מטרת השיטות המוצגות כאן היא למדוד את עובי התרסיס האופטי של האטמוספירה. הפומטר השמש מכוון לשמש והקריאה הגדולה ביותר במתח המתקבלת על גבי מתח דיגיטלי מובנה מוקלטת. מדידות אטמוספריים כגון לחץ ברומטרי ולחות יחסית מתבצעות גם כן.
כאן, אנו מתארים את המדידה של עובי תרסיס אופטי באמצעות הגלובוס מחשב כף יד של השמש. עובי תרסיס אופטי (AOT) נמדד באוניברסיטת אקסבייר של לואיזיאנה (XULA, 29.96 ° N, 90.11 ° W ו 3 מ מעל פני הים). המידות נעשו בשני אורכי גל שונים, 505 ננומטר ו 625 nm. מדידות AOT נעשו 6 פעמים ביום (7 בבוקר, 9 בבוקר, 11 בבוקר, בצהריים סולריים, 15:00 ו-17:00). הנתונים המוצגים בנייר זה הם ערכי ה-AOT הממוצעים החודשיים שנלקחו בצהריים סולריים. בכל זמן מדידה; לפחות חמישה ערכים של מתח אור השמש v ו- vכהה מתח כהה נלקחים עבור כל ערוץ. הממוצע לחמש המידות האלה נלקח כהממוצע לזמן המדידה. נתונים מטאורולוגיים אחרים כגון טמפרטורה, לחץ פני השטח, גשמים ולחות יחסית נמדדים גם באותו זמן. הפרוטוקול כולו מושלם בטווח זמן של 10 – 15 דקות. ערכי ה-AOT הנמדדים ב505 ננומטר ו-625 ננומטר משמשים לשער את ערכי ה-AOT עבור אורכי גל 667 nm, 551 nm, 532 nm ו-490 nm. ערכי ה-AOT הנמדדים והמודלים השוו לערכים מתחנת ה-AERONET הקרובה ביותר באתר של Wave CIS 6 (AERONET, 28.87 ° N, 90.48 ° W ו 33 מ מעל פני הים), שהוא כ-96 ק מ מדרום ל-XULA. במחקר זה איתרנו את הווריאציות השנתיות והיומיות של AOT לתקופה של 12 חודשים מספטמבר 2017 ועד אוגוסט 2018. כמו כן, השוונו את נתוני ה-AOT משני פוטומטריים בעלי מחשב כף יד מכוילים באופן עצמאי באתר XULA. הנתונים מראים ששני המכשירים. נמצאים בהסכם מצוין
אירוסולים אטמוספריים הם חלקיקים מוצקים ונוזליים לדקה (החל מסאב-מיקרון לגודל מילימטר) המושהה באוויר. אירוסולים מסוימים מיוצרים באמצעות פעילות אנושית ואחרים מיוצרים על ידי תהליכים טבעיים1,2,3,4. אירוסולים באטמוספירה מפחיתים את כמות האנרגיה הסולארית המגיעה למשטח האדמה באמצעות פיזור או קליטת קרינת האור והחום מהשמש. כמות התרסיס באטמוספירה משתנה באופן משמעותי עם המיקום והזמן. ישנם שינויים עונתיים ושנתיים כמו גם שינויים האפיזודי בשל אירועים כגון סופות אבק גדולות, שריפות בר או התפרצויות געשיות5,6,7,8.
