Summary
Con el advenimiento de sensores ambientales pequeños y de bajo costo, ahora es posible desplegar redes de alta densidad de sensores para medir la variación de la temperatura localizada hyper. Aquí, ofrecemos una metodología detallada para la construcción de una versión compacta de un escudo de radiación descrita custom fabricado para el uso con thermochrons barato.
Abstract
Sensores de temperatura de bajo costo utilizan cada vez más por los ecologistas para evaluar la variación climática y cambiar en escalas ecológicamente pertinentes. Aunque rentable, si no se implementa con blindaje contra la radiación solar adecuada, las observaciones de estos sensores será sesgada e inexacta. Escudos de radiación fabricados son eficaces para reducir al mínimo este sesgo, pero son caros en comparación con el costo de estos sensores. Aquí, ofrecemos una metodología detallada para la construcción de una versión compacta de un escudo de radiación fabricado personalizado previamente descritos, que es más preciso que otros métodos de blindaje publicados que tratan de minimizar los costos de tamaño o construcción de escudo. El método requiere muy poco material: corrugado, láminas de plástico, cinta de papel de aluminio y bridas. Una 15 cm y dos de 10 cm cuadrados de plástico corrugado se utilizan para cada escudo. Después de cortar, puntuación, taping y grapado de las hojas, los cuadrados de 10 cm forman la parte inferior del protector dos capas de la radiación solar, mientras que el cuadrado de 15 cm forma la capa superior. Las tres hojas se llevan a cabo junto con bridas. Este escudo de radiación solar compacto puede suspender, o colocado sobre cualquier superficie plana. Debe tenerse cuidado para asegurar que el escudo es completamente paralelo al suelo para evitar la radiación solar directa de alcanzar el sensor, posiblemente causando mayor calientes sesgos en sitios expuestos al sol en la mañana y tarde con respecto a la original, más grande diseño. Aún así, las diferencias en las temperaturas registradas entre el diseño del escudo más pequeño, compacto y el diseño original eran pequeñas (significa sesgo diurna = 0,06 ° C). Los costos de construcción son menos de la mitad del diseño original del escudo y los nuevos resultados del diseño en un instrumento menos visible que puede ser ventajoso en muchos entornos de Ecología de campo.
Introduction
A la luz de calentamiento global antropogénico, ha habido un creciente interés en la grabación de la temperatura del aire en una variedad de ajustes para entender y predecir las respuestas ecológicas al clima cambian1,2,3. Con el advenimiento de los registradores de datos ambientales pequeños y de bajo costo (también conocido como registradores, thermochrons o hygrochrons), ahora es posible desplegar redes de alta densidad de sensores para medir la variación de la temperatura localizada hyper, aumento de capacidad de ecologistas para observar más directamente las condiciones ambientales ambiente experimentadas por los organismos y los ecosistemas bajo estudio. Comparado con el existente, bien calibrado y probado rigurosamente, pero escasamente distribuida — tiempo permanente las estaciones, tales oportunidades presentes redes evaluar variación climática en escalas ecológicamente relevantes pero puede reducir la exactitud y comparabilidad entre los estudios si sistemáticamente o inadecuadamente implementado.
Sensores de temperatura del aire cerca de la superficie normalmente requieren algún tipo de protección para evitar el calentamiento directo del elemento sensor, que erróneamente calientes medidas de radiación solar. Formas comunes para limitar el sesgo del sensor incluyen: 1) con características ambientales existentes como árboles para sombra4, 2) sesgo de corrección y de calibración sensor5 que deriva las correcciones basadas en las propiedades térmicas de los sensores y 3) el uso de manufacturado o fabricado de encargo escudos6,7. Muchos investigadores deciden usar escudos fabricados costumbres debido al bajo costo y fácil implementación y la necesidad en situaciones donde las condiciones ambientales no proporcionan sombra natural. Sin embargo, una revisión de la literatura ecológica indicó que el diseño de encargo escudos fabricados varía ampliamente entre los estudios y diseños individuales se prueban raramente para la exactitud. Escudos pueden ser susceptibles a la mala elección de materiales y diseño de calefacción adicional de las moléculas de aire que inmediatamente rodea el sensor, la absorción directa de la radiación solar por el propio sensor o tanto-conduce a sesgos promedio de hasta 3 ° C7. Por otro lado, diseños simple y rentable6,7 son bastante eficaces en la protección de sensores (sesgos de 1 ° C o menos) y son comparables con los escudos de radiación comercialmente manufacturado.
