Методическая статья

Измерение аэрозолей оптической толщины атмосферы с помощью земного шара карманный Солнечный фотометр

DOI:

10.3791/59257

⸱

29 мая 2019 г.

 , 
1Department of Physics, Xavier University of Louisiana

В этой статье

Краткое содержание

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Целью представленных здесь методов является измерение аэрозольной оптической толщины атмосферы. Солнечный фотометр указывается на солнце и наибольшее напряжение чтения, полученные на встроенный цифровой вольтметра записывается. Также выполняются атмосферные измерения, такие как барометрическое давление и относительная влажность.

Аннотация

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Здесь мы описываем измерение толщины аэрозольного оптического толщи с помощью портативного солнечного фотометра земного шара. Аэрозоль оптической толщины (AOT) была измерена в университете Ксавье в Луизиане (XULA, 29,96 ° N, 90,11 ° W и 3 м над уровнем моря). Измерения проводились на двух различных длинами волн, 505 нм и 625 нм. Измерение AOT было сделано 6 раз в день (7 утра, 9 утра, 11 утра, солнечный полдень, 3 вечера и 5 вечера). Данные, приведенные в этой статье, являются среднемесячными значениями AOT, принятых в солнечный полдень. Во время каждого измерения времени; по крайней мере пять значений напряжения солнца v и темного напряжения vтемный взяты для каждого канала. Среднее значение для этих пяти измерений принимается в среднем за это время измерения. Другие метеорологические данные, такие как температура, поверхностное давление, количество осадков и относительная влажность, также измеряются в то же время. Весь протокол завершен в течение промежутка времени 10 – 15 мин. Затем измеренные значения AOT на 505 нм и 625 нм используются для экстраполяции значений AOT для длин волн 667 Нм, 551 Нм, 532 нм и 490 Нм. Измеренные и экстраполированные значения AOT были затем сравнены с значениями ближайшей станции аэонет на участке 6 Wave СНГ (АЭОНЕ, 28,87 ° N, 90,48 ° W и 33 м над уровнем моря), что примерно в 96 км к югу от XULA. В этом исследовании мы отслеживали ежегодные и ежедневные вариации AOT для 12-месячного периода с 2017 сентября по август 2018. Мы также сравнили данные AOT с двух самостоятельно калиброванных ГЛОБУСА на карманных солнечных фотометрах на сайте XULA. Данные свидетельствуют о том, что эти два документа находятся в отличном согласии.

Введение

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Атмосферные аэрозоли представляют собой мельчайшие твердые и жидкие частицы (от субмикронных до миллиметровых размеров), взвешенных в воздухе. Некоторые аэрозоли производятся через человеческую деятельность, а другие производятся природными процессами1,2,3,4. Аэрозоли в атмосфере уменьшают количество солнечной энергии, достигающей земной поверхности, путем рассеивания или поглощения света и теплового излучения от солнца. Количество аэрозолей в атмосфере значительно варьируется в зависимости от местоположения и времени. Есть сезонные и ежегодные изменения, а также эпизодические изменения в связи с событиями, такими как большие пыльные бури, дикие пожары или извержения вулканов5,6,7,8.

Воздействие аэрозолей на климат и на общественное здравоохранение является одной из доминирующих тем в нынешних экологических исследованиях. Аэрозоли влияют на погоду путем рассеивания или поглощения света и теплового излучения от солнца и действуя как конденсации ядер в формировании облаков. Аэрозоли также играют роль в рассеиванию патогенных микроорганизмов в воздухе и могут вызывать или усиливать респираторные и сердечно-сосудистые заболевания. Аэрозоль оптической толщины (AOT) является мерой количества солнечного света, который поглощается или рассеивается этими аэрозолями. Существует несколько наземных методов мониторинга AOT9,10,11. Самой крупной из наземных систем мониторинга AOT является проект аэрозольной роботизированной сети (АЭОНЕТ). Аэрооне-это сеть из более чем 400 станций мониторинга, которые разбросаны по всему миру12,13. Несмотря на это большое количество станций мониторинга, есть еще большие пробелы во всем мире, которые не контролируются для AOT. В качестве примера, Ближайшая станция АЭОНЕТ от нашего исследования сайта составляет около 90 км. В этом документе описывается использование портативного портативного фотометра, который может использоваться для преодоления пробелов между станциями мониторинга АЭОНЕТ. Портативный портативный Солнечный Фотометр является идеальным инструментом для использования студентами во всем мире в глобальной сети аэрозольного мониторинга14,15. Глобальное обучение и наблюдения в интересах окружающей среды (глобус) программа обеспечивает платформу для такой сети, через тысячи школ во всех 50 штатах Соединенных Штатов и в почти 120 других странах16,17 . Основная идея программы глобус заключается в использовании студентов во всем мире, чтобы обеспечить научно ценные измерения параметров окружающей среды с использованием недорогого оборудования. При надлежащем руководстве студенты и другие неспециаты могут образовывать сети карманных солнечных фотометров для заполнения пробелов между станциями мониторинга АЭОНЕТ. Самое большое преимущество карманных солнечных фотометра является то, что он может быть доставлен даже в самых отдаленных частях мира. Измерения AOT с другими малыми и переносные приборы успешно использовались в прошлом для проведения научных исследований в отдаленных и труднодоступных районах17,18

