Summary
الهدف من الطرق المعروضة هنا هو قياس سمك الهباء الضوئي للغلاف الجوي. وأشار الاشعه الشمسية في الشمس وسجلت أكبر الجهد القراءة التي تم الحصول عليها علي الفولتميتر الرقمية المدمجة. كما يتم اجراء قياسات الغلاف الجوي مثل الضغط البارومتري والرطوبة النسبية.
Abstract
هنا ، ونحن وصف قياس سمك الهباء الضوئي باستخدام مقياس الضوء الشمسية المحمولة غلوب. تم قياس سمك الهباء الضوئي (AOT) في جامعه كزافييه في لويزيانا (XULA, 29.96 ° N, 90.11 ° W و 3 م فوق مستوي سطح البحر). وأجريت القياسات في اثنين من أطوال موجية مختلفه ، 505 نانومتر و 625 نانومتر. تم اجراء قياسات AOT 6 مرات في اليوم (7 صباحا ، 9 صباحا ، 11 صباحا ، الظهيرة الشمسية ، 3 مساء و 5 مساء). البيانات الواردة في هذه الورقة هي المتوسط الشهري لقيم AOT الماخوذه عند الظهيرة الشمسية. خلال كل وقت القياس; يتم أخذ ما لا يقل عن خمسه قيم من الجهد ضوء الشمس v والظلام الجهد v الظلام لكل قناه. ويؤخذ المتوسط لهذه القياسات الخمسة علي انه المعدل لوقت القياس هذا. وتقاس أيضا في نفس الوقت بيانات الأرصاد الجوية الأخرى مثل درجه الحرارة والضغط السطحي والامطار والرطوبة النسبية. يتم إكمال البروتوكول بأكمله في غضون فتره زمنيه تتراوح بين 10 و 15 دقيقه. يتم استخدام قيم AOT المقاسه عند 505 نانومتر و 625 نانومتر لاستقراء قيم AOT لأطوال موجية 667 نانومتر ، 551 نانومتر ، 532 نانومتر و 490 نانومتر. ثم قورنت قيم AOT المقاسه واستقراءها مع القيم من أقرب محطه AERONET في الموقع الموجه CIS 6 (AERONET, 28.87 ° N, 90.48 ° W و 33 متر فوق مستوي سطح البحر), وهو حوالي 96 كم جنوب XULA. في هذه الدراسة تعقبنا الاختلافات السنوية واليومية من AOT لفتره 12 شهرا من سبتمبر 2017 إلى أغسطس 2018. نحن أيضا مقارنه البيانات AOT من اثنين معايره بشكل مستقل غلوب المحمولة الشمس الضوئية في موقع XULA. وتظهر البيانات ان الصكين في اتفاق ممتاز.
Introduction
الهباء الجوي هو الدقيقة الصلبة والجزيئات السائلة (تتراوح بين submicron إلى ملليمتر حجم) معلقه في الهواء. يتم إنتاج بعض الهباء الجوي من خلال النشاط البشري والبعض الآخر تنتجه العمليات الطبيعية1،2،3،4. ويؤدي الهباء الجوي في الجو إلى تقليل كميه الطاقة الشمسية التي تصل إلى سطح الأرض عن طريق نثر أو امتصاص الإشعاع الخفيف والحراري من الشمس. ويختلف مقدار الهباء الجوي في الجو اختلافا كبيرا مع الموقع والوقت. هناك تغيرات موسميه وسنوية [اس ول س] تغيرات عرضيه واجبه إلى حادثات مثل كبيره غبار عواصف, نيران وحشيه أو ثوران بركانيه5,6,7,8.
