Medição de aerossóis de espessura óptica da atmosfera usando o GLOBE portátil Sun Photometer

Resumo

O objetivo dos métodos aqui apresentados é medir a espessura óptica do aerossol da atmosfera. O fotômetro do sol é apontado no sol e a leitura a maior da tensão obtida em um voltímetro digital em-construído é gravada. Medições atmosféricas como pressão barométrica e umidade relativa também são realizadas.

Resumo

Aqui, nós descrevemos a medida da espessura ótica do aerossol usando o Photometer handheld do sol do globo. A espessura óptica do aerossol (AOT) foi medida na Universidade Xavier de Louisiana (XULA, 29,96 ° N, 90,11 ° W e 3 m acima do nível do mar). As medições foram feitas em dois comprimentos de onda diferentes, 505 nm e 625 nm. As medidas de AOT foram feitas 6 vezes por dia (7 AM, 9 AM, 11 AM, meio-dia solar, 3 PM e 5 PM). Os dados mostrados neste artigo são os valores médios mensais de AOT tomados no meio-dia solar. Durante cada tempo de medição; pelo menos cinco valores da tensão da luz solar v e da obscuridade escura da tensão v são tomados para cada canaleta. A média para estas cinco medições é tomada como a médio para esse tempo de medição. Outros dados meteorológicos tais como a temperatura, a pressão de superfície, a precipitação e a umidade relativa são medidos igualmente ao mesmo tempo. O protocolo inteiro é terminado dentro de um intervalo de tempo de 10 – 15 minutos. Os valores AOT medidos em 505 nm e 625 nm são então utilizados para extrapolar os valores de AOT para comprimentos de onda de 667 nm, 551 nm, 532 nm e 490 nm. Os valores medidos e extrapolados de AOT foram comparados com os valores da estação AERONET mais próxima no local Wave CIS 6 (AERONET, 28,87 ° N, 90,48 ° W e 33 m acima do nível do mar), que fica a cerca de 96 km ao sul de XULA. Neste estudo, rastreamos as variações anuais e diárias da AOT por um período de 12 meses de setembro de 2017 a agosto de 2018. Também comparamos dados de AOT de dois fotômetros portáteis de sol de mão calibrados do GLOBE no site da XULA. Os dados mostram que os dois instrumentos estão em excelente concordância.

Introdução

Os aerossóis atmosféricos são partículas sólidas e líquidas de minuto (variando de submícron ao tamanho milímetro) suspensas no ar. Alguns aerossóis são produzidos por meio da atividade humana e outros são produzidos por processos naturais^1,2,3,4. Os aerossóis na atmosfera reduzem a quantidade de energia solar que alcanga a superfície da terra dispersando ou absorvendo a luz e a radiação térmica do sol. A quantidade de aerossol na atmosfera varia significativamente com a localização e o tempo. Há mudanças sazonais e anuais, bem como mudanças episódicas devido a eventos como grandes tempestades de poeira, incêndios selvagens ou erupções vulcânicas^5,6,7,8.