Aquí, ofrecemos una metodología detallada para la construcción de una radiación fabricado personalizado previamente evaluados escudo7 para uso con sensores de temperatura thermochron barato. El diseño del escudo es una modificación de uno previamente descrito y probado en un bosque abierto de pino Ponderosa configuración6. En pruebas recientes de varios diseños del escudo fabricado por encargo, este escudo montano probado dio lugar a los prejuicios más bajo cuando se combina con pequeñas thermochrons7, pero nos pareció incómodo y demasiado llamativas para desplegar en el campo. El protocolo de diseño aquí propuesto reduce las dimensiones del escudo de radiación en un 50%. Reducción de tamaño tiene varios beneficios: 1) es menos visible y por lo tanto menos susceptibles a la manipulación, 2) puede ser más viable utilizado en una amplia variedad de ajustes ecológicos donde el espacio es limitado (por ejemplo, en pequeños árboles de calle urbanas), 3) es es más preciso que otro publicado blindaje métodos que intentan minimizar el tamaño del escudo o de los costos de construcción7y 4) es menos costoso que el diseño original, más grande debido a la reducida cantidad de materiales de construcción necesarios. Después de describir los métodos de construcción, exploramos el efecto de la reducción de tamaño en la precisión del sensor en relación con el diseño original del escudo utilizando los resultados de un ensayo de campo bajo condiciones de alta radiación solar hacia abajo.
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Protocol
1. construcción de la protección de la radiación
- Usando un cuchillo, cortar las hojas de plástico corrugadas en cuadrados (figura 1A). Se necesitaría un cuadrado de 15 cm y dos cuadrados de 10 cm para cada escudo.
- Reducción de la capa superior de la pantalla pequeña de la radiación (figura 1B; imagen de la izquierda):
- En el cuadrado de 15 cm, miden 4 cm de un extremo y trazar una línea con un lápiz. Use una regla como guía para anotar a lo largo de la línea. (Aquí, "puntuación" significa con un cuchillo hacer un corte que pasa por sólo una capa de corrugado plástico, en lugar de toda la hoja). En adelante este borde de la plaza se hará referencia a como el "top" (figura 1B; imagen de la izquierda).
- Mide 3.8 cm de los bordes perpendiculares a la línea de 4 cm. Use una regla como guía para anotar desde la parte inferior hasta la línea de 4 cm (figura 1B; imagen de la izquierda).
- Trazar una línea desde ambos ángulos por encima de la línea de 4 cm para el cruce de las líneas de 4 cm y 3,8 cm. Corte a lo largo de esta línea (figura 1B; imagen de la izquierda).
- Los cortes de las capas media e inferior de la pantalla pequeña de la radiación (figura 1B; media y derecha imágenes):
- Utilizando una regla, dibuje un cuadrado de 6 cm en el centro de cada cuadrado de 10 cm (figura 1B, centro y derecha imágenes).
- Puntuación todo alrededor del cuadrado de 6 cm y de cada esquina del cuadrado con las esquinas exteriores de los cuadrados de 10 cm 6 cm (figura 1B, centro y derecha imágenes).
- Utilizar cinta de papel de aluminio para cubrir completamente el lado anotado de la Plaza de 15 cm y uno de los cuadrados de 10 cm y la parte no calificada del otro cuadrado de 10 cm.
- Usando un taladro de 1/4" bit, taladre orificios como se muestra en la figura 1, en cada una de las capas de escudo.
- Conecte un sensor de temperatura en la parte inferior de 10 cm cuadrado, que se graba en el lado anotado y tiene los dos agujeros perforados en el medio, mediante la ejecución de la atadura de cables a través del orificio de la cubierta del sensor (o su dispositivo de montaje) y a través de los orificios de lo cuadrados de 10 cm u (figura 1).
