Pomiar grubości optycznej atmosfery aerozoli za pomocą ręcznego fotometru słonecznego GLOBE

Podsumowanie

Celem przedstawionych tutaj metod jest zmierzenie grubości optycznej aerozolu w atmosferze. Fotometr słoneczny jest skierowany na słońce i rejestrowany jest największy odczyt napięcia uzyskany na wbudowanym woltomierzu cyfrowym. Wykonywane są również pomiary atmosferyczne, takie jak ciśnienie atmosferyczne i wilgotność względna.

Streszczenie

Tutaj opisujemy pomiar grubości optycznej aerozolu za pomocą ręcznego fotometru słonecznego GLOBE. Grubość optyczną aerozolu (AOT) zmierzono na Uniwersytecie Xavier w Luizjanie (XULA, 29,96° N, 90,11° W i 3 m n.p.m.). Pomiary zostały wykonane na dwóch różnych długościach fal, 505 nm i 625 nm. Pomiary AOT wykonywano 6 razy dziennie (7 rano, 9 rano, 11 rano, południe słoneczne, 15 i 17). Dane przedstawione w tym artykule są średnimi miesięcznymi wartościami AOT wykonanymi w południe słoneczne. Podczas każdego czasu pomiaru; dla każdego kanału przyjmuje się co najmniej pięć wartości napięcia światła słonecznego V i napięcia ciemnego V_ciemności. Średnia z tych pięciu pomiarów jest traktowana jako średnia dla tego czasu pomiaru. W tym samym czasie mierzone są również inne dane meteorologiczne, takie jak temperatura, ciśnienie powierzchniowe, opady deszczu i wilgotność względna. Cały protokół jest realizowany w czasie 10-15 minut. Zmierzone wartości AOT przy 505 nm i 625 nm są następnie wykorzystywane do ekstrapolacji wartości AOT dla długości fal 667 nm, 551 nm, 532 nm i 490 nm. Zmierzone i ekstrapolowane wartości AOT zostały następnie porównane z wartościami z najbliższej stacji AERONET w Wave CIS site 6 (AERONET, 28,87° N, 90,48° W i 33 m n.p.m.), która znajduje się około 96 km na południe od XULA. W tym badaniu śledziliśmy roczne i dzienne zmiany AOT w okresie 12 miesięcy od września 2017 r. do sierpnia 2018 r. Porównaliśmy również dane AOT z dwóch niezależnie skalibrowanych ręcznych fotometrów słonecznych GLOBE w ośrodku XULA. Dane pokazują, że te dwa instrumenty są ze sobą w pełni zgodne.

Wprowadzenie

Aerozole atmosferyczne to drobne cząstki stałe i ciekłe (od submikronowych do milimetrowych) zawieszone w powietrzu. Niektóre aerozole powstają w wyniku działalności człowieka, a inne w procesach naturalnych^1,2,3,4. Aerozole w atmosferze zmniejszają ilość energii słonecznej docierającej do powierzchni Ziemi poprzez rozpraszanie lub pochłanianie światła i promieniowania cieplnego ze słońca. Ilość aerozolu w atmosferze zmienia się znacznie w zależności od miejsca i czasu. Istnieją zmiany sezonowe i roczne, a także epizodyczne zmiany spowodowane takimi wydarzeniami, jak duże burze piaskowe, dzikie pożary lub erupcje wulkanów^5,6,7,8.

