Wraz z pojawieniem się małych, tanich czujników środowiskowych, teraz możliwe jest wdrożenie sieci czujników o dużej gęstości do pomiaru hiper zlokalizowanych zmian temperatury. W tym miejscu przedstawiamy szczegółową metodologię konstruowania kompaktowej wersji wcześniej opisanej, wykonanej na zamówienie osłony radiacyjnej do użytku z niedrogimi termochronami.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
Budowa kompaktowej, niskokosztowej osłony radiacyjnej dla czujników temperatury powietrza w ekologicznych badaniach terenowych
W tym artykule
Podsumowanie
Streszczenie
Niskie koszty czujników temperatury są coraz częściej używane przez ekologów do oceny zmienności i zmian klimatycznych w skalach istotnych z ekologicznego punktu widzenia. Chociaż jest to opłacalne, jeśli nie zostanie wdrożone z odpowiednią osłoną przed promieniowaniem słonecznym, obserwacje zarejestrowane przez te czujniki będą stronnicze i niedokładne. Produkowane osłony radiacyjne skutecznie minimalizują to odchylenie, ale są drogie w porównaniu z kosztem tych czujników. W tym miejscu przedstawiamy szczegółową metodologię konstruowania kompaktowej wersji wcześniej opisanej niestandardowej osłony radiacyjnej, która jest dokładniejsza niż inne opublikowane metody ekranowania, które próbują zminimalizować rozmiar osłony lub koszty budowy. Metoda wymaga bardzo mało materiału: falistych arkuszy z tworzywa sztucznego, taśmy klejącej z folii aluminiowej i opasek kablowych. Do każdej tarczy używa się jednego 15 cm i dwóch 10 cm kwadratów z tektury falistej. Po wycięciu, nacięciu, oklejeniu taśmą i zszyciu arkuszy, kwadraty o boku 10 cm tworzą dwie dolne warstwy osłony przed promieniowaniem słonecznym, natomiast kwadrat o boku 15 cm tworzy warstwę górną. Trzy arkusze są połączone opaskami kablowymi. Ta kompaktowa osłona przed promieniowaniem słonecznym może być zawieszona lub umieszczona na dowolnej płaskiej powierzchni. Należy zadbać o to, aby osłona była całkowicie równoległa do podłoża, aby zapobiec przedostawaniu się bezpośredniego promieniowania słonecznego do czujnika, co mogłoby powodować zwiększone odchylenia ciepła w miejscach nasłonecznionych rano i po południu w porównaniu z oryginalną, większą konstrukcją. Mimo to różnice w zarejestrowanych temperaturach między mniejszą, kompaktową konstrukcją osłony a oryginalną konstrukcją były niewielkie (średnie odchylenie w ciągu dnia = 0,06 °C). Koszty budowy są o ponad połowę niższe niż w przypadku pierwotnego projektu tarczy, a nowa konstrukcja skutkuje mniej rzucającym się w oczy instrumentem, który może być korzystny w wielu warunkach ekologii terenowej.
Wprowadzenie
W świetle antropogenicznego globalnego ocieplenia, rośnie zainteresowanie rejestrowaniem temperatury powietrza w różnych ustawieniach, aby zrozumieć i przewidzieć ekologiczne reakcje na zmiany klimatu1,2,3. Wraz z pojawieniem się małych, tanich rejestratorów danych środowiskowych (nazywanych również rejestratorami danych, termochronami lub higrochronami), możliwe jest obecnie wdrażanie sieci czujników o dużej gęstości do pomiaru hiperlokalnych zmian temperatury, zwiększając zdolność ekologów do bardziej bezpośredniej obserwacji warunków środowiskowych doświadczanych przez badane organizmy i ekosystemy. W porównaniu z istniejącymi, dobrze skalibrowanymi i rygorystycznie przetestowanymi – ale słabo rozmieszczonymi – stałymi stacjami meteorologicznymi, takie sieci dają możliwość oceny zmienności klimatu w skalach istotnych z ekologicznego punktu widzenia, ale mogą zmniejszyć dokładność lub porównywalność badań, jeśli są stosowane niekonsekwentnie lub niewłaściwie.
