Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Environment
Click here for the English version

Environment

Mesure des aérosols épaisseur optique de l’atmosphère à l’aide du photomètre solaire de poche GLOBE

Published: May 29, 2019 doi: 10.3791/59257
Automatic Translation
1, 1
1Department of Physics, Xavier University of Louisiana

Summary

L’objectif des méthodes présentées ici est de mesurer l’épaisseur optique de l’aérosol de l’atmosphère. Le photomètre solaire est pointé au soleil et la plus grande lecture de tension obtenue sur un voltmètre numérique intégré est enregistrée. Des mesures atmosphériques telles que la pression barométrique et l’humidité relative sont également effectuées.

Abstract

Ici, nous décrivons la mesure de l’épaisseur optique des aérosols à l’aide du photomètre solaire de poche GLOBE. L’épaisseur optique des aérosols (AOT) a été mesurée à l’Université Xavier de Louisiane (XULA, 29,96 ° N, 90,11 ° o et 3 m au-dessus du niveau de la mer). Les mesures ont été faites à deux longueurs d’onde différentes, 505 nm et 625 nm. Les mesures AOT ont été effectuées 6 fois par jour (7 heures, 9 heures, 11 heures, midi solaire, 15 heures et 17 heures). Les données présentées dans cet article sont les valeurs mensuelles moyennes d’AOT prises à midi solaire. Pendant chaque temps de mesure; au moins cinq valeurs de la tension du soleil v et de la tension foncée vDark sont prises pour chaque canal. La moyenne pour ces cinq mesures est prise comme moyen pour ce temps de mesure. D’autres données météorologiques telles que la température, la pression superficielle, les précipitations et l’humidité relative sont également mesurées en même temps. L’ensemble du protocole est complété dans un laps de temps de 10 à 15 min. Les valeurs mesurées d’AOT à 505 nm et 625 nm sont ensuite utilisées pour extrapoler les valeurs d’AOT pour les longueurs d’onde 667 nm, 551 nm, 532 nm et 490 nm. Les valeurs mesurées et extrapolées de l’AOT ont ensuite été comparées aux valeurs de la station AERONET la plus proche au site 6 de Wave CIS (AERONET, 28,87 ° N, 90,48 ° o et 33 m au-dessus du niveau de la mer), soit environ 96 km au sud de XULA. Dans cette étude, nous avons suivi les variations annuelles et quotidiennes de l’AOT pour une période de 12 mois allant du 2017 septembre au 2018 août. Nous avons également comparé les données AOT de deux photomètres solaires de poche GLOBE étalonnés indépendamment sur le site XULA. Les données montrent que les deux instruments sont en excellent accord.

Introduction

Les aérosols atmosphériques sont des particules solides et liquides de minute (allant de la taille de submicroniques à millimètre) suspendues dans l’air. Certains aérosols sont produits par l’activité humaine et d’autres sont produits par les processus naturels1,2,3,4. Les aérosols dans l’atmosphère réduisent la quantité d’énergie solaire atteignant la surface de la terre en diffusant ou en absorbant la lumière et le rayonnement thermique du soleil. La quantité d’aérosol dans l’atmosphère varie significativement avec l’emplacement et le temps. Il y a des changements saisonniers et annuels, ainsi que des changements épisodiques dus à des événements tels que de grandes tempêtes de poussière, des incendies sauvages ou des éruptions volcaniques5,6,7,8.