O impacto dos aerossóis no clima e na saúde pública estão entre os temas dominantes na pesquisa ambiental atual. Os aerossóis afetam o tempo dispersando ou absorvendo a luz e a radiação térmica do sol e actuando como núcleos da condensação na formação das nuvens. Os aerossóis também desempenham um papel na dispersão de agentes patogénicos no ar e podem provocar ou melhorar as doenças respiratórias e cardiovasculares. A espessura óptica do aerossol (AOT) é uma medida da quantidade de luz solar que é absorvida ou dispersada por estes aerossóis. Existem vários métodos baseados no solo para monitoramento de AOT^9,10,11. O maior do sistema de monitoramento de AOT à base de terra é o projeto de rede robótica de aerossol (AERONET). Aeronet é uma rede de mais de 400 estações de monitoramento espalhadas pelo mundo^12,13. Apesar deste grande número de estações de monitoramento, há ainda grandes lacunas em todo o mundo que não são monitorados para AOT. Como exemplo, a estação AERONET mais próxima do nosso site de estudo é de cerca de 90 km de distância. Este papel descreve o uso de um fotômetro handheld portátil do sol que possa ser usado para colmatar as aberturas entre estações de monitoração de Aeronet. O fotômetro handheld portátil do sol é um instrumento ideal para o uso por estudantes em torno do mundo em uma rede global da monitoração do aerossol^14,15. A aprendizagem global e as observações para beneficiar o ambiente (Globo) programa fornece uma plataforma para tal rede, através de milhares de escolas em todos os 50 Estados dos Estados Unidos e em quase 120 outros países^16,17 . A idéia preliminar do programa do globo é usar estudantes pelo mundo inteiro para fornecer medidas scientifically valiosas de parâmetros ambientais usando o equipamento barato. Com orientação adequada, os alunos e outros não-especializados podem formar redes de fotômetros portáteis de sol para preencher as lacunas entre as estações de monitoramento AERONET. A vantagem a mais grande do fotômetro handheld do sol é que pode ser tomado até mesmo as partes mais remotas do mundo. As medições de AOT com outros instrumentos pequenos e transportáveis têm sido utilizadas com sucesso no passado para realizar estudos de investigação em áreas remotas e de difícil acesso^17,18

O objetivo principal deste estudo é usar os fotômetros portáteis de sol da GLOBE para rastrear a variação anual, diária e horária da AOT em nosso site de estudo XULA e comparar com as medições de uma estação AERONET próxima. Este artigo apresenta dados por um período de 12 meses de setembro de 2017 a agosto de 2018. Esta é a primeira vez AOT gravado para o site XULA. O fotômetro do sol do globo mede AOT em dois comprimentos de onda, 505 nanômetro e 625 nanômetro. O site da AERONET no Wave CIS site 6 mede AOT em 15 comprimentos de onda diferentes. Para nossa comparação nós focamos nestes 4 comprimentos de onda, 667 nanômetro, 551 nanômetro, 532 nanômetro e 490 nanômetro. Nós escolhemos estes porque são os 4 comprimentos de onda de AERONET mais próximos aos comprimentos de onda do fotômetro do sol do globo. Para fazer a comparação, extraimos os valores de AOT nesses comprimentos de onda para o site XULA.

As medições de AOT são feitas todos os dias quando as condições meteorológicas permitem. As medições que são feitas quando há nuvens Cirrus dentro da vizinhança do sol são excluídas na análise. A tabela 1 mostra o número de dias em cada mês que tínhamos céus completamente claros. Ao todo, cerca de 47% dos dados tomados foram excluídos.

Mês	Setembro	Outubro	Novembro	Dezembro	Janeiro	Fevereiro	Março	Abril	Pode	Jun	Jul	Agosto
Número de dias	18	20	16	15	15	15	16	15	18	15	15	16

Tabela 1: as medições de AOT foram feitas 6 vezes ao dia (7:00 am, 9 AM, 11 am, meio-dia solar, 3 AM e 5 am). Os dados mostrados nas parcelas são os valores médios mensais de AOT tomados no meio-dia solar. Durante cada tempo de medição; pelo menos cinco valores da tensão da luz solar v e da obscuridade escura da tensão v são tomados para cada canaleta. A média para estas cinco medições é tomada como a médio para esse tempo de medição. O erro nessas medições é calculado como os desvios padrão dessas cinco medições. Os valores de AOT são obtidos usando a equação mostrada abaixo de¹⁶:

V₀ é a constante de calibração do fotômetro sol, R é a distância terra-sol em unidades astronômicas, v_escuro é a tensão escura gravada quando a luz é bloqueada de passar através do furo no suporte superior do o Fotômetro de Sun, V é a tensão da luz solar gravada do fotômetro do sol quando a luz passa através do furo no suporte superior, um_R representa a atenuação da luz devido a espalhamento de Rayleigh, p e p₀ são a pressão atmosférica medida e padrão, respectivamente, e m é a massa de ar relativa. A massa relativa do ar é calculada a partir dos dados fornecidos pela Administração Nacional Oceânica e atmosférica (NOAA). Outros dados meteorológicos tais como a temperatura, a precipitação e a umidade relativa são medidos igualmente ao mesmo tempo. A equação 1, como indicado acima, inclui as contribuições da espessura óptica do ozônio. O efeito do ozônio sobre os valores de AOT é calculado com base em valores tabulados do coeficiente de absorção de ozônio e suposições sobre a quantidade de ozônio na atmosfera¹⁹. Bucholtz^20,21 produziu valores tabulados de _R com base em atmosferas padrão. Para o canal 505 nm a_R ≈ 0,13813 e para o canal 625 nm é ~ 0, 5793.