Основной целью данного исследования является использование глобус карманных солнечных фотометров, чтобы отслеживать годовой, дневной и почасовой вариации AOT на нашем сайте XULA исследования и сравнить с измерений из близлежащей станции АЭОНЕТ. В данной статье представлены данные за 12 месяцев с 2017 сентября по 2018 августа. Это первый в истории AOT, записанный для сайта XULA. Глобус Sun фотометр измеряет AOT на 2 длинами волн, 505 нм и 625 нм. Сайт АЭОНЕТ на участке 6 Wave СНГ измеряет AOT на 15 различных длинами волн. Для сравнения мы сосредоточились на этих 4 длинами волн, 667 Нм, 551 Нм, 532 нм и 490 Нм. Мы выбрали их, потому что они являются 4-х АЭОНЕТ длин волн ближайший к глобус солнце фотометр длин волн. Чтобы сделать сравнение, мы экстраполировать значения AOT на этих длинами волн для сайта XULA.

Измерения AOT делается каждый день, когда позволяют Погодные условия. В анализе исключаются измерения, выполненные при наличии перистых облаков в непосредственной близости от солнца. Таблица 1 показывает количество дней в каждом месяце, что у нас было совершенно ясное небо. В общей сложности было исключено около 47% принятых данных.

МесяцСентябряОктябряНоябряДекабряЯнваряФевраляМарАпрМожетИюнИюлАвг
Количество дней182016151515161518151516

Таблица 1: AOT измерения были сделаны 6 раз в день (7:00 AM, 9 утра, 11 утра, солнечный полдень, 3 am, и 5 AM). Данные, показанные на участках являются ежемесячные средние AOT значений, принятых в солнечный полдень. Во время каждого измерения времени; по крайней мере пять значений напряжения солнца v и темного напряжения vтемный взяты для каждого канала. Среднее значение для этих пяти измерений принимается в среднем за это время измерения. Ошибка в этих измерениях рассчитывается как стандартные отклонения этих пяти измерений. Значения AOT получаются с помощью уравнения, показанных ниже16:

figure-introduction-1

V0 является калибровка константа солнечного фотометра, R является Земля-Солнце расстояние в астрономических единицах, Vтемный темное напряжение, записанное, когда свет блокируется от прохождения через отверстие на верхней кронштейн Солнечный фотометр, V является солнечное напряжение, записанное от солнечного фотометра, когда свет проходит через отверстие на верхней кронштейне ,R представляет ослабление света из-за Рэлея рассеяния, p и p0 являются измеренное и стандартное атмосферное давление, соответственно, и m является относительная воздушная масса. Относительная воздушная масса рассчитывается на данных, предоставленных национальным управлением океанических и атмосферных испытаний (NOAA). Другие метеорологические данные, такие как температура, осадки и относительная влажность, также измеряются в то же время. Уравнение 1, как приведенные выше, включает в себя вклад оптической толщины озона. Влияние озона на значения AOT рассчитывается на основе табличной величины коэффициента поглощения озона и предположений относительно количества озона в атмосфере19. Бухольц20,21 подготовила табличные значения R на основе стандартной атмосферы. Для канала 505 нм aR ≈ 0,13813 и для канала 625 нм это ~ 0,05793.

Представленные здесь данные представляют собой пример того, как можно организовать команды студентов, чтобы занять длительное и устойчивое измерение AOT. В этом исследовании, две студенческие команды использовали два независимо калиброван глобус портативных фотометров, чтобы отслеживать годовой, дневной и почасовой вариации аэрозоля оптической толщины атмосферы на нашем сайте XULA исследования. 2 глобус Sun Фотометры используемые в этом исследовании были приобретены от IESRE (Институт исследования земли науки и образования; одно имело серийный номер RG8-989 и другое имело серийный номер RG8-990). Прежде чем можно было бы объединить данные этих двух инструментов, был проведен регрессионный анализ для установления соглашения

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. операция фотометра

Примечание: Эти протоколы лучше всего делать два человека, работающих вместе. Один человек держит и выравнивает Солнечный фотометр в то время как второй человек записать измерений.

  1. Измерьте долготу и широту для сайта с помощью GPS. На сайте, первым шагом является активация GPS, выбрав датчик настройки из меню датчика и выберите GPS. Как только GPS приобрел достаточное количество спутников, будут отображены значения широты и долготы. Как только значения отображаются, пресса собирает данные, а затем нажимайте Сохранить.
  2. Убедитесь, что солнечный фотометр работает хорошо. Правильно откалиброванный Солнечный фотометр должен производить стабильное напряжение ~ 0,03 V в помещении и до 5 V, когда свет направлен на детектор. Волтметр на солнечном фотометре земного шара встроена в Солнечный фотометр
  3. Запишите температуру воздуха. При использовании спирта в стеклянном термометре, дайте термометр 3 – 5 минут, чтобы приспособиться к внешней температуре перед записью стабильного чтения. При использовании солнечного фотометра в встроенный термометр, включите поворотного переключателя на T и записывать напряжение чтения на волтметр. Напряжение чтения умноженное на 100 даст температуру воздуха в градусах Цельсия в то время.
  4. Установите вращающийся переключатель на зеленый канал солнечного фотометра.
  5. У одного человека выровнять Солнечный фотометр так, что свет, проходящий через отверстие на верхней кронштейн производит солнечное пятно по центру над цветной точкой на нижней кронштейн. Для наилучшего результата используйте стол и стул. Лицо, выравнивание солнечного фотометра должны сидеть на стуле и остальные его/ее руки на стол, чтобы получить устойчивый чтении.
  6. У второго лица записать чтении на VOLTMETER. Убедитесь, что солнце пятно стабильно на точку, прежде чем принимать чтении. Если показания напряжения колеблются, просто запишите максимальное показанное значение.
  7. Запишите время, в которое было взято чтение. Время должно быть записано до ближайших 30-х годов. Цифровые Часы служат этой цели лучше, чем аналог одного.
  8. Получить темное напряжение. У человека садясь держать Солнечный фотометр выровнены на солнце с одной стороны, а затем покрыть отверстие на верхней кронштейн с пальцем от другой стороны. Второй человек будет записывать напряжение чтения.
  9. Установите вращающийся переключатель в красный канал и повторите шаги 1.4-1.7.
  10. Повторите шаги 1.4-1.8 еще четыре раза, чтобы получить пять чтений напряжения для зеленого канала и пяти чтений напряжения для красного канала
  11. Измерьте температуру воздуха снова, как в шаге 1,2.

2. Коллекция метаданных

  1. Используйте облачный чарт глобус, чтобы наблюдать и записывать облака рядом с солнцем. Это делается путем смотреть в небо и проверять наблюдаемые особенности из облака ГЛОБУСА (https://www.globe.gov/documents/348614/24331082/GLOBE+Cloud+Chart.). Видимые перистые облака легко наблюдать из-за их характерные тонкие пряди. Невидимые перистые облака выведены, если солнечное напряжение чтения по-видимому ясный день меньше, чем 0,5 V.
    1. Используйте гигрометр для измерения и записи относительной влажности: Держите гигрометр с вытянутой рукой от тела, оставьте его в воздухе в течение примерно 3 минут, а затем принять сухого чтения лампы сначала следуют мокрой лампы чтении. Найдите разницу в двух чтениях и используйте относительную влажность, чтобы установить относительную влажность
    2. Используйте барометр для измерения и записи атмосферного давления.
  2. Вычислить AOT, подключив измеряется значений и константы в уравнение 1 приведенные выше.

3. Температурное регулирование

Примечание: Электроника солнечного фотометра чувствительна к температуре. Для оптимальной производительности рекомендуются следующие шаги.

  1. Если температура наружного воздуха более чем на 5 градусов ниже комнатной температуры, держите Солнечный фотометр, завернутый в термопену, когда он не используется.
  2. При проведении измерений в жаркие летние месяцы, держите Солнечный фотометр в тени, когда он не используется.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Глобус солнца фотометр измеряет AOT на λ = 505 нм и λ = 625 нм. Сайт АЭОНЕТ на участке 6 Wave СНГ измеряет AOT на 15 различных длинами волн. Для сравнения мы сосредоточились на этих 4 диапазонах длины участка АЭОНЕТ: 667 Нм, 551 Нм, 532 нм и 490 Нм. Чтобы сделать сравнение между двумя станциями, мы экстраполировать AOT на 667 Нм, 551 Нм, 532 нм и 490 Нм для сайта XULA. Это делается с использованием Ангстрема-коэффициентов сайта XULA. Для любого данного сайта и инструмента, оптической толщ...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Первым шагом в этом протоколе является определение сайта исследования. Это делается с помощью GPS, чтобы найти долготу и широту участка исследования. Значения долготы и широты имеют решающее значение при расчете AOT с помощью уравнения 1. Во время измерений, очень важно, чтобы солнечный фотометр указывал прямо и прочно на солнце. Крошечное отверстие в верхней кронштейне портативного солнечного фотометра уменьшает количество рассеянного света, достигающего СВЕТОДИОДНЫХ детекторов в солнечном фотометре. Уравнение 1 являетс...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Авторы не заявляют о конфликте интересов.

Благодарности

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Эта работа была поддержана финансово Грант Аро МО #W911NF-15-1-0510 и Национальный научный фонд исследования инициации премии под Грант No 1411209. Мы выражаем искреннюю благодарность Департаменту физики и информатики и Отделу образования университета Ксавье в Луизиане.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Откалиброванный портативный солнечный фотометр GLOBEIESRE, США (солнечный фотометр GLOBE) и TERNUM, Великобритания (солнечный фотометрCalitoo Солнечный фотометр GLOBE измеряет AOT на длинах волн 505 нм и 625 нм.
БарометрПоставщики лесного хозяйства, США, Cat# 4331643316Барометр-анероид должен иметь четкую шкалу с диапазоном давления от 940 до 1,060 миллибар.
Диаграмма облаков GLOBEПоставщики лесного хозяйства, США Cat#3348533485Бесплатная карта идентификации облаков получена от www.globe.gov.
ГигрометрПоставщики лесного хозяйства, США, Кат# 7625476245Любой цифровой гигрометр, который измеряет относительную влажность в диапазоне 20-95% с точностью до 5%, является приемлемым.
Labquest2 GPSVernier, США, Cat LABQ2LABQ2Vernier LabQuest 2 — это автономный интерфейс, используемый для сбора данных с датчиков с помощью встроенного приложения для построения графиков и анализа. GPS является одним из его встроенных датчиков
Taylor Orchid ThermometerForestry Suppliers, США Cat# 8912989129
ЧасыForestry suppliers, США, Cat# 3913739137Часы должны быть цифровыми и способными измерять время с точностью до секунд.

Ссылки

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Mondol, P. K., Mamun, M. M. I., Islam, M. M. Construction of an inexpensive sun photometer to measure aerosol optical depth and comparisons between the measured data and satellite observations. American Journal of Remote Sensing. 2 (5), 37-43 (2014).
  2. Toledano, C., et al. Overview of sun photometer measurements of aerosol properties in Scandinavia and Svalbard. Atmospheric Environment. 52, 182-188 (2012).
  3. Aerosol Protocol - GLOBE.gov. , Available from: https://www.globe.gov/documents/348614/e9acbb7a-5e1f-444a-bdd3-acff62b50759 (2019).
  4. Heintzenber, J., et al. The life cycle of the atmospheric aerosol. Topics in atmospheric and terrestrial physics and chemistry. Boutron, F. , ISBN 2-86883-241-5, 2512-70 (1994).
  5. Gong, W., Zhang, S., Ma, Y. Aerosol Optical Properties and Determination of Aerosol Size Distribution in Wuhan, China. Atmosphere. 5, 81-91 (2014).
  6. Cisek, M., et al. Aerosol Optical Depth variations due to local breeze circulation in Kongsfjorden, Spitsbergen. Oceanologia. 59, 422-430 (2017).
  7. Charlson, R. J., et al. Climate forcing by anthropogenic aerosols. Science. 255, 423-430 (1992).
  8. Kohil, E. E., et al. A study of atmospheric aerosol optical properties over Alexandria city. Egypt Journal of Physics Conference. 810, 012033(2017).
  9. Altaratz, O., Bar-Or, R. Z., Wollner, U., Koren, I. Relative humidity and its effect on aerosol optical depth in the vicinity of convective clouds. Environmental Research Letters. 8, 034025(2013).
  10. Jung, C. H., Shin, H. J., Lee, J. Y., Kim, Y. P. Sensitivity and Contribution of Organic Aerosols to Aerosol Optical Properties Based on Their Refractive Index and Hygroscopicity. Atmosphere. 7 (65), (2016).
  11. Sharma, N. P., Sapkota, B. K., Bhattarai, B., Kjeldstad, B. Study on Aerosol Optical Depth in winter and Summer Season in Bhaktapur. Journal of the Institute of Engineering. 8 (1), 269-276 (2009).
  12. Mims, F. M. III An international haze-monitoring network for students. Bulletin of the American. Meteorological Society. 80, 1421-1431 (1999).
  13. Mielonen, T., et al. Temperature-dependence of aerosol optical depth over the southeastern US. Atmospheric Chemistry and Physics Discussion. , (2016).
  14. Coakley, J. A., Cess, R. D., Yurevich, F. B. The effect of tropospheric aerosols on the earth’s radiation budget: A parameterization for climate models. Journal of Atmospheric Science. 40, 116-138 (1983).
  15. Stachlewska, I. S., Zawadzka, O., Engelmann, R. Effect of Heat Wave Conditions on Aerosol Optical Properties Derived from Satellite and Ground-Based Remote Sensing over Poland. Remote Sensing. 9, 1199(2017).
  16. Brooks, D. R. Development of an inexpensive handheld LED-based Sun photometer for the GLOBE program. Journal of Geophysical Research. 106 (5), 4733-4740 (2001).
  17. Sellitto, P., et al. A novel methodology to determine volcanic aerosols optical properties in the UV and NIR and Ångström parameters using Sun photometry. Journal of Geophysical Research Atmospheres. 122 (8), (2017).
  18. Schmid, B., Wehrli, C. Comparison of Sun photometer calibration by use of the Langley technique and the standard lamp. Applied Optics. 34, 45014512(1995).
  19. Shiobara, M., Spinhirne, J. D., Uchiyama, A., Asano, S. Optical depth measurements of aerosol, cloud and water vapor using sun photometers during theFIRE Cirrus II. Journal of Applied Meteorology. 35, 364-366 (1991).
  20. Aïssani, O., Mokhnache, A. Aerosol size distribution retrieved from optical depth measurements in Tamanrasset and Blida. Revue des Energies Renouvelables. 15 (2), 207-218 (2012).
  21. Bucholtz, A. Rayleigh-scattering calculations for the terrestrial atmosphere. Applied Optics. 34, 2765-2773 (1995).
  22. Brooks, D. R. Monitoring Solar Radiation and Its Transmission through the Atmosphere. The GLOBE Program's Aerosols, Water Vapor, and UVA Monitoring Projects. , (2006).
  23. Holben, B. N., et al. AERONET - A federated instrument network and data archive for aerosol characterization. Remote Sensing of the Environment. 66, 1-16 (1998).
  24. Toledo, F., et al. AOT retrieval procedure for distributed measurements with low-cost Sun photometers. Journal of Geophysical Research Atmospheres. 123, 1113-1131 (2017).
  25. Giles, D. M., et al. Advancements in the Aerosol Robotic Network (AERONET) 1 Version 3 Database - Automated Near Real-Time Quality Control Algorithm with Improved Cloud Screening for Sun Photometer Aerosol Optical Depth (AOD) Measurements. Atmospheric Measurement Techniques Discussions. , (2018).
  26. Zawadzka, I., et al. Studies of aerosol optical depth with the use of Microtops II sun photometers and MODIS detectors in coastal areas of the Baltic Sea. Acta Geophysica. 62 (2), 400-422 (2014).
  27. Bovchaliuk, V., et al. Aerosol Microtops II sunphotometer observations over Ukraine. Advances in Astronomy and Space Physics. 3, 46-52 (2013).
  28. More, S., Kumar, P. P., Gupta, P., Devara, P. C. S., Aher, G. R. Comparison of Aerosol Products Retrieved from AERONET, MICROTOPS and MODIS over a Tropical Urban City, Pune, India. Aerosol and Air Quality Research. 13, 107-121 (2013).
  29. Boersma, K. F., de Vroom, J. P. Validation of MODIS aerosol observations over the Netherlands with GLOBE student measurements. Journal of Geophysical Research. 111, D20311(2006).
  30. Porter, J. N., et al. Handheld Sun Photometer Measurements from Light Aircraft. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology. 24, 1588-1597 (2007).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

GLOBE505625AERONET

Похожие статьи