L’impact des aérosols sur le climat et sur la santé publique figurent parmi les sujets dominants de la recherche environnementale actuelle. Les aérosols affectent le temps en diffusant ou en absorbant la lumière et le rayonnement thermique du soleil et en agissant comme noyaux de condensation dans la formation de nuages. Les aérosols jouent également un rôle dans la dispersion des agents pathogènes dans l’air et ils peuvent causer ou améliorer les maladies respiratoires et cardiovasculaires. L’épaisseur optique des aérosols (AOT) est une mesure de la quantité de lumière du soleil qui est absorbée ou dispersée par ces aérosols. Il existe plusieurs méthodes fondées sur le sol pour la surveillance de l’AOT9,10,11. Le plus grand système de surveillance AOT basé sur le sol est le projet AERONET (réseau robotisé en aérosol). AERONET est un réseau de plus de 400 stations de surveillance réparties dans le monde12,13. Malgré ce grand nombre de stations de surveillance, il y a encore de grandes lacunes dans le monde entier qui ne sont pas surveillées pour l’AOT. À titre d’exemple, la station AERONET la plus proche de notre site d’étude est à environ 90 km. Cet article décrit l’utilisation d’un photomètre portatif de poche de soleil qui peut être utilisé pour combler les écarts entre les stations de surveillance AERONET. Le photomètre portatif de poche de soleil est un instrument idéal pour l’utilisation par les étudiants du monde entier dans un réseau mondial de surveillance des aérosols14,15. Le programme mondial d’apprentissage et d’observations au profit de l’environnement (Globe) fournit une plate-forme pour un tel réseau, à travers des milliers d’écoles dans tous les 50 États des États-Unis et dans près de 120 autres pays16,17 . L’idée principale du programme GLOBE est d’utiliser des étudiants partout dans le monde pour fournir des mesures scientifiquement précieuses des paramètres environnementaux en utilisant un équipement peu coûteux. Avec des conseils appropriés, les étudiants et autres non-spécialistes peuvent former des réseaux de photomètres solaires portatifs pour combler les écarts entre les stations de surveillance AERONET. Le plus grand avantage du photomètre portatif de soleil est qu’il peut être pris à même les parties les plus éloignées du monde. Les mesures d’AOT avec d’autres instruments petits et transportables ont été utilisées avec succès dans le passé pour mener des études de recherche dans des zones éloignées et difficiles d’accès17,18

L’objectif principal de cette étude est d’utiliser les photomètres solaires de poche GLOBE pour suivre la variation annuelle, quotidienne et horaire de l’AOT sur notre site d’étude XULA et comparer avec les mesures d’une station AERONET voisine. Ce document présente des données pour une période de 12 mois allant du 2017 septembre au 2018 août. C’est le tout premier AOT enregistré pour le site XULA. Le photomètre solaire GLOBE mesure l’AOT à deux longueurs d’onde, 505 nm et 625 nm. Le site AERONET du site Wave CIS 6 mesure l’AOT à 15 longueurs d’onde différentes. Pour notre comparaison, nous nous sommes concentrés sur ces 4 longueurs d’onde, 667 nm, 551 nm, 532 nm et 490 nm. Nous avons choisi ces derniers parce qu’ils sont les 4 longueurs d’onde AERONET les plus proches des longueurs d’onde du photomètre GLOBE soleil. Pour effectuer la comparaison, nous avons extrapolé les valeurs AOT à ces longueurs d’onde pour le site XULA.

Les mesures de l’AOT sont effectuées chaque jour lorsque les conditions météorologiques le permettent. Les mesures effectuées lorsqu’il y a des nuages de Cirrus à proximité du soleil sont exclues dans l’analyse. Le tableau 1 montre le nombre de jours de chaque mois où nous avions un ciel complètement dégagé. Au total, environ 47% des données recueillies ont été exclues.

mois Sept Oct Nov Dec Jan Fév gâter taux annuel pouvoir Juin Juil Août
Nombre de jours 18 20 16 15 15 15 16 15 18 15 15 16

Tableau 1: les mesures AOT ont été effectuées 6 fois par jour (7:00 AM, 9h, 11h, midi solaire, 3 AM et 5 am). Les données affichées sur les parcelles sont les valeurs moyennes mensuelles d’AOT prises à midi solaire. Pendant chaque temps de mesure; au moins cinq valeurs de la tension du soleil v et de la tension foncée vDark sont prises pour chaque canal. La moyenne pour ces cinq mesures est prise comme moyen pour ce temps de mesure. L’erreur dans ces mesures est calculée comme les écarts types de ces cinq mesures. Les valeurs d’AOT sont obtenues en utilisant l’équation ci-dessous16:

Equation 1

V0 est la constante d’étalonnage du photomètre solaire, R est la distance Terre-Soleil dans les unités astronomiques, vDark est la tension sombre enregistrée lorsque la lumière est bloquée de passer par le trou sur le support supérieur de la photomètre solaire, V est la tension du soleil enregistrée à partir du photomètre solaire lorsque la lumière traverse le trou sur le support supérieur, unR représente l’atténuation de la lumière due à la diffusion de Rayleigh, p et p0 sont la pression atmosphérique mesurée et standard, respectivement, et m est la masse d’air relative. La masse d’air relative est calculée à partir des données fournies par l’administration nationale océanique et atmosphérique (NOAA). D’autres données météorologiques telles que la température, les précipitations et l’humidité relative sont également mesurées en même temps. L’équation 1 comme indiqué ci-dessus comprend les apports d’épaisseur optique de l’ozone. L’effet de l’ozone sur les valeurs d’AOT est calculé sur la base des valeurs tabulées du coefficient d’absorption de l’ozone et des hypothèses sur la quantité d’ozone dans l’atmosphère19. Bucholtz20,21 a produit des valeurs tabulées d' unR basé sur des atmosphères standard. Pour le canal 505 nm aR ≈ 0,13813 et pour le canal 625 nm il est ~ 0,05793.

Les données présentées ici représentent un exemple de la façon dont les équipes d’étudiants peuvent être organisées pour prendre des mesures AOT longues et soutenues. Dans cette étude, deux équipes étudiantes ont utilisé deux photomètres solaires de poche GLOBE étalonnés indépendamment pour suivre la variation annuelle, quotidienne et horaire de l’épaisseur optique de l’aérosol de l’atmosphère à notre site d’étude XULA. Les deux photomètres Globe Sun utilisés dans cette enquête ont été achetés auprès de l’IESRE (Institut de recherche et d’éducation en sciences de la terre; l’un avait le numéro de série RG8-989 et l’autre avait le numéro de série RG8-990). Avant de combiner les données des deux instruments, une analyse de régression a été effectuée afin de vérifier l’accord

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. fonctionnement du photomètre

Remarque: Ces protocoles sont mieux faits par deux personnes travaillant ensemble. Une personne retient et aligne le photomètre solaire pendant que la deuxième personne enregistre les mesures.

  1. Mesurez la longitude et la latitude du site à l’aide du GPS. Sur le site, la première étape consiste à activer le GPS en choisissant le réglage du capteur dans le menu du capteur et en sélectionnant GPS. Une fois que le GPS a acquis suffisamment de satellites, les valeurs de latitude et de longitude s’affichent. Une fois les valeurs affichées, appuyez sur collecter les données, puis appuyez sur Enregistrer.
  2. Assurez-vous que le photomètre solaire fonctionne bien. Un photomètre solaire correctement calibré devrait produire une tension stable de ~ 0,03 V à l’intérieur et jusqu’à 5 V lorsque la lumière est dirigée sur le détecteur. Le voltmètre sur le photomètre Globe Sun est construit sur le photomètre solaire
  3. Enregistrer la température de l’air. En cas d’utilisation d’alcool dans un thermomètre en verre, donner le thermomètre 3 – 5 min pour s’ajuster à la température extérieure avant d’enregistrer la lecture stable. Si vous utilisez le thermomètre intégré du photomètre solaire, tournez le sélecteur rotatif sur T et enregistrez la lecture de tension sur le voltmètre. La lecture de tension multipliée par le 100 donnera la température de l’air en degrés Celsius à ce moment-là.
  4. Réglez le sélecteur rotatif sur le canal vert du photomètre solaire.
  5. Demandez à une personne d’aligner le photomètre solaire de sorte que la lumière passant par le trou sur le support supérieur produise un spot solaire centré sur le point de couleur sur le support inférieur. Pour de meilleurs résultats, utilisez une table et une chaise. La personne qui aligne le photomètre solaire doit s’asseoir sur la chaise et reposer ses bras sur la table afin d’obtenir une lecture régulière.
  6. Demandez à la deuxième personne d’enregistrer la lecture sur le voltmètre. Assurez-vous que le spot solaire est stable sur le point avant de prendre une lecture. Si la lecture de la tension est fluctuante, il suffit d’enregistrer la valeur maximale indiquée.
  7. Enregistrez l’heure à laquelle la lecture a été prise. Le temps doit être enregistré au 30 s le plus proche. Une montre numérique sert ce but mieux qu’un analogue.
  8. Obtenir la tension sombre. Demandez à la personne assise de garder le photomètre du soleil aligné sur le soleil d’une main, puis couvrez le trou sur le support supérieur avec un doigt de l’autre main. La deuxième personne enregistrera la lecture de la tension.
  9. Réglez le sélecteur rotatif sur le canal rouge et répétez les étapes 1.4 à 1.7.
  10. Répétez les étapes 1.4 – 1.8 quatre fois pour obtenir cinq lectures de tensions pour le canal vert et cinq lectures de tension pour le canal rouge
  11. Mesurez à nouveau la température de l’air comme à l’étape 1,2.