Wpływ aerozoli na klimat i zdrowie publiczne to jedne z dominujących tematów w obecnych badaniach środowiskowych. Aerozole wpływają na pogodę poprzez rozpraszanie lub pochłanianie światła i promieniowania cieplnego ze słońca oraz działanie jako jądra kondensacji w tworzeniu chmur. Aerozole odgrywają również rolę w rozpraszaniu patogenów w powietrzu i mogą powodować lub nasilać choroby układu oddechowego i sercowo-naczyniowego. Grubość optyczna aerozolu (AOT) jest miarą ilości światła słonecznego, które jest pochłaniane lub rozpraszane przez te aerozole. Istnieje kilka naziemnych metod monitorowania AOT^9,10,11. Największym z nich jest projekt Aerosol Robotic Network (AERONET). AERONET to sieć ponad 400 stacji monitorujących rozsianych po całym świecie^12,13. Pomimo tak dużej liczby stacji monitorujących, na całym świecie nadal istnieją duże luki, które nie są monitorowane pod kątem AOT. Na przykład najbliższa stacja AERONET od naszego ośrodka badawczego jest oddalona o około 90 km. W artykule opisano zastosowanie przenośnego ręcznego fotometru słonecznego, który może być używany do wypełniania luk między stacjami monitorowania AERONET. Przenośny ręczny fotometr słoneczny jest idealnym instrumentem do użytku przez studentów na całym świecie w globalnej sieci monitorowania aerozoli^14,15. Program Global Learning and Observations to Benefit the Environment (GLOBE) stanowi platformę dla takiej sieci za pośrednictwem tysięcy szkół we wszystkich 50 stanach Stanów Zjednoczonych i w prawie 120 innych krajach^16,17. Główną ideą programu GLOBE jest wykorzystanie studentów z całego świata do dostarczania wartościowych naukowo pomiarów parametrów środowiskowych przy użyciu niedrogiego sprzętu. Dzięki odpowiednim wskazówkom, studenci i inni niespecjaliści mogą tworzyć sieci ręcznych fotometrów słonecznych, aby wypełnić luki między stacjami monitorowania AERONET. Największą zaletą ręcznego fotometru słonecznego jest to, że można go zabrać nawet w najodleglejsze zakątki świata. Pomiary AOT za pomocą innych małych i przenośnych instrumentów były w przeszłości z powodzeniem wykorzystywane do prowadzenia badań naukowych w odległych i trudno dostępnych obszarach^17,18

Głównym celem tego badania jest użycie ręcznych fotometrów słonecznych GLOBE do śledzenia rocznej, dziennej i godzinowej zmienności AOT w naszym ośrodku badawczym XULA i porównania z pomiarami z pobliskiej stacji AERONET. W artykule przedstawiono dane za okres 12 miesięcy od września 2017 r. do sierpnia 2018 r. Jest to pierwszy w historii AOT zarejestrowany dla stanowiska XULA. Fotometr słoneczny GLOBE mierzy AOT na dwóch długościach fali, 505 nm i 625 nm. Stanowisko AERONET w Wave CIS Site 6 mierzy AOT na 15 różnych długościach fal. W naszym porównaniu skupiliśmy się na tych 4 długościach fal, 667 nm, 551 nm, 532 nm i 490 nm. Wybraliśmy je, ponieważ są to 4 długości fal AERONET najbliższe długościom fal fotometru słonecznego GLOBE. Aby dokonać porównania, ekstrapolowaliśmy wartości AOT na tych długościach fal dla miejsca XULA.

Pomiary AOT są wykonywane codziennie, gdy pozwalają na to warunki pogodowe. Pomiary, które są wykonywane, gdy w pobliżu słońca znajdują się chmury pierzaste, są wyłączone z analizy. Tabela 1 pokazuje liczbę dni w każdym miesiącu, w których niebo było całkowicie czyste. W sumie około 47% pobranych danych zostało wykluczonych.

miesiąc

Wrz

Paź

Lis

Grudzień

Jan

Lut

Marzec

kwiecień

Maj

Czerwiec

Lip

Sie

Liczba dni

Rozdział 18

20

16

15

15

15

16

15

Rozdział 18

15

15

16

Tabela 1: Pomiary AOT były wykonywane 6 razy dziennie (7:00, 9 rano, 11 rano, południe słoneczne, 3 rano i 5 rano). Dane przedstawione na wykresach są średnimi miesięcznymi wartościami AOT przyjętymi w południe słoneczne. Podczas każdego czasu pomiaru; dla każdego kanału przyjmuje się co najmniej pięć wartości napięcia światła słonecznego V i napięcia ciemnego V_ciemności. Średnia z tych pięciu pomiarów jest traktowana jako średnia dla tego czasu pomiaru. Błąd w tych pomiarach jest obliczany jako odchylenia standardowe tych pięciu pomiarów. Wartości AOT są uzyskiwane za pomocą równania pokazanego poniżej¹⁶:

V₀ to stała kalibracji fotometru słońca, R to odległość Ziemia-Słońce w jednostkach astronomicznych, V_ciemne to ciemne napięcie rejestrowane, gdy światło jest blokowane przed przejściem przez otwór w górnym wsporniku fotometru słonecznego, V to napięcie światła słonecznego zarejestrowane z fotometru słonecznego, gdy światło przechodzi przez otwór w górnym wsporniku, _{a R} oznacza tłumienie światła spowodowane rozpraszaniem Rayleigha, P i P₀ to odpowiednio zmierzone i standardowe ciśnienie atmosferyczne, a m to względna masa powietrza. Względna masa powietrza jest obliczana 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 deszczu i wilgotność względna. Równanie 1, jak podano powyżej, obejmuje udział grubości optycznej ozonu. Wpływ ozonu na wartości AOT jest obliczany na podstawie tabelarycznych wartości współczynnika absorpcji ozonu i założeń dotyczących ilości ozonu w atmosferze¹⁹. Bucholtz^20,21 wygenerował tabelaryczne wartości _R w oparciu o standardowe atmosfery. Dla kanału 505 nm _R ≈ 0,13813, a dla kanału 625 nm jest to ~0,05793.