Os dados aqui apresentados representam um exemplo de como as equipes de alunos podem ser organizadas para fazer medições de AOT longas e sustentadas. Neste estudo, duas equipes estudantis usaram dois fotômetros portáteis de sol da GLOBE calibrados independentemente para rastrear a variação anual, diária e horária da espessura óptica do aerossol da atmosfera em nosso site de estudo XULA. Os dois fotômetros do sol do globo usados nesta investigação foram comprados do iesre (Instituto para a pesquisa e a instrução da ciência da terra; um teve o número de série RG8-989 e o outro teve o número de série RG8-990). Antes que os dados dos dois instrumentos pudessem ser combinados, uma análise de regressão foi realizada para verificar o acordo

Protocolo

1. operação do fotômetro

Nota: Estes protocolos são melhor feitos por duas pessoas trabalhando juntas. Uma pessoa prende e alinha o fotômetro do sol quando a segunda pessoa gravar as medidas.

1. Meça a longitude e a latitude para o local usando o GPS. No site, o primeiro passo é ativar o GPS, escolhendo o sensor de set-up a partir do menu do sensor e selecione GPS. Uma vez que o GPS adquiriu satélites suficientes, valores de latitude e longitude serão exibidos. Depois que os valores são exibidos, pressione coletar dados e pressione salvar.
2. Certifique-se que o fotômetro do sol está funcionando bem. Um fotometro de sol devidamente calibrado deve produzir uma tensão estável de ~ 0, 3 V dentro e até 5 V quando a luz é dirigida sobre o detector. O voltímetro no fotômetro do sol do globo é em-construído no fotômetro do sol
3. Registre a temperatura do ar. Se utilizar um álcool em termómetro de vidro, dê ao termómetro 3 – 5 min para ajustar à temperatura exterior antes de gravar a leitura estável. Se estiver usando o termômetro embutido do fotômetro do sol, gire o interruptor rotativo para T e registre a leitura da voltagem no voltímetro. A leitura da tensão multiplicada pelo 100 dará a temperatura do ar em graus Célsio naquele tempo.
4. Ajuste o interruptor giratório ao canal verde do fotômetro do sol.
5. Tenha uma pessoa alinhe o fotômetro do sol de modo que a luz que passa através do furo no suporte superior produza um ponto da luz solar centrado sobre o ponto colorido no suporte inferior. Para obter melhores resultados, use uma mesa e uma cadeira. A pessoa que alinha o fotômetro do sol deve sentar-se na cadeira e descansar seus/seus braços na tabela a fim obter uma leitura constante.
6. Tenha a segunda pessoa gravar a leitura no voltímetro. Certifique-se que o ponto do sol é estável no ponto antes de tomar uma leitura. Se a leitura de tensão estiver flutuando, basta gravar o valor máximo mostrado.
7. Registre a hora em que a leitura foi tirada. O tempo deve ser gravado para os 30 s mais próximos. Um relógio digital serve este propósito melhor do que um analógico.
8. Obter a tensão escura. Tenha a pessoa que senta-se para baixo mantem o fotômetro do sol alinhado ao sol com uma mão e cobre então o furo no suporte superior com um dedo da outra mão. A segunda pessoa vai gravar a leitura de tensão.
9. Ajuste o interruptor rotativo para o canal vermelho e repita os passos 1.4 – 1.7.
10. Repita as etapas 1.4 – 1.8 quatro vezes mais para obter cinco leituras de tensões para o canal verde e cinco leituras de tensão para o canal vermelho
11. Medir a temperatura do ar novamente como no passo 1,2.