2. collecte des métadonnées

  1. Utilisez la carte Cloud globe pour observer et enregistrer les nuages près du soleil. Cela se fait en regardant dans le ciel et en vérifiant les caractéristiques observées de la carte nuage GLOBE (https://www.globe.gov/documents/348614/24331082/GLOBE+Cloud+Chart.). Les nuages de Cirrus visibles sont faciles à observer en raison de leurs brins minces et légers caractéristiques. Des nuages de Cirrus invisibles sont déduits si la lecture de la tension du soleil sur un jour apparemment clair est inférieure à 0,5 V.
    1. Utiliser un hygromètre pour mesurer et enregistrer l’humidité relative: Tenez l’hygromètre avec un bras prolongé loin du corps, laissez-le dans l’air pendant environ 3 minutes, puis prenez la lecture de l’ampoule sèche d’abord suivie de la lecture de l’ampoule humide. Trouvez la différence dans les deux lectures et utilisez le tableau d’humidité relative pour établir l’humidité relative
    2. Utilisez un baromètre pour mesurer et enregistrer la pression atmosphérique.
  2. Calculez AOT en branchant les valeurs mesurées et les constantes dans l’équation 1 donnée ci-dessus.

3. régulation de la température

Remarque: L’électronique du photomètre solaire est sensible à la température. Pour des performances optimales, les étapes suivantes sont recommandées.

  1. Si la température extérieure est supérieure à 5 degrés en dessous de la température ambiante, conservez le photomètre solaire enveloppé dans de la mousse thermique lorsqu’il n’est pas utilisé.
  2. Lorsque vous prenez des mesures pendant les mois chauds d’été, gardez le photomètre solaire à l’ombre lorsqu’il n’est pas utilisé.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Le photomètre solaire GLOBE mesure l’AOT à λ = 505 nm et λ = 625 nm. Le site AERONET du site Wave CIS 6 mesure l’AOT à 15 longueurs d’onde différentes. Pour notre comparaison, nous nous sommes concentrés sur ces 4 longueurs d’onde du site AERONET: 667 nm, 551 nm, 532 nm et 490 nm. Pour faire une comparaison entre les deux stations, nous avons extrapolé AOT à 667 nm, 551 nm, 532 nm et 490 nm pour le site XULA. Ceci est fait en utilisant les coefficients Angstrom du site XULA. Pour un site et un instrument donnés, l’épaisseur optique τ, la longueur d’onde λ et le coefficient de turbidité atmosphérique β sont reliés par la formule de turbidité d’Angstrom

Equation 22

Où α est l’exposant de l’Angstrom. α et β sont indépendants de la longueur d’onde à laquelle l’épaisseur optique est mesurée. Ce sont des paramètres qui décrivent l’atmosphère mesurée. Étant donné l’AOT à deux longueurs d’onde différentes (λ1 = 505 nm et λ2 = 625 nm, pour notre photomètre solaire), et l’AOT mesuré (τ1 et τ2), l’exposant Angstrom α pour le site xula est calculé à partir l’équation,

Equation 33

L’AOT (τ3) à une troisième longueur d’onde, λ3 peut être extrapolé pour les mêmes conditions atmosphériques xula à l’aide de l’équation:

Equation 44

τ1et λ1 peuvent être remplacés par τ2 et λ2 dans l’équation 4 pour obtenir la même valeur pour τ3. Ce calcul est utilisé pour comparer les valeurs τ obtenues par deux instruments qui utilisent des longueurs d’onde différentes. Idéalement, les deux instruments doivent être utilisés dans la même localité. Dans notre cas, il faut noter que les deux instruments étaient à ~ 96 km d’intervalle.