Dane przedstawione tutaj stanowią przykład tego, jak można zorganizować zespoły studentów do wykonywania długich i długotrwałych pomiarów AOT. W tym badaniu dwa zespoły studenckie wykorzystały dwa niezależnie skalibrowane ręczne fotometry słoneczne GLOBE do śledzenia rocznych, dziennych i godzinowych zmian grubości optycznej aerozolu w atmosferze w naszym ośrodku badawczym XULA. Dwa fotometry Globe Sun użyte w tym badaniu zostały zakupione w IESRE (Institute for Earth Science Research and Education; jeden miał numer seryjny RG8-989, a drugi RG8-990). Zanim dane z obu instrumentów mogły zostać połączone, przeprowadzono analizę regresji w celu ustalenia zgodności

Protokół

1. Działanie fotometru

UWAGA: Te protokoły najlepiej wykonywać dwie osoby współpracujące ze sobą. Jedna osoba trzyma i ustawia fotometr słoneczny, podczas gdy druga osoba rejestruje pomiary.

1. Zmierz długość i szerokość geograficzną obiektu za pomocą GPS. Na miejscu pierwszym krokiem jest aktywacja GPS poprzez wybranie konfiguracji czujnika z menu czujnika i wybranie GPS. Gdy GPS zdobędzie wystarczającą liczbę satelitów, zostaną wyświetlone wartości szerokości i długości geograficznej. Po wyświetleniu wartości naciśnij zbierz dane, a następnie naciśnij Zapisz.
2. Upewnij się, że fotometr słoneczny działa dobrze. Prawidłowo skalibrowany fotometr słoneczny powinien wytwarzać stabilne napięcie ~0,03 V w pomieszczeniu i do 5 V, gdy światło jest skierowane na detektor. Woltomierz na fotometrze słońca Globe jest wbudowany w fotometr słoneczny
3. Zapisz temperaturę powietrza. Jeśli używasz termometru alkoholowego w szklanym termometrze, daj termometrowi 3–5 minut na dostosowanie się do temperatury zewnętrznej przed zarejestrowaniem stabilnego odczytu. Jeśli używasz wbudowanego termometru fotometru słonecznego, ustaw przełącznik obrotowy w pozycji T i zapisz voltage odczyt na woltomierzu. Odczyt napięcia pomnożony przez 100 da temperaturę powietrza w stopniach Celsjusza w tym czasie.
4. Ustaw przełącznik obrotowy w pozycji zielonego kanału fotometru słonecznego.
5. Niech jedna osoba ustawi fotometr słoneczny tak, aby światło przechodzące przez otwór w górnym wsporniku wytwarzało plamkę światła słonecznego wyśrodkowaną nad kolorową kropką na dolnym wsporniku. Aby uzyskać najlepsze wyniki, użyj stołu i krzesła. Osoba ustawiająca fotometr słoneczny powinna usiąść na krześle i oprzeć ręce na stole, aby uzyskać stały odczyt.
6. Niech druga osoba zapisze odczyt na woltomierzu. Upewnij się, że plama słoneczna jest stabilna na kropce przed wykonaniem odczytu. Jeśli odczyt napięcia ulega wahaniom, po prostu zapisz pokazaną maksymalną wartość.
7. Zapisz czas, w którym odczyt został wykonany. Czas musi być zapisany z dokładnością do 30 s. Zegarek cyfrowy służy temu celowi lepiej niż zegarek analogowy.
8. Uzyskaj ciemne napięcie. Poproś osobę, która siada, aby jedną ręką ustawiła fotometr słoneczny w pozycji ustawionej względem słońca, a następnie zakryła otwór w górnym wsporniku palcem drugiej ręki. Druga osoba będzie nagrywać odczyt napięcia.
9. Ustaw przełącznik obrotowy w pozycji czerwonego kanału i powtórz kroki 1.4–1.7.
10. Powtórz kroki 1.4–1.8 jeszcze cztery razy, aby uzyskać pięć odczytów napięcia dla kanału zielonego i pięć odczytów napięcia dla kanału czerwonego
11. Ponownie zmierz temperaturę powietrza, jak w kroku 1.2.