Czujniki temperatury powietrza przy powierzchni zazwyczaj wymagają pewnego rodzaju osłony przed promieniowaniem słonecznym, aby zapobiec bezpośredniemu nagrzewaniu się elementu czujnika, co skutkowałoby błędnie ciepłymi pomiarami. Typowe sposoby ograniczania odchylenia czujnika obejmują: 1) wykorzystanie istniejących elementów otoczenia, takich jak drzewa do zacieniania4, 2) korekcja odchylenia i kalibracja czujnika5, które wyprowadzają poprawki na podstawie właściwości termicznych czujników, oraz 3) użycie wyprodukowanych lub niestandardowych osłon6,7. Wielu badaczy decyduje się na stosowanie niestandardowych osłon ze względu na niski koszt i łatwość wdrożenia oraz konieczność w sytuacjach, gdy warunki środowiskowe nie zapewniają naturalnego zacienienia. Jednak przegląd literatury ekologicznej wykazał, że projektowanie osłon wytwarzanych na zamówienie różni się znacznie w zależności od badań, a poszczególne projekty rzadko są testowane pod kątem dokładności. Nieprzetestowane osłony mogą być podatne na zły dobór materiałów i konstrukcję, które powodują dodatkowe nagrzewanie się cząsteczek powietrza bezpośrednio otaczających czujnik, bezpośrednią absorpcję promieniowania słonecznego przez sam czujnik lub jedno i drugie, co prowadzi do średnich odchyleń do 3 °C7. Z drugiej strony, proste i ekonomiczne konstrukcje6,7 są dość skuteczne w ekranowaniu czujników (odchylenia 1 °C lub mniej) i są porównywalne z komercyjnie produkowanymi osłonami radiacyjnymi.
Tutaj przedstawiamy szczegółową metodologię konstruowania wcześniej ocenionej specjalnie wyprodukowanej osłony radiacyjnej7 do użytku z niedrogimi termochronowymi czujnikami temperatury. Projekt tarczy jest modyfikacją wcześniej opisanej i przetestowanej w otwartym otoczeniu lasu sosnowego Ponderosa6. W ostatnich testach kilku niestandardowych projektów osłon, ta przetestowana na montane osłony uzyskała najniższe odchylenia w połączeniu z małymi termochronami7, ale stwierdziliśmy, że jest ona nieporęczna i zbyt rzucająca się w oczy, aby można ją było zastosować w terenie. Zaproponowany tutaj protokół projektowy zmniejsza wymiary osłony radiacyjnej o 50%. Takie zmniejszenie rozmiaru ma kilka zalet: 1) jest mniej rzucające się w oczy, a zatem mniej podatne na manipulacje, 2) może być bardziej wykonalne w szerszym zakresie środowisk ekologicznych, w których przestrzeń jest ograniczona (np. na mniejszych miejskich drzewach ulicznych), 3) jest dokładniejsze niż inne opublikowane metody ekranowania, które próbują zminimalizować rozmiar osłony lub koszty budowy7oraz 4) jest tańszy niż oryginalny, większy projekt ze względu na mniejszą ilość wymaganych materiałów budowlanych. Po opisaniu metod konstrukcyjnych badamy wpływ zmniejszenia rozmiaru czujnika na dokładność w stosunku do oryginalnej konstrukcji osłony, korzystając z wyników próby terenowej przeprowadzonej w warunkach wysokiego promieniowania słonecznego skierowanego w dół.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Protokół
1. Konstrukcja osłony radiacyjnej
- Za pomocą noża introligatorskiego potnij arkusze tworzywa sztucznego z profilem falistym na kwadraty (Rysunek 1A). Do wykonania jednej osłony potrzebny będzie jeden kwadrat 15 cm i dwa kwadraty 10 cm.
- Cięcia dla warstwy górnej małej osłony radiacyjnej (Rysunek 1B; obraz po lewej):
- Na kwadracie 15 cm odmierz 4 cm od jednej krawędzi i narysuj linię ołówkiem. Używając linijki jako prowadnicy, natnij materiał wzdłuż linii. (W tym tekście „nacinanie” oznacza użycie noża do wykonania cięcia, które przechodzi tylko przez jedną warstwę arkusza falistego, a nie przez cały arkusz). Od tego momentu ta krawędź kwadratu będzie nazywana „górą” (Rysunek 1B; obraz po lewej).
- Odmierz 3,8 cm od krawędzi prostopadłych do linii 4 cm. Używając linijki jako prowadnicy, natnij materiał od dołu aż do linii 4 cm (Rysunek 1B; obraz po lewej).
- Narysuj linię od obu narożników powyżej linii 4 cm do punktu przecięcia linii 4 cm i 3,8 cm. Wytnij wzdłuż tej linii (Rysunek 1B; obraz po lewej).
- Cięcia dla warstwy środkowej i dolnej małej osłony radiacyjnej (Rysunek 1B; obrazy środkowy i prawy):
- Za pomocą linijki narysuj kwadrat 6 cm na środku każdego z kwadratów 10 cm (Rysunek 1B; obrazy środkowy i prawy).
