Aerozole atmosferyczne to niewielkie cząstki stałe i ciekłe (o rozmiarach od submikronowych do milimetrowych) zawieszone w powietrzu. Niektóre aerozole powstają w wyniku działalności człowieka, a inne w procesach naturalnych1,2,3,4. Aerozole w atmosferze zmniejszają ilość energii słonecznej docierającej do powierzchni ziemi poprzez rozpraszanie lub pochłanianie światła i promieniowania cieplnego słońca. Ilość aerozolu w atmosferze znacząco różni się w zależności od lokalizacji i czasu. Występują zmiany sezonowe i roczne, a także zmiany epizodyczne wynikające z takich zdarzeń jak duże burze pyłowe, pożary lasów czy erupcje wulkaniczne5,6,7,8.
Wpływ aerozoli na klimat i zdrowie publiczne należy do głównych tematów w obecnych badaniach środowiskowych. Aerozole wpływają na pogodę poprzez rozpraszanie lub pochłanianie światła i promieniowania termicznego słońca oraz działając jako jądra kondensacji podczas tworzenia się chmur. Aerozole odgrywają również rolę w rozprzestrzenianiu patogenów w powietrzu i mogą powodować lub nasilać choroby układu oddechowego i sercowo-naczyniowego. Optyczna grubość aerozoli (AOT) jest miarą ilości światła słonecznego pochłanianego lub rozpraszanego przez te aerozole. Istnieje kilka naziemnych metod monitorowania AOT9,10,11. Największym naziemnym systemem monitorowania AOT jest projekt Aerosol Robotic Network (AERONET). AERONET to sieć ponad 400 stacji monitorujących rozmieszczonych na całym świecie12,13. Pomimo tak dużej liczby stacji monitorujących, wciąż istnieją na świecie duże luki w monitorowaniu AOT. Przykładowo, najbliższa stacja AERONET od miejsca naszych badań znajduje się w odległości około 90 km. Niniejszy artykuł opisuje zastosowanie przenośnego, ręcznego fotometru słonecznego, który może być wykorzystany do wypełnienia luk między stacjami monitorującymi AERONET. Przenośny ręczny fotometr słoneczny jest idealnym instrumentem do użytku przez studentów na całym świecie w ramach globalnej sieci monitorowania aerozoli14,15. Program Global Learning and Observations to Benefit the Environment (GLOBE) zapewnia platformę dla takiej sieci poprzez tysiące szkół we wszystkich 50 stanach Stanów Zjednoczonych oraz w niemal 120 innych krajach16,17. Główną ideą programu GLOBE jest zaangażowanie studentów z całego świata do dostarczania naukowo cennych pomiarów parametrów środowiskowych przy użyciu niedrogiego sprzętu. Przy odpowiednim wsparciu, studenci i inne osoby niebędące specjalistami mogą tworzyć sieci ręcznych fotometrów słonecznych, aby wypełnić luki między stacjami monitorującymi AERONET. Największą zaletą ręcznego fotometru słonecznego jest możliwość zabrania go nawet w najodleglejsze zakątki świata. Pomiary AOT za pomocą innych małych i transportowalnych instrumentów były z sukcesem wykorzystywane w przeszłości do prowadzenia badań w obszarach zdalnych i trudno dostępnych17,18
Głównym celem niniejszego badania jest wykorzystanie przenośnych fotometrów słonecznych GLOBE do monitorowania rocznych, dziennych i godzinnych zmienności AOT w naszym miejscu badań XULA oraz porównanie ich z pomiarami z pobliskiej stacji AERONET. W niniejszej pracy przedstawiono dane z okresu 12 miesięcy, od września 2017 do sierpnia 2018 roku. Są to pierwsze zarejestrowane wartości AOT dla lokalizacji XULA. Fotometr słoneczny GLOBE mierzy AOT na dwóch długościach fal: 505 nm i 625 nm. Stacja AERONET w Wave CIS Site 6 mierzy AOT na 15 różnych długościach fal. W naszym porównaniu skupiliśmy się na czterech długościach fal: 667 nm, 551 nm, 532 nm i 490 nm. Wybrano je, ponieważ są to cztery długości fal AERONET najbliższe długościom fal fotometru słonecznego GLOBE. W celu przeprowadzenia porównania dokonaliśmy ekstrapolacji wartości AOT dla tych długości fal dla lokalizacji XULA.