- Doblar las hojas.
- Doblar la hoja de 15 cm a lo largo de las líneas anotadas. Presión puede ser necesaria en caso de que la cinta hace que los lados firmemente y difícil de doblar.
- Doble las aletas triangulares pequeñas en el interior de la aleta trasera más grande. Cuando se hace correctamente, sólo grabados laterales son visibles desde arriba. El borde de corte de la aleta trasera debe quedar al ras con los lados doblados.
- Utilice otra capa de cinta de aluminio para sujetar los lados doblados a la aleta trasera. Las aletas traseras podrían también ser grapadas, con una grapadora para trabajo pesado, para la fuerza agregada.
- Tomar las hojas de 10 cm y pellizque los lados juntos a lo largo de la diagonal marcada línea. Utilizando una engrapadora para trabajo pesado, engrape el pellizcado lados juntos (Figura 1E). El producto final tendrá una forma de tazón de fuente de la Plaza.
- Atar las hojas junto con ataduras de cables de 20 cm.
- Comenzando con la hoja de 10 cm con cinta en el lado de la tabla, con tres agujeros, coloque el lado con cinta hacia abajo. Una sujeción de cable a través del orificio izquierdo trasero de dos hojas de 10 cm del hilo de rosca. Dejar 2 cm de espacio vertical entre las dos hojas para asegurar el flujo de aire alrededor del sensor de temperatura. Repita este paso para el agujero de la derecho trasera (Figura 1E, centro y derecha imágenes).
- La hoja de 15 cm y pase una sujeción de cable a través de los dos agujeros de lado a lado, en la parte posterior izquierda (imagen izquierda,Figura 1E). Fije este lazo a las hojas de 10 cm, también dejando 2 cm de espacio entre la hoja de 15 cm y la parte superior de la hoja superior 10 cm. Repita este paso para los dos agujeros de lado a lado en la parte posterior derecha (Figura 1E, imagen de la izquierda).
- Finalmente, pasa un lazo de cable a través de los tres orificios en la parte delantera las hojas (indicados por la flecha; Figura 1E). Apriete la abrazadera, asegurando que el espacio es incluso entre todas las tres hojas (Figura 1F).
- Taladre agujeros adicionales en el extremo posterior del producto final montado para facilitar el montaje, donde se necesita. Donde se monta la pantalla, asegúrese de que las tres hojas ponen paralelas al suelo.
Figura 1: instrucciones paso a paso para construir un escudo de radiación pequeño. (A) se cortan cuadrados de 15 cm y 10 cm de la hoja grande de plástico corrugado. (B) hojas del 15 cm entonces se cortan y anotó, y las hojas de 10 cm se anotaron para permitir la flexión del escudo a la forma correcta. (C) los agujeros son taladrados en cada hoja. (D) el sensor está ligado a una de las hojas de 10 cm. (E) el escudo se ensambla utilizando varias bridas. (F) el escudo final está listo para la instalación. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
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Representative Results
Resultados representativos usando thermochrons equipado con el nuevo, diseño de escudo más pequeño, el diseño original de la pantalla más grande y los thermochrons con ningún escudo de radiación se muestran en la figura 2 y figura 3. Estos datos se registraron en una zona rural totalmente expuesta cerca de Raleigh, Carolina del norte (35.728 ° N, 78.680 ° W) y en una estación permanente bien calibrada equipada con VAISALA resistencia de platino aire sensor de temperatura (HMP45C) montado en el interior se encuentra un radiación del multiplate aspirados viento escudo7. En la Figura 2a, boxplots se muestran las diferencias en las temperaturas registradas entre cuatro sensores usando el escudo de radiación pequeña y la estación meteorológica permanente. Sesgos se encuentran a través de todos los cuatro sensores de prueba positiva (significa sesgo = 0,56 ° C), pero son similares a las que se encuentran utilizando el diseño del escudo original, más grande (figura 2b; media = 0,56 ° C) y son mucho menores que los sesgos de los sensores sin blindaje (figura 2 c ; significa = 1,23 ° C). Los escudos pequeños resultan en los sensores de grabación algunas temperaturas atípicas en relación con el diseño original del escudo (Figura 2d), aunque las diferencias en general son pequeñas (significa sesgo = 0,16 ° C).