ومن بين المواضيع المهيمنة في البحوث البيئية الحالية تاثير الهباء الجوي علي المناخ وعلي الصحة العامة. ويؤثر الهباء الجوي علي الطقس بنثر أو امتصاص الاشعه الخفيفة والحرارية من الشمس العمل كنوى تكثيف في تشكيل الغيوم. ويؤدي الهباء الجوي أيضا دورا في تشتيت العوامل المسببة للامراض في الهواء ويمكن ان يسبب أو يعزز امراض الجهاز التنفسي والقلب والاوعيه الدموية. سمك الهباء الضوئي (AOT) هو مقياس لكميه ضوء الشمس التي يمتصها أو يتناثرها هذا الهباء الجوي. هناك العديد من الطرق الارضيه لرصد aot9,10,11. ويعد مشروع الشبكة الروبوتية للرذاذ (AERONET) الأكبر من نظام الرصد الأرضي AOT. Aeronet هي شبكه من أكثر من 400 محطه رصد منتشرة في جميع انحاء العالم12,13. علي الرغم من هذا العدد الكبير من محطات الرصد ، لا تزال هناك فجوات كبيره في جميع انحاء العالم والتي لا يتم رصدها ل AOT. علي سبيل المثال ، أقرب محطه AERONET من موقع الدراسة الخاص بنا علي بعد حوالي 90 كم. تصف هذه الورقة استخدام مقياس ضوئي محمول باليد للشمس يمكن استخدامه لسد الفجوات بين محطات الرصد AERONET. جهاز قياس الضوء المحمول من أشعه الشمس هو أداه مثاليه للاستخدام من قبل الطلاب في جميع انحاء العالم في شبكه رصد الهباء العالمي14،15. ويوفر برنامج التعلم والملاحظات العالمية لصالح البيئة (غلوب) منبرا لهذه الشبكة ، من خلال آلاف المدارس في جميع الولايات 50 في الولايات المتحدة وفي حوالي 120 بلدا آخر16و17 . الفكرة الاساسيه لبرنامج غلوب هي استخدام الطلاب في جميع انحاء العالم لتوفير قياسات قيمه علميا للمعلمات البيئية باستخدام معدات غير مكلفه. مع التوجيه المناسب ، يمكن للطلاب وغيرهم من غير المتخصصين تشكيل شبكات من أجهزه قياس الضوء الشمسية المحمولة لسد الفجوات بين محطات الرصد AERONET. أكبر ميزه من مقياس الضوء الشمسي المحمولة هو انه يمكن ان يؤخذ إلى ابعد أجزاء من العالم. وقد استخدمت قياسات aot مع أدوات صغيره وقابله للنقل بنجاح في الماضي لاجراء دراسات بحثيه في المناطق النائية والتي يصعب الوصول اليها17,18
الهدف الرئيسي من هذه الدراسة هو استخدام الصور الفوتوغرافية الشمسية المحمولة غلوب لتتبع الاختلاف السنوي واليومي والساعة من AOT في موقع الدراسة XULA لدينا ومقارنه مع القياسات من محطه AERONET القريبة. وتقدم هذه الورقة بيانات لفتره 12 شهرا من 2017 أيلول/سبتمبر إلى 2018 أب/أغسطس. هذا هو أول اي وقت مضي سجلت AOT لموقع XULA. مقياس الضوء الشمسي غلوب التدابير AOT في اثنين من موجات ، 505 nm و 625 nm. الموقع AERONET في الموج CIS الموقع 6 يقيس AOT في 15 أطوال موجية مختلفه. للمقارنة لدينا ركزنا علي هذه الأطوال الموجية 4 ، 667 nm ، 551 nm ، 532 nm و 490 nm. اخترنا هذه لأنها موجات AERONET 4 أقرب إلى موجات الضوء الشمسي غلوب. لجعل المقارنة ، ونحن استقراء قيم AOT في هذه الأطوال الموجية لموقع XULA.
يتم اجراء قياسات AOT كل يوم عندما تسمح الظروف الجوية. وتستبعد في التحليل القياسات التي يتم القيام بها عند وجود الغيوم التي توجد في محيط الشمس. ويبين الجدول 1 عدد الأيام التي كانت فيها السماء صافيه تماما في كل شهر. الإجمال ، استبعد حوالي 47 في المائة من البيانات الماخوذه.
| الشهر | سبتمبر | اكتوبر | نوفمبر | ديسمبر | يناير | فبراير | مارس | ابريل | قد | يونيو | يوليو | اغسطس |
| عدد الأيام | 18 | 20 | 16 | 15 | 15 | 15 | 16 | 15 | 18 | 15 | 15 | 16 |
الجدول 1: تم اجراء قياسات AOT 6 مرات في اليوم (7:00 صباحا ، 9 صباحا ، 11 صباحا ، ظهر شمسي ، 3 صباحا ، و 5 صباحا). البيانات المعروضة علي المؤامرات هي المتوسط الشهري لقيم AOT الماخوذه عند الظهيرة الشمسية. خلال كل وقت القياس; يتم أخذ ما لا يقل عن خمسه قيم من الجهد ضوء الشمس v والظلام الجهد v الظلام لكل قناه. ويؤخذ المتوسط لهذه القياسات الخمسة علي انه المعدل لوقت القياس هذا. ويحسب الخطا في هذه القياسات علي انه الانحرافات المعيارية لهذه القياسات الخمسة. يتم الحصول علي قيم AOT باستخدام المعادلة الموضحة أدناه16:
V0 هو ثابت المعايرة للضوء الشمس ، R هي المسافة بين الأرض والشمس في الوحدات الفلكية ، Vالظلام هو الجهد الظلام المسجلة عندما يتم حظر الضوء من المرور من خلال ثقب علي القوس العلوي من أشعه الشمس الضوئية ، V هو الجهد ضوء الشمس المسجلة من الاشعه الشمس عندما يمر الخفيفة من خلال ثقب علي القوس العلوي ، R يمثل توهين الضوء بسبب تشتت رايلي ، p و p0 هي قياس ومعيار الضغط الجوي ، علي التوالي ، و m هو كتله الهواء النسبي. وتحسب الكتلة الجوية النسبية من البيانات المقدمة من الاداره الوطنية للمحيطات والغلاف الجوي (نوا). وتقاس أيضا في نفس الوقت بيانات الأرصاد الجوية الأخرى مثل درجه الحرارة والامطار والرطوبة النسبية. وتشمل المعادلة 1 الواردة أعلاه مساهمات السمك البصري من الأوزون. ويحسب تاثير الأوزون علي قيم AOT استنادا إلى القيم المجدولة لمعامل امتصاص الأوزون والافتراضات المتعلقة بكميه الأوزون في الغلاف الجوي19. وقد أنتجت bucholtz20،21 القيم المجدولة لل R علي أساس الأجواء القياسية. للقناه 505 nm R ≈ 0.13813 وللقناه 625 nm هو ~ 0.05793.
وتمثل البيانات المقدمة هنا مثالا للكيفية التي يمكن بها تنظيم فرق الطلاب لأخذ قياسات طويلة ومستدامه لهذه الدراسات. وفي هذه الدراسة ، استخدم فريقان من الطلاب اثنين من الفرق الضوئية المحمولة بشكل مستقل من غلوب لتتبع التغيرات السنوية واليومية والساعة التي يتسم بها سمك الإيروسول البصري للغلاف الجوي في موقع الدراسة في XULA. وقد تم شراء مقياسي الضوء الشمسي المستخدمين في هذا التحقيق من معهد بحوث علوم الأرض والتعليم ؛ وكان لأحد الرقم التسلسلي RG8-989 والاخر رقم تسلسلي RG8-990). وقبل الجمع بين البيانات الواردة في الصكين ، اجري تحليل للتراجع للتاكد من الاتفاق
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. عمليه الفوتوميتر
ملاحظه: وأفضل طريقه لتنفيذ هذه البروتوكولات هي قيام شخصين بالعمل معا. شخص واحد يحمل ويحاذي مقياس الضوء الشمسي في حين ان الشخص الثاني تسجيل القياسات.
- قياس خط الطول وخط العرض للموقع باستخدام GPS. في الموقع ، فان الخطوة الاولي هي تفعيل نظام تحديد المواقع عن طريق اختيار أجهزه الاستشعار من قائمه أجهزه الاستشعار وتحديد GPS. وبمجرد ان يكون نظام تحديد المواقع قد حصل علي ما يكفي من السواتل ، ستعرض قيم خطوط الطول والعرض. بمجرد عرض القيم اضغط علي جمع البيانات ومن ثم اضغط حفظ.
- تاكد من ان مقياس الضوء الشمسي يعمل بشكل جيد. وينبغي للضوء الشمس معايره بشكل صحيح إنتاج الجهد مستقره من ~ 0.03 V في الداخل وتصل إلى 5 V عندما يتم توجيه الضوء علي كاشف. ال [فولمتر] علي الكره أرضيه شمس مقياس ضوء داخل-يبني علي الشمس [فوتوميتر]
- تسجيل درجه حرارة الهواء. إذا كنت تستخدم الكحول في ميزان الحرارة الزجاج ، وإعطاء ميزان الحرارة 3-5 دقيقه للتكيف مع درجه الحرارة الخارجية قبل تسجيل القراءة مستقره. إذا كنت تستخدم مقياس الحرارة الشمسية في المدمجة ، وتحويل التبديل الدوارة إلى T وتسجيل القراءة الجهد علي الفولتميتر. القراءة الجهد مضروبه في 100 سوف تعطي درجه حرارة الهواء في درجه مئوية في ذلك الوقت.
- تعيين التبديل الدوارة إلى القناة الخضراء من مقياس الضوء الشمس.
- يكون شخص واحد محاذاة مقياس الضوء الشمس بحيث يمر الخفيفة من خلال ثقب علي قوس اعلي تنتج بقعه ضوء الشمس تركزت علي نقطه الملونة علي قوس السفلي. للحصول علي أفضل النتائج ، استخدم طاوله وكرسي. يجب علي الشخص الذي محاذاة الضوء الشمسي الجلوس علي الكرسي وبقية له/لها الذراعين علي الطاولة من أجل الحصول علي قراءه ثابته.
- يكون الشخص الثاني تسجيل القراءة علي الفولتميتر. تاكد من ان بقعه الشمس مستقره علي النقطة قبل أخذ القراءة. إذا كانت القراءة الجهد متقلبة ، مجرد تسجيل الحد الأقصى للقيمة المعروضة.
- سجل الوقت الذي تم فيه أخذ القراءة. يجب تسجيل الوقت إلى أقرب 30 s. الساعة الرقمية تخدم هذا الغرض أفضل من التناظرية.
- الحصول علي الجهد الظلام. يكون الشخص الجالس أسفل الحفاظ علي ضوء الشمس محاذاة إلى الشمس مع يد واحده ومن ثم تغطيه ثقب علي قوس اعلي مع اصبع من ناحية أخرى. الشخص الثاني سوف يسجل القراءة الجهد.
- اضبط المفتاح الدوار علي القناة الحمراء وكرر الخطوات 1-4-1-7.
- كرر الخطوات 1.4 – 1.8 أربع مرات أخرى للحصول علي خمس قراءات الفولتية للقناه الخضراء وخمس قراءات الجهد للقناه الحمراء
- قياس درجه حرارة الهواء مره أخرى كما في الخطوة 1.2.
2. جمع البيانات الوصفية
-
استخدام المخطط السحابة غلوب لمراقبه وتسجيل الغيوم بالقرب من الشمس. ويتم ذلك من خلال النظر في السماء والتحقق من الميزات الملحوظة من الرسم البياني السحابة غلوب (https://www.globe.gov/documents/348614/24331082/GLOBE+Cloud+Chart.). الغيوم سيروس مرئية من السهل ان نلاحظ بسبب خيوط رقيقه المميزة. ويستدل الغيوم غير مرئية سيروس إذا كانت قراءه الجهد ضوء الشمس علي اليوم واضحة علي ما يبدو اقل من 0.5 V.
- استخدم مقياس الرطوبة لقياس وتسجيل النسبة النسبية للرطوبة: امسك المقياس بذراع ممتدة بعيدا عن الجسم ، واتركه في الهواء لمده 3 دقائق تقريبا ، ثم خذ اللمبة الجافة لتقرا أولا متبوعه بقراءه اللمبة المبللة. العثور علي الفرق في قراءتين واستخدام الرسم البياني الرطوبة النسبية لتحديد الرطوبة النسبية
- استخدم مقياسا لقياس وتسجيل الضغط الجوي.
- احسب AOT عن طريق توصيل القيم المقاسه والثوابت إلى المعادلة 1 المعطية أعلاه.
3. تنظيم درجه الحرارة
ملاحظه: الكترونيات من أشعه الشمس الضوئية حساسة لدرجه الحرارة. للحصول علي الأداء الأمثل ، يوصي بالخطوات التالية.
- إذا كانت درجه الحرارة الخارجية أكثر من 5 درجات تحت درجه حرارة الغرفة ، احتفظ بمقياس الضوء الشمسي الملفوف في الرغوة الحرارية عندما لا يكون في الاستخدام.
- عند أخذ القياسات خلال أشهر الصيف الحارة ، والحفاظ علي مقياس الضوء الشمس في الظل عندما لا تكون في الاستخدام.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
مقياس الضوء الشمسي غلوب التدابير AOT في λ = 505 نانومتر و λ = 625 nm. الموقع AERONET في الموج CIS الموقع 6 يقيس AOT في 15 أطوال موجية مختلفه. للمقارنة لدينا ركزنا علي هذه الأطوال الموجية 4 من موقع AERONET: 667 nm ، 551 nm ، 532 nm و 490 nm. لاجراء مقارنه بين المحطتين ، ونحن استقراء AOT في 667 nm ، 551 nm ، 532 nm و 490 nm لموقع XULA. ويتم ذلك باستخدام معاملات انجستروم في موقع XULA. النسبة لأي موقع وأداه معينه ، فان τ السماكة البصرية ، وλ الطول الموجي ، ومعامل التعكر الجوي β ترتبط من خلال صيغه انجستروم التعكر
2
حيث α هو الأس انجستروم. α و β مستقله من الطول موجه في اي السماكة بصريه يكون قست. وهي معلمات تصف الغلاف الجوي الذي يجري قياسه. نظرا AOT في اثنين من أطوال موجية مختلفه (λ1 = 505 nm و λ2 = 625 nm ، لمقياس الضوء الشمس لدينا) ، ويقاس aot (τ1 و τ2) ، يتم حساب الأس انجستروم α لموقع xula من المعادلة ،
3
و AOT (τ3) في الطول الموجي الثالث ، λ3 يمكن استقراء لنفس الظروف xula الغلاف الجوي باستخدام المعادلة:
4
يمكن استبدال الτ1و λ1 بالτ 2 و λ2 في المعادلة 4 للحصول علي نفس القيمة لτ 3. يتم استخدام هذا الحساب لمقارنه القيم الτه التي تم الحصول عليها بواسطة أداتين تستخدم أطوال موجية مختلفه. ومن الناحية المثالية ، يجب استخدام الصكين في نفس المنطقة. في حالتنا لا بد من الاشاره إلى ان الصكين كانا ~ 96 كم بعيدا عن بعضها البعض.
الشكل 1: عينه من المتوسط اليومي لقيم AOT للقنوات الحمراء والخضراء المقيسة في XULA ، محسوبة باستخدام المعادلة 1. ويبين الشكل بيانات شهر تشرين الأول/أكتوبر فقط. يرجى النقر هنا لعرض نسخه أكبر من هذا الرقم.
ويبين الشكل 1 عينه من القيم اليومية العادية المتوسطة aot محسوبة باستخدام المعادلة 1. يظهر هذا الرقم بيانات AOT لكل من القناات الخضراء والحمراء لمقياس الضوء الشمسي غلوب لشهر أكتوبر.
الشكل 2: التغير الموسمي لل AOT. (ا) التغير في المتوسط الشهري لقيم aot المقيسة في xula خلال فتره الاثني عشر شهرا. وتقاس قيم AOT عند أطوال موجية 625 نانومتر و 505 نانومتر. وقد طبق تصحيح الأوزون علي هذه البيانات. تظهر أشرطه الخطا الانحراف المعياري للقياسات الخمسة الماخوذه لكل وقت قياس. تظهر الأسهم قمم AOT في فبراير ومايو. (ب) التغير الموسمي لل aot في موقع xula. صنفت فصول كان [ثولي]: شتاء (ديسمبر-كانون الأول, يناير-شباط, وفبراير-آذار), نابض (مارس-نيسان, ابريل-أيار), فصل صيف (يونيو-تموز, يوليو-أب) وسقوط (سبتمبر-أيلول, أكتوبر-تشرين الثاني). يرجى النقر هنا لعرض نسخه أكبر من هذا الرقم.
ويبين الشكل 2 الف اختلافا في متوسط المعدل الشهري لقياس القدرات المحسوبة في xula خلال فتره ال 12 شهرا. وطبق متوسط التصحيحات سمك الأوزون البصرية من-0.01 و-0.03 إلى القيم سمك البصرية 505 nm و 625 nm ، علي التوالي. وتبين البيانات ان AOT تقاس بالطول الموجي 505 نانومتر (الضوء الأخضر) انخفض بشكل مستمر من سبتمبر إلى يناير ومن ثم بلغ ذروته في فبراير شباط. و AOT تقاس في الطول الموجي 625 nm (الضوء الأحمر) يتبع اتجاها مماثلا ولكن وصلت إلى الحد الأدنى في ديسمبر كانون الأول وبدات في الصعود لشهر يناير وفبراير. AOT تقاس في 505 نانومتر هو في المتوسط اعلي من AOT تقاس في 625 nm. يظهر الشكل 2b متوسط قيم aot لكل موسم. وقد صنفت المواسم علي النحو التالي: الشتاء (كانون الأول/ديسمبر وكانون الثاني/يناير وشباط/فبراير) والربيع (آذار/مارس ونيسان/ابريل وأيار/مايو) والصيف (حزيران/يونية وتموز/يوليه وأب/أغسطس) ، والخريف (أيلول/سبتمبر وتشرين الأول/أكتوبر). كان الصيف اعلي متوسط AOT وكان الشتاء ادني متوسط AOT. قد تكون القيم العالية لل AOT خلال أشهر الصيف بسبب ارتفاع درجه حرارة سطح الأرض بسبب درجات الحرارة العالية في الهواء. الأرض الدافئة يزيد من معدل التبخر. القطرات وبلورات الثلج التي تشكل عندما يتجمد هذا بخار الماء أو يتكثف يزيد من الهباء الجوي في الجو. قد تكون القيم منخفضه من AOT في أشهر الشتاء بسبب المسح سحابه والمطر يغسل العمليات كما ترتبط أشهر الشتاء أيضا مع ارتفاع هطول الامطار.
الشكل 3: المقارنة بين XULA و AERONET. (ا) استقراء aot AT xula. تم استقراء هذه القيم AOT لمده 4 أطوال موجية (667 نانومتر ، 551 نانومتر ، 532 نانومتر و 490 نانومتر) باستخدام المعادلة 3. (ب) AERONET aot علي نفس الأطوال الموجية. يتم تصنيف بيانات AERONET المستخدمة هنا علي انها المستوي 2.0. الفحص السحابي وخوارزميات تصحيح الأوزون ويتم تطبيقها تلقائيا علي البيانات. وتستند أشرطه الخطا في لوحه b علي الحد الأدنى من عدم اليقين من وحدات AOT 0.02 للمستوي 2.0 AERONET البيانات25. تظهر الأسهم قمم AOT في فبراير ومايو لكلا (ا) و (ب). يرجى النقر هنا لعرض نسخه أكبر من هذا الرقم.
لاجراء مقارنه بين موقع XULA وموقع AERONET ، ونحن استقراء قيم AOT في موجات 667 nm ، 551 nm ، 532 nm و 490 nm لموقع XULA. وقد تم ذلك باستخدام المعادلة 3 أعلاه. يظهر الشكل 3a الاستقراء aot في xula لأطوال موجية 667 nm ، 551 nm ، 532 nm و 490 nm. يظهر الشكل 3b قياس AERONET aot في نفس الأطوال الموجية. وتظهر هذه البيانات اتفاقا نوعيا جيدا ، ولكن بالنظر إلى المسافة بين الموقعين ، لا يوجد مبرر لاجراء مقارنات كميه أكثر. علي الرغم من اننا لاحظنا قمم في فبراير ومايو ، كان متوسط AOT لأشهر الشتاء والربيع ادني. وهذا يوحي بان هذه القمم هي نتيجة لبعض الاحداث العشوائية. يمكن ان تكون هذه الاحداث اي شيء من الدخان من حرائق الغابات والانشطه الزراعية في الدول المجاورة إلى الهباء الجوي القادمة من جميع انحاء خليج المكسيك. فانه يتطلب القياسات لمواسم كثيره لتكون نهائيه حول سبب قمم AOT في مايو وفبراير.
الشكل 4: منحنيات تراجع خطيه لقيم AOT من اثنين من أجهزه قياس الضوء الشمسية المختلفة المحمولة في موقع XULA. الأرقام التسلسلية RG-989 و RG-9990. (ا) 625 نانومتر و (ب) 505 نانومتر. يرجى النقر هنا لعرض نسخه أكبر من هذا الرقم.
تحققنا من موثوقيه الاشعه الشمسية غلوب من خلال مقارنه اثنين من الاداات معايره بشكل مستقل ضد بعضها البعض. ويبين الشكل 4 بيانات aot من مقياس الضوء الشمسي غلوب مع الرقم التسلسلي RG8-989 واخر مع الرقم التسلسلي RG8-990. ويبين الشكل ان الاتفاق بين الاشعه الشمسية اثنين اقوي للقناه 505 nm من قناه 625 nm. وكانت قيمه الجذر التربيعي للقناه 505 نانومتر (الخضراء) 95.3% وكان منحدر خط الانحدار الخطي بين مقياسي الضوء الشمس 0.89. ل ال 625 [نم] (حمراء) قناه, [ر-تربيع] كان 91.6% والانحدار خطيه انحدار خط كان 0.82. الاتفاق علي القناة الحمراء هو اقل بسبب اثار التدفئة علي الصمام الأحمر. الصمام الأحمر هو أكثر حساسية لدرجه الحرارة من الصمام الأخضر. وتتحسن الموافقة علي كلتا القناتين عندما يتحكم جامعي البيانات في تعرض الاداه لأشعه الشمس المباشرة بين القياسات.
الشكل 5: التغير الثنائي في القيمة المتوسطة لكل ساعة من قيم AOT محسوبة علي مدي فتره 12 شهرا. الوقت المعروض علي الرسم البياني هو التوقيت المحلي. يرجى النقر هنا لعرض نسخه أكبر من هذا الرقم.
ويبين الشكل 5 التغير في الساعة في المتوسط علي مدي فتره الاثني عشر شهرا. وكانت كل نقطه بيانات متوسط 194 قياسا. كان التغير يوميه بين 0.265 في الصباح و 0.06 في المساء ل ال 505 [نم] قناه, اي يماثل إلى حوالي 77% تباين. تظهر البيانات ذروه في 9:00 صباحا من 0.265 وذروه أخرى في 3:00 م من 0.182 لقناه 505 nm. وأظهرت قناه 625 nm قمم مماثله. علي الرغم من ان هذه الأوقات تزامنت مع ساعات ذروه المرور في نيو اورليانز ، هناك حاجه إلى مزيد من التحقيقات لتحديد ما إذا كانت القمم هي فقط بسبب انبعاثات المركبات.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
الخطوة الاولي في هذا البروتوكول هي تحديد موقع الدراسة. ويتم ذلك باستخدام نظام تحديد المواقع للعثور علي خط الطول وخط العرض لموقع الدراسة. تعتبر قيم خطوط الطول والعرض حاسمه في حساب AOT باستخدام المعادلة 1. اثناء قياس, هو حاسمه ان الشمس [فوتوميتر] أشرت مباشره وبقوة في الشمس. الثقب الصغير في الشريحة العلوية من مقياس الضوء الشمسي المحمول يقلل من كميه الاضاءه المتناثرة التي تصل إلى كاشفات LED في المقياس الضوئي للشمس. المعادلة 1 هو تقريب يفترض ان اي ضوء متناثر يمر من خلال ثقب في القوس العلوي. إذا تم محاذاة مقياس الضوء الشمسي بشكل صحيح ، فان الخطا الذي ادخله هذا الافتراض لا يكاد يذكر مقارنه بمصادر الخطا الأخرى في القياس22،23،24. المصابيح الضوئية في مقياس الضوء الشمسي حساسة لدرجات الحرارة القصوى. خلال أشهر الصيف الحارة ، يجب إبقاء مقياس الضوء الشمسي في الظل عندما لا يكون قيد الاستخدام. خلال أشهر الشتاء الباردة ، يجب ان تكون ملفوفه الضوئية الشمس في القماش الحراري واقيه بين القياسات. في بيئات بارده للغاية ، يجب استخدام الحماية الحرارية في جميع انحاء القياسات. عند التشغيل بشكل طبيعي ، يجب قراءه مقياس الضوء الشمسي عدد قليل من ميليفولت في الظلام وبين 1.0 V و 3.0 V عندما أشار مباشره في الشمس. القياسات مع مقياس الضوء الشمسي يمكن الاعتماد عليها عندما تكون الشمس واضحة من اي غيوم. ارتداء النظارات الشمسية مع صبغه اوبورن سوف تساعد علي الكشف عن الغيوم الخافتة التي هي غير مرئية للعين العنق25،26.
يجب تصحيح AOT محسوبة من المعادلة 1 لمساهمه الأوزون إلى AOT. ويتم ذلك عن طريق طرح ~ 0.01 و ~ 0.03 من قيم AOT محسوبة للقنوات الخضراء والحمراء علي التوالي22. عندما يتم اتباع هذه البروتوكولات بعناية ، يجب ان تكون دقه ~ 0.02 وحدات AOT. هذا المستوي من الدقة يسمح لنا بتجاهل اي مساهمات إلى AOT بسبب امتصاص بخار الماء. البروتوكولات الواردة أعلاه بسيطه ويمكن ان يتبعها الطلاب من المدرسة المتوسطة إلى المستوي الجامعي. الصمام الضوئي الشمس المحمولة يستخدم المصابيح التي هي غير مكلفه ويتم الحصول عليها بسهوله من المحلات التجارية الكترونيه. الاداه نفسها قويه ولا تحتاج إلى رعاية خاصه.
في الوقت الحاضر هناك أكثر من 400 محطه رصد AERONET في جميع انحاء العالم ، ولكن حتى هذه ليست كافيه لتغطيه الكوكب كله. يمكن استخدام أجهزه قياس أشعه الشمس المحمولة باستخدام البروتوكولات الموصوفة هنا لسد الفجوات التي تركتها AERONET. ويمكن تنظيم آلاف المدارس في جميع انحاء العالم لتشكيل شبكه من محطات الرصد الارضيه التي هي أقرب بكثير إلى بعضها البعض من محطات ايرونيت27،28. ويمكن أيضا استخدام مقياس الضوء الشمسي المحمول بالبروتوكولات المعطية للتحقق من صحة منصات رصد الهباء الفضائي الحالية والمستقبلية.