Figure 1
Figure 1: un échantillon des valeurs journalières moyennes de l’AOT pour les canaux rouge et vert mesurés à XULA, calculée à l’aide de l’équation 1. La figure montre les données pour le mois d’octobre seulement. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

La figure 1 montre un échantillon des valeurs moyennes quotidiennes typiques de l’AOT calculées à l’aide de l’équation 1. Cette figure montre les données AOT pour les canaux vert et rouge du photomètre GLOBE Sun pour le mois d’octobre.

Figure 2
Figure 2: variation saisonnière de l’AOT. a) Variation des valeurs moyennes mensuelles des AOT mesurées à xula au cours de la période de 12 mois. Les valeurs d’AOT ont été mesurées aux longueurs d’onde 625 nm et 505 nm. La correction de l’ozone a été appliquée à ces données. Les barres d’erreur indiquent l’écart type des cinq mesures prises pour chaque temps de mesure. Les flèches montrent les pics AOT en février et en mai. b) variation saisonnière de l’AOT sur le site de xula. Les saisons ont été classées en catégories: l’hiver (DEC, Jan et Feb), le printemps (mars, avril, mai), l’été (juin, juillet, août) et l’automne (sept, Oct, Nov). S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

La figure 2a montre la variation de l’AOT mensuel moyen mesuré à xula au cours de la période de 12 mois. Les corrections d’épaisseur moyenne de l’ozone de-0,01 et-0,03 ont été appliquées aux valeurs d’épaisseur optique 505 nm et 625 nm, respectivement. Les données montrent que l’AOT mesuré à la longueur d’onde 505 nm (lumière verte) a chuté continuellement de septembre à janvier, puis a atteint un sommet en février. L’AOT mesuré à la longueur d’onde 625 nm (lumière rouge) a suivi une tendance similaire mais a atteint un minimum en décembre et a commencé à monter pour janvier et février. L’AOT mesuré à 505 nm est en moyenne plus élevé que l’AOT mesuré à 625 nm. La figure 2b montre les valeurs moyennes d’AOT par saison. Les saisons ont été classées comme suit: l’hiver (décembre, janvier et février), le printemps (mars, avril et mai), l’été (juin, juillet et août), et l’automne (septembre, octobre et novembre). L’été a eu l’AOT moyen le plus élevé et l’hiver a eu la plus faible moyenne AOT. Des valeurs élevées d’AOT pendant les mois d’été peuvent être dues au réchauffement de la surface de la terre en raison des températures élevées de l’air. La terre chaude augmente le taux d’évaporation. Les gouttes et les cristaux de glace qui se forment lorsque cette vapeur d’eau gèle ou se condense augmente les aérosols dans l’atmosphère. Les faibles valeurs d’AOT dans les mois d’hiver peuvent être dues à des processus de nettoyage de nuages et de lavage de pluie, car les mois d’hiver sont également associés à des précipitations élevées.