ההשפעה של אירוסולים על האקלים ועל בריאות הציבור הם בין הנושאים דומיננטי במחקר הסביבתי הנוכחי. אירוסולים משפיעים על מזג האוויר על-ידי פיזור או קליטת קרינת האור והחום מהשמש והפעלת גרעיני התעבות בהיווצרות העננים. אירוסולים גם לשחק תפקיד בפיזור של פתוגנים באוויר והם יכולים לגרום או לשפר מחלות נשימה וכלי דם. עובי תרסיס אופטי (AOT) הוא מדד לכמות האור השמש הנספג או מפוזר באמצעות אירוסולים אלה. ישנן מספר שיטות מבוססות קרקע לניטור AOT9,10,11. הגדול ביותר של מערכת ניטור AOT המבוססת על הקרקע הוא הפרויקט הרשת של תרסיס רובוטית (AERONET). AERONET היא רשת של מעל 400 תחנות ניטור התפשטה בכל רחבי העולם12,13. למרות המספר הגדול הזה של תחנות ניטור, יש עדיין פערים גדולים ברחבי העולם, כי הם לא מנוטרים עבור AOT. כדוגמה, תחנת ה-AERONET הקרובה ביותר מאתר המחקר שלנו היא כ 90 ק מ משם. נייר זה מתאר את השימוש בפומטר נייד מחשבי כף-יד ניידים שניתן להשתמש בו כדי לגשר על הפערים בין תחנות ניטור AERONET. השמש הניידת של מחשב כף היד הוא כלי אידיאלי לשימוש על ידי סטודנטים ברחבי העולם ברשת בקרת תרסיס העולמי14,15. הלמידה הגלובלית ותצפיות לטובת הסביבה (גלוב) התוכנית מספקת פלטפורמה עבור רשת כזו, דרך אלפי בתי ספר בכל 50 מדינות ארצות הברית וכמעט 120 מדינות אחרות16,17 . הרעיון העיקרי של תוכנית גלוב היא להשתמש בסטודנטים בכל רחבי העולם כדי לספק מדידות יקרי ערך מדעית של פרמטרים סביבתיים באמצעות ציוד זול. עם הנחיה נאותה, סטודנטים ומומחים אחרים יכולים ליצור רשתות של פוטומטי שמש מסוג כף-יד כדי למלא את הפערים בין תחנות הניטור של AERONET. היתרון הגדול ביותר של פומטר השמש הידני הוא כי ניתן לקחת את החלקים המרוחקות ביותר של העולם. מדידות AOT עם מכשירים קטנים אחרים הניתנים להעברה בהצלחה בעבר כדי לבצע לימודי מחקר באזורים מרוחקים וקשים לגישה17,18
המטרה העיקרית של מחקר זה היא להשתמש בפוטומטי השמש של הגלובוס כדי לעקוב אחר השנה השנתית, יומית ושעות של AOT באתר המחקר שלנו XULA ולהשוות עם מדידות מתחנת AERONET סמוכה. מסמך זה מציג נתונים לתקופה של 12 חודשים מספטמבר 2017 ועד אוגוסט 2018. זהו ה-AOT הראשון שנרשם עבור אתר ה-XULA. כדור הארץ השמש מודד AOT בשני אורכי גל, 505 nm ו 625 nm. אתר AERONET באתר Wave CIS 6 מודד AOT ב 15 אורכי גל שונים. עבור ההשוואה שלנו התמקדנו אלה 4 אורכי גל, 667 nm, 551 nm, 532 nm ו 490 nm. בחרנו אלה מכיוון שהם 4 אורכי גל AERONET הקרוב ביותר לעולם האור הפוטר של הגלובוס. כדי לבצע את ההשוואה, שמנו ערכי AOT באורכי גל אלה עבור אתר XULA.
מדידות של AOT נעשים בכל יום כאשר תנאי מזג האוויר מתירים. מדידות שנעשים כאשר יש ענני נוצה בקרבת השמש אינם נכללים בניתוח. טבלה 1 מציגה את מספר הימים בכל חודש שהיה לנו שמיים ברורים לחלוטין. בסך הכל, כ 47% מהנתונים שנלקחו לא נכללו.