- Natnij obwód kwadratu 6 cm oraz linie od każdego narożnika kwadratu 6 cm do zewnętrznych narożników kwadratu 10 cm (Rysunek 1B; obrazy środkowy i prawy).
- Użyj aluminiowej taśmy samoprzylepnej, aby całkowicie zakryć naciętą stronę kwadratu 15 cm i jednego z kwadratów 10 cm oraz nienaciętą stronę drugiego kwadratu 10 cm.
- Za pomocą wiertła 1/4” wywierć otwory w każdej z warstw osłony, zgodnie z Rysunkiem 1C.
- Przymocuj czujnik temperatury do spodu kwadratu 10 cm (tego, który jest oklejony taśmą od strony nacięć i ma dwa otwory wywiercone na środku), przeciągając opaskę zaciskową przez oczko obudowy czujnika (lub jego element montażowy) oraz przez otwory w kwadracie 10 cm (Rysunek 1D).
- Składanie arkuszy.
- Złóż arkusz 15 cm wzdłuż linii nacięć. Może być konieczne użycie siły, jeśli taśma sprawi, że boki będą zbyt sztywne do złożenia.
- Wsuń małe trójkątne klapki pod większą tylną klapę. Po poprawnym wykonaniu od góry widoczne powinny być tylko boki oklejone taśmą. Przycięta krawędź tylnej klapy powinna licować się ze złożonymi bokami.
- Użyj kolejnej warstwy taśmy aluminiowej, aby przymocować złożone boki do tylnej klapy. Dla zwiększenia wytrzymałości tylne klapki można również zszyć zszywaczem biurowym o dużej mocy.
- Weź arkusze 10 cm i zaciśnij boki wzdłuż ukośnej linii nacięcia. Za pomocą zszywacza o dużej mocy zszyj zaciśnięte boki (Rysunek 1E). Gotowy produkt będzie miał kształt kwadratowej miseczki.
- Łączenie arkuszy za pomocą 20 cm opasek zaciskowych.
- Zacznij od arkusza 10 cm oklejonego taśmą od strony nienaciętej (z trzema otworami), kładąc stronę oklejoną taśmą do dołu. Przeciągnij opaskę zaciskową przez lewy tylny otwór w obu arkuszach 10 cm. Pozostaw 2 cm odstępu pionowego między arkuszami, aby zapewnić przepływ powietrza wokół czujnika temperatury. Powtórz ten krok dla prawego tylnego otworu (Rysunek 1E; obrazy środkowy i prawy).
- Weź arkusz 15 cm i przeciągnij opaskę zaciskową przez dwa sąsiednie otwory z tyłu po lewej stronie (Rysunek 1E; obraz po lewej). Przymocuj tę opaskę do arkuszy 10 cm, pozostawiając również 2 cm odstępu między arkuszem 15 cm a górną krawędzią górnego arkusza 10 cm. Powtórz ten krok dla dwóch sąsiednich otworów z tyłu po prawej stronie (Rysunek 1E; obraz po lewej).
- Na koniec przeciągnij jedną opaskę zaciskową przez wszystkie trzy otwory z przodu arkuszy (wskazane strzałką; Rysunek 1E). Zaciśnij opaskę, upewniając się, że odstępy między wszystkimi trzema arkuszami są równe (Rysunek 1F).
- W razie potrzeby wywierć dodatkowe otwory w tylnej części gotowego produktu, aby ułatwić montaż. Niezależnie od sposobu montażu osłony, upewnij się, że trzy arkusze leżą równolegle do podłoża.
Rysunek 1: Instrukcje krok po kroku dotyczące budowy małej osłony radiacyjnej. (A) Z dużego arkusza tworzywa sztucznego z profilu falistego wycina się kwadraty o wymiarach 15 cm i 10 cm. (B) Następnie arkusze 15 cm są przycinane i nacinane, a arkusze 10 cm nacinane, aby umożliwić zgięcie osłony do odpowiedniego kształtu. (C) W każdym arkuszu wiercone są otwory. (D) Czujnik zostaje przywiązany do jednego z arkuszy 10 cm. (E) Osłona jest montowana za pomocą kilku opasek zaciskowych. (F) Gotowa osłona jest przygotowana do instalacji. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tego rysunku.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Wyniki
Reprezentatywne wyniki uzyskane przy użyciu termochronów wyposażonych w nowy, mniejszy projekt osłony, oryginalny, większy projekt osłony oraz termochronów bez osłony radiacyjnej przedstawiono na Rysunku 2 oraz Rysunku 3. Dane te zarejestrowano w pełni odsłoniętej lokalizacji wiejskiej w pobliżu Raleigh, NC (35.728°N, 78.680°W), gdzie urządzenia przymocowano do dobrze skalibrowanej stałej stacji pogodowej wyposaż...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Dyskusja
Dokładność i powtarzalność pomiarów temperatury powietrza zależy od zastosowania odpowiedniej osłony przeciwsłonecznej, która chroni czujnik przed bezpośrednim i odbitym promieniowaniem słonecznym. Opisujemy tutaj budowę takiej tarczy, która jest bardziej kompaktowa pod względem rozmiarów, tańsza, lub szybsza w budowie niż podobne, poprzednio opisane urządzenia6, bez poświęcania dokładności. 94% zarejestrowanych temperatur dla termochronów wyposażonych w mniejszą osłonę mieściło się w zakresie 1,0...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Oświadczenia
Autorzy nie mają nic do ujawnienia.