واحده من القيود المفروضة علي البروتوكولات المعطية هنا هو ان يتم المحاذاة مع الشمس يدويا ، والتي هي عرضه للأخطاء البشرية. هناك أيضا القيود الناجمة عن تصميم الصمام الضوئية الشمسية التي تستند إلى LED. عرض النطاق الترددي (FWHM) للكشف عن الصمام هو ~ 75 nm التي يمكن ان تسبب أخطاء في القياس. ويتمثل التحدي الآخر الذي تواجهه البروتوكولات المعينة في تنظيم افرقه طلابية بحيث يتم جمع البيانات بصوره مستمرة وبانتظام. ويمكن تحفيز الطلاب لجمع البيانات عن طريق منحهم بعض الائتمان نحو الصف النهائي.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
ولا يعلن أصحاب البلاغ عن اي تضارب في المصالح.
Acknowledgments
وقد حظي هذا العمل بالدعم المالي من منحه وزاره الدفاع ارو #W911NF-15-1-0510 وجائزه المؤسسة الوطنية للعلوم في اطار المنحة رقم 1411209. ونعرب عن خالص امتناننا لقسم الفيزياء وعلوم الحاسوب وشعبه التعليم في جامعه كزافييه في لويزيانا.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| A Calibrated GLOBE handheld sun photometer | IESRE, USA (GLOBE sun photometer) and TERNUM, UK (Calitoo sun photometer | The GLOBE sun photometer measures AOT at 505 nm and 625nm. | |
| Barometer | Forestry suppliers, USA, Cat# 43316 | 43316 | The aneroid barometer must have a clear scale with a pressure range between 940 and 1,060 millibars. |
| GLOBE cloud chart | Forestry Suppliers, USA Cat#33485 | 33485 | A free cloud identification chart is obtained from www.globe.gov. |
| Hygrometer | Forestry suppliers, USA, Cat# 76254 | 76245 | Any digital hygrometer which measures relative humidity in the range of 20-95% with an accuracy of 5% is acceptable. |
| Labquest2 GPS | Vernier, USA, Cat LABQ2 | LABQ2 | Vernier LabQuest 2 is a standalone interface used to collect sensor data with its built-in graphing and analysis application. GPS is one of its built-in sensors |
| Taylor Orchid Thermometer | Forestry Suppliers, USA Cat# 89129 | 89129 | |
| Watch | Forestry suppliers, USA, Cat# 39137 | 39137 | The watch must be digital and capable of measuring time up to seconds. |
References
- 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).
- Toledano, C., et al. Overview of sun photometer measurements of aerosol properties in Scandinavia and Svalbard. Atmospheric Environment. 52, 182-188 (2012).
- Aerosol Protocol - GLOBE.gov. , Available from: https://www.globe.gov/documents/348614/e9acbb7a-5e1f-444a-bdd3-acff62b50759 (2019).
- 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).
- Gong, W., Zhang, S., Ma, Y. Aerosol Optical Properties and Determination of Aerosol Size Distribution in Wuhan, China. Atmosphere. 5, 81-91 (2014).
- Cisek, M., et al. Aerosol Optical Depth variations due to local breeze circulation in Kongsfjorden, Spitsbergen. Oceanologia. 59, 422-430 (2017).
- Charlson, R. J., et al. Climate forcing by anthropogenic aerosols. Science. 255, 423-430 (1992).
- Kohil, E. E., et al. A study of atmospheric aerosol optical properties over Alexandria city. Egypt Journal of Physics Conference. 810, 012033 (2017).
- 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).
- 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).
- 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).
- Mims, F. M. III An international haze-monitoring network for students. Bulletin of the American. Meteorological Society. 80, 1421-1431 (1999).
- Mielonen, T., et al. Temperature-dependence of aerosol optical depth over the southeastern US. Atmospheric Chemistry and Physics Discussion. , (2016).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Schmid, B., Wehrli, C. Comparison of Sun photometer calibration by use of the Langley technique and the standard lamp. Applied Optics. 34, 45014512 (1995).
- 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).
- 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).
- Bucholtz, A. Rayleigh-scattering calculations for the terrestrial atmosphere. Applied Optics. 34, 2765-2773 (1995).
- Brooks, D. R. Monitoring Solar Radiation and Its Transmission through the Atmosphere. The GLOBE Program's Aerosols, Water Vapor, and UVA Monitoring Projects. , (2006).
- 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).
- Toledo, F., et al. AOT retrieval procedure for distributed measurements with low-cost Sun photometers. Journal of Geophysical Research Atmospheres. 123, 1113-1131 (2017).
- 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).
- 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).
- Bovchaliuk, V., et al. Aerosol Microtops II sunphotometer observations over Ukraine. Advances in Astronomy and Space Physics. 3, 46-52 (2013).
- 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).
- 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).
- Porter, J. N., et al. Handheld Sun Photometer Measurements from Light Aircraft. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology. 24, 1588-1597 (2007).