Pomiary AOT są wykonywane codziennie, o ile pozwalają na to warunki pogodowe. Z analizy wykluczono pomiary przeprowadzone w obecności chmur cirrus w sąsiedztwie słońca. Tabela 1 przedstawia liczbę dni w każdym miesiącu, w których wystąpiło całkowite bezchmurnie niebo. Łącznie wykluczono około 47% zebranych danych.
| Miesiąc | Wrzesień | Paź | Listopad | Gru* | Jan | lut | Mar | Kwi | Maj | Jun | Lipiec | Sierpień |
| Liczba dni | 18 | 20 | 16 | 15 | 15 | 15 | 16 | 15 | 18 | 15 | 15 | 16 |
Tabela 1: Pomiary AOT wykonywano 6 razy na dobę (o 7:00, 9:00, 11:00, w południe słoneczne, o 15:00 i 17:00). Dane przedstawione na wykresach to średnie miesięczne wartości AOT zmierzone w południe słoneczne. Podczas każdego pomiaru dla każdego kanału pobrano co najmniej pięć wartości napięcia światła słonecznego V oraz napięcia ciemnego Vdark. Średnia z tych pięciu pomiarów została przyjęta jako wartość średnia dla danego czasu pomiaru. Błąd tych pomiarów obliczono jako odchylenia standardowe z tych pięciu pomiarów. Wartości AOT uzyskano przy użyciu poniższego równania16:

V0 to stała kalibracyjna fotometru słonecznego, R to odległość Ziemia-Słońce w jednostkach astronomicznych, Vdark to napięcie ciemne rejestrowane, gdy światło jest blokowane przed przejściem przez otwór w górnym uchwycie fotometru słonecznego, V to napięcie światła słonecznego rejestrowane przez fotometr słoneczny, gdy światło przechodzi przez otwór w górnym uchwycie, aR reprezentuje tłumienie światła wynikające z rozpraszania Rayleigha, P oraz P0 to odpowiednio zmierzone i standardowe ciśnienie atmosferyczne, a m to względna masa powietrza. Względną masę powietrza oblicza się na podstawie danych dostarczonych przez National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA). W tym samym czasie mierzone są również inne dane meteorologiczne, takie jak temperatura, opady i wilgotność względna. Przytoczone powyżej równanie 1 uwzględnia wkład grubości optycznej ozonu. Wpływ ozonu na wartości AOT oblicza się na podstawie zestawionych wartości współczynnika absorpcji ozonu oraz założeń dotyczących ilości ozonu w atmosferze19. Bucholtz20,21 opracował tabele wartości aR w oparciu o standardowe atmosfery. Dla kanału 505 nm aR ≈ 0,13813, a dla kanału 625 nm wynosi on ~0,05793.
Dane przedstawione w niniejszym materiale stanowią przykład organizacji zespołów studenckich w celu prowadzenia długotrwałych i systematycznych pomiarów AOT. W badaniu tym dwa zespoły studenckie wykorzystały dwa niezależnie skalibrowane przenośne fotometry słoneczne GLOBE do monitorowania rocznych, dziennych i godzinowych wariacji grubości optycznej aerozolu w atmosferze w miejscu badań XULA. Dwa fotometry słoneczne Globe użyte w tym badaniu zostały zakupione z IESRE (Institute for Earth Science Research and Education; jeden posiadał numer seryjny RG8-989, a drugi numer seryjny RG8-990). Przed połączeniem danych z obu instrumentów przeprowadzono analizę regresji w celu ustalenia zgodności