2. Gromadzenie metadanych

1. Użyj wykresu chmur kuli ziemskiej, aby obserwować i rejestrować chmury w pobliżu słońca. Odbywa się to poprzez patrzenie w niebo i zaznaczanie obserwowanych obiektów na wykresie chmur GLOBE (https://www.globe.gov/documents/348614/24331082/GLOBE+Cloud+Chart.). Widoczne chmury cirrusowe są łatwe do zaobserwowania ze względu na ich charakterystyczne, cienkie, delikatne pasma. Niewidoczne chmury cirrus są wnioskowane, jeśli odczyt napięcia światła słonecznego w pozornie pogodny dzień jest mniejszy niż 0,5 V.
   1. Użyj higrometru do pomiaru i zarejestrowania wilgotności względnej: Trzymaj higrometr z wyciągniętym ramieniem z dala od ciała, pozostaw go w powietrzu na około 3 minuty, a następnie najpierw wykonaj odczyt termometru suchego, a następnie odczyt termometru mokrego. Znajdź różnicę w dwóch odczytach i użyj wykresu wilgotności względnej, aby ustalić wilgotność względną
   2. Użyj barometru do pomiaru i rejestracji ciśnienia atmosferycznego.
2. Oblicz AOT, umieszczając zmierzone wartości i stałe w równaniu 1 podanym powyżej.

3. Regulacja temperatury

UWAGA: Elektronika fotometru słonecznego jest wrażliwa na temperaturę. Aby uzyskać optymalną wydajność, zaleca się wykonanie następujących czynności.

1. Jeśli temperatura na zewnątrz jest wyższa niż 5 stopni poniżej temperatury pokojowej, fotometr słoneczny powinien być owinięty pianką termiczną, gdy nie jest używany.
2. Wykonując pomiary w gorących miesiącach letnich, trzymaj fotometr słoneczny w cieniu, gdy nie jest używany.

Wyniki

Fotometr słoneczny GLOBE mierzy AOT przy λ= 505 nm i λ= 625 nm. Stanowisko AERONET w Wave CIS Site 6 mierzy AOT na 15 różnych długościach fal. W naszym porównaniu skupiliśmy się na tych 4 długościach fal strony AERONET: 667 nm, 551 nm, 532 nm i 490 nm. Aby dokonać porównania między obiema stacjami, ekstrapolowaliśmy AOT na 667 nm, 551 nm, 532 nm i 490 nm dla lokalizacji XULA. Odbywa się to za pomocą współczynników Angstrema dla stanowiska XULA. Dla dowolnego miejsca i instrumentu grubość ...

Dyskusja

Pierwszym krokiem w tym protokole jest zdefiniowanie ośrodka badawczego. Odbywa się to za pomocą GPS w celu określenia długości i szerokości geograficznej badanego terenu. Wartości długości i szerokości geograficznej mają kluczowe znaczenie w obliczaniu AOT przy użyciu równania 1. Podczas pomiaru ważne jest, aby fotometr słoneczny był skierowany bezpośrednio i mocno na słońce. Mały otwór w górnym wsporniku ręcznego fotometru słonecznego zmniejsza ilość rozproszonego światła docierającego do detektorów LED w fotometrze sł...

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
Skalibrowany ręczny fotometr słoneczny GLOBE	IESRE, USA (fotometr słoneczny GLOBE) i TERNUM, Wielka Brytania (fotometr		Fotometr słoneczny GLOBE mierzy AOT przy 505 nm i 625 nm.
Barometr	Dostawcy leśnictwa, USA, Cat# 43316	43316	Barometr aneroidowy musi mieć wyraźną skalę z zakresem ciśnienia od 940 do 1,060 milibarów.
Wykres chmur GLOBE	Dostawcy leśnictwa, USA Cat#33485	33485	Bezpłatny wykres identyfikacji chmur jest uzyskiwany z www.globe.gov.
Higrometr	Dostawcy leśnictwa, USA, Cat# 76254	76245	Dopuszczalny jest każdy higrometr cyfrowy, który mierzy wilgotność względną w zakresie 20-95% z dokładnością do 5%.
Labquest2 GPS	Vernier, USA, Cat LABQ2	LABQ2	Noniusz LabQuest 2 to samodzielny interfejs służący do zbierania danych z czujników z wbudowaną aplikacją do tworzenia wykresów i analizy. GPS jest jednym z jego wbudowanych czujników
Taylor Orchid	Termometr Leśnictwo, USA Cat# 89129	89129
Zegarek	Dostawcy leśnictwa, USA, Kot# 39137	39137	Zegarek musi być cyfrowy i zdolny do pomiaru czasu do sekund.