Figura 2: resultados de boxplot de ejemplo de un experimento de campo comparando diferencias de temperatura utilizando diferentes radiación escudo tratamientos. Protector de la radiación grande original de distribución de diferencias de temperatura entre los thermochrons con (A) el diseño del escudo de radiación pequeña (B) y (C) sin escudos y la estación calibrada, permanente en Agosto de 2015 en un soleado, expuesto lugar en Raleigh, Carolina del norte. (D) muestra la distribución de diferencias de la temperatura registrada entre los cuatro thermochrons equipados con el escudo de radiación pequeña y la grande thermochron equipado escudo que tenía el sesgo más pequeño (es decir, Sensor de 3 en B). Diferencias superiores a 7 ° C están excluidas de la trama en C (valores extienden hasta 10.6 oC). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
En la figura 3, la naturaleza diurna de los sesgos es evidente en la serie de tiempo. Como en la figura 2, se muestran las diferencias de temperatura entre el themochrons equipado con los escudos de radiación pequeño y grande y del calibrado estación meteorológica permanente (figuras 3a, 3b). Calientes prejuicios son más fuertes durante los períodos de la radiación solar máxima, pero en ambos casos son mucho menos que los sesgos de los sensores sin blindaje (Figura 3C). La diferencia de temperatura media entre todas las combinaciones de sensores con el escudo de radiación pequeña en comparación con el diseño original (línea negra sólida, Figura 3d) es 0,002 y 0,06 ° C por horas durante el día (0700-2000 h LST). Curiosamente, las mayores diferencias con respecto a la desviación de estándar estimada por hora (líneas punteadas de la Figura 3d), son en LST 1400 y 0800. Las diferencias grandes en la tarde durante el calor del día son de esperarse teniendo en cuenta el menor tamaño de la pantalla de radiación. Sin embargo, la fuente de las más grandes diferencias en la mañana poco después del amanecer no está clara y podría ser debido al sensor protector óptimo ángulos (es decir, los thermochrons no eran paralelos al suelo) que dejaría al descubierto los thermochrons para calefacción adicional.
Figura 3: series de tiempo ejemplo los resultados de un experimento de campo comparando diferencias de temperatura usando tratamientos de escudo de radiación diferentes. Series temporales de temperatura las diferencias entre los thermochrons con (A) el diseño del escudo de radiación pequeña, (B) el original escudo de gran radiación y (C) sin escudos y la estación calibrada, permanente en Agosto de 2015 en un soleado, expuesto lugar en Raleigh, Carolina del norte. La media (línea negra continua) y dos desviaciones estándar (estimado por cada hora; discontinua de líneas) de las diferencias de temperatura entre todas las combinaciones de thermochrons blindado (n = 4 escudos pequeños, números = 5 grandes escudos) se muestra en (D). Nota cambio de escala en el eje de ordenadas en D comparado A hasta C. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
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Discussion
La exactitud y la repetibilidad de las mediciones de temperatura del aire dependen del uso de un adecuado protector solar que protege el sensor de radiación solar directa y reflejada. Aquí describimos la construcción del escudo que es mas compacto en tamaño, menos costoso, o más rápido para construir que dispositivos similares, previamente descrito6, sin sacrificar la precisión. 94% de las temperaturas registradas para los thermochrons equipado con el escudo más pequeño eran en 1.0 ° C de las mejores thermochron equipado con la más grande, original escudo de radiación y el 71% de las observaciones dentro de 0,25 º C.
El diseño de este escudo, como el de su precursor más grande, es una variación en el escudo de Gill ampliamente utilizado, aspirado pasivamente. Propiedades ideales de un escudo pasivo incluyen sombreado el sensor de radiación solar desde todos los ángulos; permitiendo que el aire fluya libremente a través del escudo; y absorber la mínima radiación en el material del escudo8. El diseño es a menudo un compromiso entre la sombra y circulación de aire. Diseños que maximicen el flujo de aire pasiva evitar sombra completa y riesgo directo de calefacción del sensor; aquellos con blindaje completo obstaculizan la circulación de aire y el riesgo de calentar el aire de dentro del escudo en relación con el aire en general.