Podziękowania
Dziękujemy Emily Meineke za wkład w oryginalny projekt badania i eksperymentu. Dziękujemy Ryanowi Boylesowi za ułatwienie dostępu do miejsc badań i danych ze stacji meteorologicznych. Jaime Collazo, Steven Frank i Erica Henry dostarczyli rejestratory danych i osłony radiacyjne. Dostęp do terenu badań został zatwierdzony przez Biuro Klimatyczne Stanu Karolina Północna. Jakiekolwiek użycie nazw handlowych, firm lub produktów służy wyłącznie celom opisowym i nie oznacza poparcia ze strony rządu Stanów Zjednoczonych.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Materiały
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Uniwersalna taśma z folii aluminiowej | Nashua | 1087671 | 48 mm szerokość |
| 8" opaski kablowe | DTOL | GEN86371 | NA |
| Blacha falista z tworzywa sztucznego | Zaopatrzenie ruchu drogowego | hts18X24COROW | Biała blacha 18"L x 24"W, 5-pak |
| Standardowy nóż uniwersalny | NA | NA NA | |
| Nożyczki standardowe | NA | NA NA | |
| Zszywacz do dużych obciążeń | Swingline | 552277715 | NA |
Bibliografia
- Bowker, R. G. Anurans, the group of terrestrial vertebrates most vulnerable to climate change: A case study with acoustic monitoring in the Iberian peninsula. Computational bioacoustics for assessing biodiversity. , 43(2007).
- Walther, G. -R., et al. Ecological responses to recent climate change. Nature. 416 (6879), 389-395 (2002).
- Inouye, D. W. Effects of climate change on phenology, frost damage, and floral abundance of montane wildflowers. Ecology. 89 (2), 353-362 (2008).
- Lundquist, J. D., Huggett, B. Evergreen trees as inexpensive radiation shields for temperature sensors. Water Resources Research. 44 (4), W00D04(2008).
- De Jong, S. A. P., Slingerland, J. D., Van De Giesen, N. C. Fiber optic distributed temperature sensing for the determination of air temperature. Atmospheric Measurement Techniques. 8 (1), 335-339 (2015).
- Holden, Z. A., Klene, A. E., Keefe, R. F., Moisen, G. G. Design and evaluation of an inexpensive radiation shield for monitoring surface air temperatures. Agricultural and Forest Meteorology. 180, 281-286 (2013).
- Terando, A. J., Youngsteadt, E., Meineke, E. K., Prado, S. G. Ad hoc instrumentation methods in ecological studies produce highly biased temperature measurements. Ecology and Evolution. 7 (23), 9890-9904 (2017).
- Richardson, S. J., et al. Minimizing errors associated with multiplate radiation shields. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology. 16 (11), 1862-1872 (1999).
- Anderson, S. P., Baumgartner, M. F., Anderson, S. P., Baumgartner, M. F. Radiative Heating Errors in Naturally Ventilated Air Temperature Measurements Made from Buoys. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology. 15 (1), 157-173 (1998).
- Nakamura, R., Mahrt, L. Air temperature measurement errors in naturally ventilated radiation shields. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology. 22 (7), 1046-1058 (2005).
- Tarara, J. M., Hoheisel, G. -A. Low-cost shielding to minimize radiation errors of temperature sensors in the field. HortScience. 42 (6), 1372-1379 (2007).
- Huwald, H., Higgins, C. W., Boldi, M. -O., Bou-Zeid, E., Lehning, M., Parlange, M. B. Albedo effect on radiative errors in air temperature measurements. Water Resources Research. 45 (8), W08431 (2009).
- Fuchs, M., Tanner, C. B. Radiation shields for air temperature thermometers. Journal of Applied Meteorology. 4 (4), 544-547 (1965).
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Przedruki i uprawnienia