2. coleção de metadados

1. Use o gráfico de nuvem Globe para observar e gravar as nuvens perto do sol. Isso é feito olhando para o céu e verificando os recursos observados do gráfico de nuvem do GLOBE (https://www.globe.gov/documents/348614/24331082/GLOBE+Cloud+Chart.). As nuvens visíveis do Cirrus são fáceis de observar por causa de seus fios wispy finos característicos. Nuvens de Cirrus invisíveis são inferidos se a leitura de tensão de luz solar em um dia aparentemente claro é inferior a 0,5 V.
   1. Use um higrômetro para medir e gravar a umidade relativa: Segure o higrômetro com um braço estendido longe do corpo, deixe-o no ar por cerca de 3 minutos, e depois tomar a leitura bulbo seco primeiro seguido pela leitura bulbo molhado. Encontre a diferença nas duas leituras e use o gráfico de umidade relativa para estabelecer a umidade relativa
   2. Use um barómetro para medir e gravar a pressão atmosférica.
2. Calcule AOT conectando os valores medidos e as constantes na equação 1 dada acima.

3. regulação da temperatura

Nota: A eletrônica do fotômetro do sol é sensível à temperatura. Para obter o desempenho ideal, as etapas a seguir são recomendadas.

1. Se a temperatura exterior é mais de 5 graus abaixo da temperatura ambiente, mantenha o fotômetro do sol envolvido na espuma térmica quando não no uso.
2. Ao tomar medidas durante os meses quentes do verão, mantenha o fotômetro do sol na máscara quando não no uso.

Resultados

O fotômetro do sol do globo mede AOT em λ = 505 nanômetro e λ = 625 nanômetro. O site da AERONET no Wave CIS site 6 mede AOT em 15 comprimentos de onda diferentes. Para nossa comparação nós focamos nestes 4 comprimentos de onda do local de AERONET: 667 nanômetro, 551 nanômetro, 532 nanômetro e 490 nanômetro. Para fazer uma comparação entre as duas estações, extraimos AOT a 667 nm, 551 nm, 532 nm e 490 nm para o site XULA. Isso é feito usando os coeficientes Angstrom do site da XULA. Para ...

Discussão

A primeira etapa neste protocolo é definir o local do estudo. Isto é feito usando um GPS para encontrar a longitude e a latitude do local do estudo. Os valores de longitude e Latitude são críticos no cálculo da AOT usando a equação 1. Durante a medição, é crucial que o fotômetro sol é apontado diretamente e firmemente ao sol. O furo minúsculo no suporte superior do fotômetro handheld do sol reduz a quantidade de luz dispersada que alcanga os detectores do diodo emissor de luz no fotômetro do sol. A equação 1 é uma aproxi...

Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo

Nome	Empresa	Número de catálogo	Comentários
Um fotômetro solar portátil calibrado GLOBE	IESRE, EUA (fotômetro solar GLOBE) e TERNUM, Reino Unido (fotômetro		O fotômetro solar GLOBE mede AOT a 505 nm e 625 nm.
Barômetro	Fornecedores florestais, EUA, Cat# 43316	43316	O barômetro aneróide deve ter uma escala clara com uma faixa de pressão entre 940 e 1.060 milibares.
Gráfico de nuvens GLOBE	Fornecedores florestais, EUA Cat#33485	33485	Um gráfico de identificação de nuvens gratuito é obtido de www.globe.gov.
Higrômetro	Fornecedores florestais, EUA, Cat# 76254	76245	Qualquer higrômetro digital que meça a umidade relativa na faixa de 20-95% com uma precisão de 5% é aceitável.
Labquest2 GPS	Vernier, EUA, Cat LABQ2	LABQ2	Vernier O LabQuest 2 é uma interface autônoma usada para coletar dados de sensores com seu aplicativo integrado de gráficos e análises. O GPS é um de seus sensores embutidos
Taylor Orchid Thermometer	Forestry Suppliers, USA Cat# 89129	89129
Watch	Forestry suppliers, USA, Cat# 39137	39137 O	relógio deve ser digital e capaz de medir o tempo em até segundos.