חודש | ספטמבר | Oct | נובמבר | Dec | Jan | Feb | Mar | Apr | מאי | יוני | Jul | Aug |
מספר הימים | 18 | 20 | 16 | 15 | 15 | 15 | 16 | 15 | 18 | 15 | 15 | 16 |
טבלה 1: מדידות AOT נעשו 6 פעמים ביום (7:00 am, 9 בבוקר, 11 בבוקר, בצהריים סולריים, 3 בבוקר, ו-5 בבוקר). הנתונים המוצגים על המגרשים הם ערכי ה-AOT הממוצעים החודשיים שנלקחו בצהריים הסולריים. בכל זמן מדידה; לפחות חמישה ערכים של מתח אור השמש v ו- vכהה מתח כהה נלקחים עבור כל ערוץ. הממוצע לחמש המידות האלה נלקח כהממוצע לזמן המדידה. השגיאה במידות אלה מחושבת כסטיות סטנדרטיות של חמש מדידות אלה. ערכי AOT מתקבלים באמצעות המשוואה המוצגת להלן16:
V0 הוא קבוע כיול של פומטר השמש, R הוא מרחק כדור הארץ ביחידות אסטרונומיות, Vdark הוא מתח כהה הקליט כאשר האור נחסם לעבור דרך החור על החלק העליון של ה אור השמש, V הוא מתח האור השמש הקליט מתוך השמש פומטר כאשר התאורה עובר דרך החור על הסוגר העליון, R מייצג את הנחת האור בשל פיזור ריילי, p ו- p0 הן הלחץ האטמוספרי הנמדד והסטנדרטי, בהתאמה, ו- m היא מסת האוויר היחסית. מסת האוויר היחסית מחושבת מתוך נתונים שסופקו על ידי מינהל האוקיינוסים והאטמוספירה הלאומי (NOAA). נתונים מטאורולוגיים אחרים כגון טמפרטורה, גשמים ולחות יחסית נמדדים גם הם באותו זמן. משוואה 1 כפי שניתן לעיל כוללת את התרומות של עובי אופטי מאוזון. השפעת האוזון על ערכי AOT מחושבת בהתבסס על הערכים המוטבתים של מקדם ספיגת האוזון והנחות על כמות האוזון באטמוספירה19. בוכולץ20,21 הפיק ערכים טבלתים של R מבוסס על אטמוספרות סטנדרטית. לערוץ 505 ננומטר aR ≈ 0.13813 ולערוץ 625 ננומטר הוא ~ 0.05793.
הנתונים המוצגים כאן מייצגים דוגמה לאופן הארגון של קבוצות תלמידים לקחת מדידות AOT ארוכות ומתמשכת. במחקר זה, שתי קבוצות סטודנטים השתמשו בשני באופן עצמאי מכויל הגלובוס השמש פוטומטריים לעקוב אחר השנתי, יום יומית וריאציה של עובי תרסיס אופטי של האטמוספירה באתר המחקר שלנו XULA. שני פומטרים השמש של הגלובוס בשימוש בחקירה הזאת נרכשו מ-המכון לחקר כדור הארץ מדעי והשכלה; אחד היה מספר סידורי RG8-989 והשני היה מספר סידורי RG8-990). לפני שניתן יהיה לשלב את הנתונים משני המכשירים, ניתוח רגרסיה בוצע כדי לוודא את ההסכם
הצעד הראשון בפרוטוקול זה הוא להגדיר את אתר המחקר. פעולה זו מתבצעת באמצעות GPS כדי למצוא את קו האורך ואת קו הרוחב של אתר המחקר. ערכי האורך והרוחב הם קריטיים בחישוב AOT באמצעות משוואה 1. במהלך המדידה, הכרחי שהפומטר השמש יהיה מכוון ישירות ויציב לשמש. החור הזעיר בחלק העליון של הפומטר כף השמש מפחית א…
The authors have nothing to disclose.
העבודה הזאת נתמכת מבחינה פיננסית על ידי המענק של משרד ההגנה הW911NF-15-1-0510 והמדע הלאומי לחקר הקרן הלאומית למדעי המדינה תחת גרנט מס ‘ 1411209. אנו מבטאים את הכרת התודה הכנה שלנו לפיסיקה ומדעי המחשב ולחטיבה לחינוך באוניברסיטת אקסבייר.
A Calibrated GLOBE handheld sun photometer | IESRE, USA (GLOBE sun photometer) and TERNUM, UK (Calitoo sun photometer | The GLOBE sun photometer measures AOT at 505nm and 625nm. | |
Barometer | Forestry suppliers, USA, Cat# 43316 | 43316 | The aneroid barometer must have a clear scale with a pressure range between 940 and 1060 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. |