Figure 3
Figure 3: comparaison entre XULA et AERONET. a) AOT extrapolé à xula. Ces valeurs AOT ont été extrapolées pour 4 longueurs d’onde (667 nm, 551 nm, 532 nm et 490 nm) à l’aide de l’équation 3. bAERONET AOT aux mêmes longueurs d’onde. Les données AERONET utilisées ici sont classées au niveau 2,0. Filtrage des nuages et algorithmes de correction de l’ozone et appliqués automatiquement aux données. Les barres d’erreur dans le panneau b sont basées sur l’incertitude minimale de 0,02 unités AOT pour le niveau 2,0 données AERONET25. Les flèches montrent les pics AOT en février et en mai pour les deux (a) et (b). S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Pour faire une comparaison entre le site XULA et le site AERONET, nous avons extrapolé les valeurs AOT à des longueurs d’onde 667 nm, 551 nm, 532 nm et 490 nm pour le site XULA. Cela a été fait en utilisant l’équation 3 ci-dessus. La figure 3A montre l’AOT extrapolé à xula pour les longueurs d’onde 667 nm, 551 nm, 532 nm et 490 nm. La figure 3b montre l’AOT de AERONET mesuré aux mêmes longueurs d’onde. Ces données montrent un bon accord qualitatif, mais, compte tenu de la distance entre les deux sites, il n’y a aucune justification pour des comparaisons plus quantitatives. Même si nous avons observé des pics en février et en mai, l’AOT moyen pour les mois d’hiver et de printemps était le plus bas. Cela suggère que ces pics sont dus à des événements aléatoires. Ces événements pourraient être quelque chose de la fumée des incendies de forêt et des activités agricoles dans les États voisins à des aérosols provenant de partout dans le golfe du Mexique. Il faut des mesures pour de nombreuses saisons pour être définitif sur la cause des pics AOT en mai et février.

Figure 4
Figure 4: courbes de régressions linéaires pour les valeurs AOT de deux photomètres solaires portatifs différents sur le site XULA. Numéros de série RG-989 et RG-9990. (a) 625 nm et (b) 505 nm. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Nous avons vérifié la fiabilité des photomètres GLOBE Sun en comparant deux instruments étalonnés indépendamment les uns des autres. La figure 4 montre les données AOT du photomètre soleil globe avec le numéro de série RG8-989 et un autre avec le numéro de série RG8-990. La figure montre que l’accord entre les deux photomètres solaires est plus fort pour le canal de 505 nm que le canal de 625 nm. La valeur R-squared pour le canal 505 nm (vert) était de 95,3% et la pente de la ligne de régression linéaire entre les deux photomètres solaires était de 0,89. Pour le canal 625 nm (rouge), le R-squared était de 91,6% et la ligne de régression linéaire de pente était de 0,82. L’accord sur le canal rouge est plus faible en raison des effets du chauffage sur la LED rouge. La LED rouge est plus sensible à la température que la LED verte. L’accord pour les deux canaux est amélioré lorsque les collecteurs de données contrôlent l’exposition de l’instrument à la lumière directe du soleil entre les mesures.

Figure 5
Figure 5: variabilité diurne des valeurs moyennes horaires de l’AOT calculée sur la période de 12 mois. L’heure indiquée sur le graphique est l’heure locale. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

La figure 5 montre la variation horaire de l’AOT en moyenne sur la période de 12 mois. Chaque point de données était une moyenne de 194 mesures. La variation quotidienne était entre 0,265 le matin et 0,06 le soir pour le canal 505 nm, ce qui correspond à environ 77% de variation. Les données montrent un pic à 9:00 AM de 0,265 et un autre pic à 3:00 PM de 0,182 pour le canal 505 nm. Le canal de 625 nm a montré des pics similaires. Même si ces temps coïncidaient avec les heures de pointe du trafic à la Nouvelle-Orléans, plus d’investigations sont nécessaires pour établir si les pics sont uniquement dus aux émissions des véhicules.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

