과

글로브 태양 광도 계는 λ = 505 nm 및 λ = 625 nm에서 AOT를 측정 합니다. 웨이브 CIS 사이트 6의 AERONET 사이트는 15 개의 서로 다른 파장에서 AOT을 측정 합니다. 우리의 비교를 위해 우리는에 어로 넷 사이트의 이러한 4 개의 파장에 초점을 맞추고: 667 nm, 551 nm, 532 nm 및 490 nm. 두 개의 역을 비교 하기 위해 우리는 XULA 부 위에 667 nm, 551 nm, 532 nm 및 490 nm에서 AOT를 추정 했습니다. 이것은 XULA 사이트의 옹스트롬 계수를 사용 하 여 수행 됩니다. 임의의 소정의 부 위와 계측기에 대해, 광학 두께 τ, 파장 λ 및 대기 탁도의 β는 앙 스 트 롬의 탁 도와 공식을 통해 연결 된다

토론

이 프로토콜의 첫 번째 단계는 스터디 사이트를 정의 하는 것입니다. 이것은 연구 사이트의 경도와 위도를 찾기 위해 GPS를 사용 하 여 수행 됩니다. 경도 및 위도 값은 방정식 1을 사용 하 여 AOT 계산에 중요 합니다. 측정 하는 동안 태양 광도 계는 태양에서 직접 그리고 단단히 향하게 하는 것이 중요 합니다. 핸드 헬드 태양 광 미터의 상단 브래킷에 있는 작은 구멍은 태양 광도 계에서 LED 검출기에 도달 하는 산란광의 양을 감소 시킵니다. 방정식 1은 산란광이 상단 브래킷의 구멍을 통과 하지 않는다고 가정 하는 근사치입니다. 태양 광도 계가 올바르게 정렬 되 면이 가정에 의해 발생 한 오류는 측정^22,23,24의 다른 오류 소스에 비해 무시할 수 있습니다. 태양 광 량 계의 Led는 극한의 온도에 민감합니다. 더운 여름철에는 사용 하지 않을 때는 태양 광 ...

재료

이 논문에 사용된 재료 목록

이름	회사	카탈로그 번호	댓글
보정 된 GLOBE 휴대용 태양 광도계	IESRE, USA (GLOBE 태양 광도계) 및 TERNUM, UK (Calitoo 태양 광도계		GLOBE 태양 광도계는 505nm 및 625nm에서 AOT를 측정합니다.
기압계	임업 공급업체, 미국, Cat# 43316	43316	아네로이드 기압계는 940에서 1,060밀리바 사이의 압력 범위를 가진 명확한 눈금을 가져야 합니다.
GLOBE 구름 차트	임업 공급업체, 미국 Cat#33485	33485 무료	구름 식별 차트는 www.globe.gov 에서 얻습니다.
습도계	임업 공급 업체, 미국, Cat# 76254	76245	20-95% 범위의 상대 습도를 5%의 정확도로 측정하는 모든 디지털 습도계가 허용됩니다.
LabQuest2 GPS	버니어, 미국, Cat LABQ2	LABQ2	버니어 LabQuest 2는 내장된 그래프 및 분석 애플리케이션으로 센서 데이터를 수집하는 데 사용되는 독립형 인터페이스입니다. GPS는 내장 센서 중 하나입니다
Taylor Orchid Thermometer	Forestry Suppliers, USA Cat# 89129	89129
Watch	Forestry suppliers, USA, Cat# 39137	39137	시계는 디지털이어야 하며 최대 초까지 시간을 측정할 수 있어야 합니다.