Como un escudo ventilado pasivamente, el escudo de radiación pequeña es inexacto a velocidades del viento bajas (menos de 1-2 ms-1), cuando promueve la falta de ventilación calefacción radiativa del aire dentro de la pantalla en relación con el aire en grandes7. Se trata de una fuente universal de sesgo en los escudos ventilados pasivamente, incluso costosos manufacturados. Este sesgo es superar en escudos mecánicamente aspirados, pero sus requisitos eléctricos son generalmente prohibitivos en estudios de campo replicado. Sesgos en escudos pasivas pueden abordarse a través de correcciones basado en el modelo5,9,10. Tales correcciones, sin embargo, requieren la medición simultánea de la velocidad del viento y radiación de onda corta, que también puede ser práctica en los tipos de estudios que se basan en escudos fabricados por encargo. Una opción final es simplemente precisa Informe métodos de protección y reconocer el sesgo para que cualquier lector intentar comparar temperaturas informó a través de diferentes estudios puede hacer interpretaciones fundamentadas.
En comparación con un escudo fabricado de Gill, el escudo de radiación pequeño descrito aquí tiene un sesgo diurna de 0,81 ° C en comparación con un sesgo de 0,75 º C para thermochrons equipado con el escudo original diseño7. En comparación directa, su rendimiento era casi indistinguible de la del escudo de radiación grande previamente descritos, pero representa un ahorro significativo en los materiales. Construimos los escudos de radiación pequeña de 1,36 dólares (2015 dólares) cada uno en los materiales, como plástico corrugado, cinta de aluminio y bridas. En contraste, el original escudo de radiación grande, debido a las grandes cantidades de plástico y aluminio, cuesta 3 dólares (estimación de 2013 de los autores) a 4,75 dólares (nuestro cálculo)6. Estimaciones de costos no incluyen el registrador sí mismo, su soporte de montaje especificado por el fabricante o cualquier estructura que puede montarse el escudo en el campo.
Otros ejemplos existen de escudos fabricados de encargo que han sido bien probados con escudos fabricado11. En una prueba de 11 días de diferentes hechos a mano Gill escudo11, dos tercios de todas las mediciones de temperatura de aire en este escudo estaban dentro de 1.0 ° C de los medidos en un escudo fabricado de Gill. En nuestro escudo de radiación pequeña, exactitud de thermochrons fue similar, con 83% de las mediciones dentro de 1 ° C de los instrumentos de estación meteorológica de referencia en el sitio expuestas al sol. El escudo hecho a mano de Gill tomó sus creadores 45 minutos para construir, y costaría $2 US (nuestra estimación) a 4 dólares (estimación de 2007 de los autores) en los materiales. Otra vez, el escudo de radiación pequeña proporciona ahorro en materiales y tiempo de construcción.
Aunque no probamos para efectos de las variaciones en los parámetros de radiación pequeño escudo, teoría predice que los cambios en materiales, espacio de placa y doblez ángulos alterarían la capacidad del escudo para bloquear la radiación y permite la circulación de aire y producen resultados diferentes de los reportados aquí. Protección máxima del sensor de radiación solar directa y reflejada requiere el uso de todas las tres placas, doblado como se indica, para bloquear no sólo radiación desde arriba, sino también radiación de bajo ángulo de los lados y la radiación reflejada desde abajo. Protección contra la radiación reflejada es particularmente importante cuando los sensores son desplegados sobre la nieve, arena, pavimento y otras superficies sin vegetación7,12. Flujo de aire dentro del escudo es dictado por forma de la placa y espaciado8; en el diseño actual, cualquier cambio en la placa de plegamiento y espaciamiento influiría el flujo de aire. Finalmente, minimiza el uso de un material blanco con las superficies exteriores revestido de aluminio calefacción radiativa del escudo cobertura completa de las superficies superior e inferior de la pantalla con cinta de aluminio reflectante es esencial para replicar esta propiedad. Escudos necesitan ser mantenido limpio, o acumulación de suciedad, excrementos de pájaros y molde alterará su reflectancia8. Finalmente, también advertimos que, para la comparabilidad entre múltiples sensores en una matriz, que necesitan para implementar con las placas de blindaje paralelas al suelo y en una constante elevación sobre el suelo, no siempre sencillo cuando la vegetación superficial se varía en altura10.
Otras mejoras sobre el diseño de este escudo son sin duda posibles. El uso de recubrimientos claro sobre una superficie de aluminio para mejorar las propiedades térmicas de escudos de radiación ha sido conocido13. En pruebas con el escudo grande de radiación sin embargo, otros autores no detectaron beneficios de capas adicionales (mylar, pintura blanca) sobre la cinta de aluminio solo6. La adición de separadores de espuma rígida entre las placas, descritas previamente en una custom fabricado Gill escudo11, es otra modificación potencial que podría normalizar el diseño y evitar el desplazamiento de las placas de viento fuerte. Una limitación de este escudo es que su construcción requiere de montaje en una barra horizontal o rama; sería difícil, por ejemplo, suspender esta Asamblea escudo desde arriba manteniendo su orientación correcta. Por último, para registradores de datos voluminosos, la adición de otra pequeña placa interior con un recorte en el centro podría ser conveniente crear más espacio para el registrador sin alterar el espacio de la placa. Cualquiera de estos cambios incurriría en costos adicionales y tiempo de construcción y requeriría pruebas contra la norma original o una estación meteorológica calibrada para evaluar el desempeño.
También hacemos hincapié en que el diseño actual se evaluó en un cierto rango de condiciones ambientales y cualquier extrapolaciones de resultados de escudo de radiación fuera de esas condiciones deben hacerse con precaución. En particular, el diseño de este escudo, en tanto este estudio y en el documento original de donde la versión más grande fue introducido6 fueron probados en ángulo solar alto verano suelen encontrarse en latitudes equatorward del ~ 45 grados de latitud. En áreas con bajo ángulos solares estacionales, fotoperiodos largos o ambas (tales como experimentado en las latitudes altas o en temporadas distintas), diferentes enfoques para proteger la construcción pueden ser más apropiados.
Con el advenimiento de registradores de temperatura pequeño, barato, biólogos han tratado cada vez más evaluar la temperatura del aire a las finas escalas espaciales pertinentes a los organismos individuales y los procesos ecológicos locales. Entender variaciones microclimáticas en temperatura del aire puede proporcionar penetraciones en locales respuestas biológicas al cambio climático reciente y proyectada. Térmica adicional variables, tales como suelo, superficie, temperatura del cuerpo, cada uno con su propia precisión consideraciones-puede también ser medido, temperatura del aire es una moneda común en los estudios de climas históricos, actuales y proyectados. Uso constante de protectores de radiaciones con propiedades bien documentados se asegurará de que resultados de diferentes estudios pueden ser significativo en comparación con.
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Disclosures
Los autores no tienen nada que revelar.
Acknowledgments
Agradecemos las contribuciones al diseño original del estudio Emily Meineke y experimentar. Agradecemos a Ryan Boyles para facilitar el acceso a los sitios de estudio y los datos de la estación meteorológica. Jaime Collazo, Steven Frank y Erica Henry proporcionan los registradores de datos y escudos de radiación. Acceso al sitio de estudio fue aprobado por la oficina de clima del estado de Carolina del norte. Cualquier uso de nombres de comercio, empresa o producto es para los propósitos descriptivos solamente y no implica la aprobación por el gobierno de Estados Unidos.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Multipurpose Aluminum Foil Tape | Nashua | 1087671 | 48 mm width |
| 8" cable ties | DTOL | GEN86371 | NA |
| Corrugated plastic sheet | Highway Traffic supply | hts18X24COROW | White sheet 18"L x 24"W, 5-pack |
| Standard utility knife | NA | NA | NA |
| Standard Scissors | NA | NA | NA |
| Heavy duty stapler | Swingline | 552277715 | NA |
References
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