La première étape de ce protocole est de définir le site d’étude. Ceci est fait en utilisant un GPS pour trouver la longitude et la latitude du site d’étude. Les valeurs de longitude et de latitude sont cruciales dans le calcul de l’AOT à l’aide de l’équation 1. Pendant la mesure, il est crucial que le photomètre solaire soit pointé directement et fermement au soleil. Le petit trou sur le support supérieur du photomètre portatif de soleil réduit la quantité de lumière dispersée atteignant les détecteurs de LED dans le photomètre de soleil. L’équation 1 est une approximation qui suppose qu’aucune lumière dispersée ne traverse le trou au niveau du support supérieur. Si le photomètre solaire est aligné correctement, l’erreur introduite par cette hypothèse est négligeable par rapport à d’autres sources d’erreur dans les mesures22,23,24. Les LEDs du photomètre solaire sont sensibles aux températures extrêmes. Pendant les mois chauds d’été, le photomètre solaire doit être conservé à l’ombre lorsqu’il n’est pas utilisé. Pendant les mois d’hiver froids, le photomètre solaire doit être enveloppé dans un chiffon thermique protecteur entre les mesures. Dans des environnements extrêmement froids, la protection thermique doit être utilisée tout au long des mesures. En cas de fonctionnement normal, le photomètre solaire doit lire quelques millivolts dans l’obscurité et entre 1,0 V et 3,0 V lorsqu’il est directement pointé au soleil. Les mesures avec le photomètre solaire sont fiables lorsque le soleil est dégagé de tous les nuages. Porter des lunettes de soleil avec une teinte Auburn aidera à détecter les nuages faibles qui sont autrement invisibles à l’œil à nuque25,26.

L’AOT calculé à partir de l’équation 1 doit être corrigé pour la contribution de l’ozone à l’AOT. Cela se fait en soustrayant ~ 0,01 et ~ 0,03 des valeurs AOT calculées respectivement pour les canaux vert et rouge22. Lorsque ces protocoles sont soigneusement suivis, la précision doit être ~ 0,02 unités AOT. Ce niveau de précision nous permet d’ignorer toute contribution à l’AOT en raison de l’absorption de la vapeur d’eau. Les protocoles donnés ci-dessus sont simples et peuvent être suivis par les étudiants de l’école secondaire au niveau collégial. Le photomètre solaire portatif utilise des LED qui sont peu coûteuses et sont facilement obtenues à partir de magasins électroniques. L’instrument lui-même est robuste et n’a pas besoin de soins spéciaux.

À l’heure actuelle, il ya plus de 400 stations de surveillance AERONET dans le monde entier, mais même ceux-ci ne sont pas suffisants pour couvrir toute la planète. Les photomètres solaires portatifs, en utilisant les protocoles décrits ici, peuvent être utilisés pour combler les lacunes laissées par AERONET. Les milliers d’écoles du monde entier peuvent être organisées pour former un réseau de stations de surveillance terrestres qui sont beaucoup plus proches les unes des autres que les stations AERONET27,28. Le photomètre solaire portatif avec les protocoles donnés peut également être utilisé pour valider les plateformes actuelles et futures de surveillance des aérosols basés sur l’espace.

L’une des limitations des protocoles donnés ici est que l’alignement avec le soleil se fait manuellement, ce qui est sensible aux erreurs humaines. Il y a aussi des limitations apportées par la conception du photomètre portatif à base de LED. La largeur de bande (FWHM) pour les détecteurs LED est ~ 75 nm qui pourrait causer des erreurs dans la mesure. L’autre défi avec les protocoles donnés est d’organiser les équipes étudiantes afin que les données soient collectées de manière continue et régulière. Les étudiants peuvent être motivés à collecter des données en leur donnant un certain crédit pour leur note finale.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Les auteurs ne déclarent aucun conflit d’intérêts.

Acknowledgments

Ce travail a été appuyé financièrement par la subvention du DOD ARO #W911NF-15-1-0510 et le National Science Foundation Research initiation Awards sous la concession no 1411209. Nous exprimons notre sincère gratitude au département de physique et informatique et à la Division de l’éducation de l’Université Xavier de Louisiane.

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.

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  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).

Tags

Sciences de l’environnement numéro 147 photomètre solaire aérosols épaisseur optique des aérosols (AOT) tension foncée canal vert canal rouge
Mesure des aérosols épaisseur optique de l’atmosphère à l’aide du photomètre solaire de poche GLOBE
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Bradley, M., Gasseller, M.… More

Bradley, M., Gasseller, M. Measurement of Aerosols Optical Thickness of the Atmosphere using the GLOBE Handheld Sun Photometer. J. Vis. Exp. (147), e59257, doi:10.3791/59257 (2019).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter