Måling av aerosoler optisk tykkelse av atmosfæren ved hjelp av GLOBE håndholdt Søn fotometer

Summary

Målet med metodene som presenteres her er å måle aerosol optiske tykkelsen av atmosfæren. Sol fotometer peker mot solen, og den største spennings avlesningen som er oppnådd på et innebygd digitalt voltmeter, registreres. Atmosfæriske målinger som Barometrisk trykk og relativ luftfuktighet utføres også.

Abstract

Her beskriver vi måling av aerosol optisk tykkelse ved hjelp av GLOBE håndholdte sol fotometer. Aerosol optisk tykkelse (AOT) ble målt ved Xavier University of Louisiana (XULA, 29,96 ° N, 90,11 ° W og 3 m over havet). Målingene ble gjort ved to forskjellige bølgelengder, 505 NM og 625 NM. AOT-målinger ble gjort 6 ganger om dagen (7 AM, 9 AM, 11 AM, solenergi formiddag, 3 PM og 5 PM). Dataene som vises i dette dokumentet, er de månedlige gjennomsnitt AOT-verdiene som tas ved solenergi formiddag. Under hver målingstid; minst fem verdier av sollys spenning v og Dark spenning v_Dark er tatt for hver kanal. Gjennomsnittet for disse fem målingene tas som gjennomsnittet for målings tiden. Andre meteorologiske data som temperatur, overflate trykk, nedbør og relativ fuktighet måles også samtidig. Hele protokollen er fullført innen et tidsrom på 10 – 15 min. De målte AOT-verdiene ved 505 NM og 625 NM brukes deretter til å ekstrapolere AOT-verdiene for bølgelengder 667 NM, 551 NM, 532 nm og 490 NM. De målte og ekstrapolert AOT-verdiene ble deretter sammenlignet med verdier fra nærmeste AERONET-stasjon på Wave CIS-området 6 (AERONET, 28,87 ° N, 90,48 ° W og 33 m over havet), som er omtrent 96 km sør for XULA. I denne studien vi spores den årlige og daglige variasjoner av AOT for en 12 måneders periode fra september 2017 til august 2018. Vi sammenlignet også AOT-data fra to uavhengig kalibrert GLOBE håndholdt sol photometers på XULA nettsted. Dataene viser at de to instrumentene er i god enighet.

Introduction

Atmosfæriske aerosoler er minutt faste og flytende partikler (alt fra submikron til millimeter størrelse) suspendert i luften. Noen aerosoler produseres gjennom menneskelig aktivitet og andre er produsert av naturlige prosesser^1,2,3,4. Aerosoler i atmosfæren reduserer mengden av solenergi når jordens overflate ved spredning eller absorberende lys og termisk stråling fra solen. Mengden av aerosol i atmosfæren varierer betydelig med sted og tid. Det er sesongmessige og årlige endringer i tillegg til episodisk endringer på grunn av hendelser som store støvstormer, ville branner eller vulkanutbrudd^5,6,7,8.

Virkningen av aerosoler på klimaet og på folkehelsen er blant de dominerende temaene i dagens miljø forskning. Aerosoler påvirker været ved spredning eller absorberende lys og termisk stråling fra solen og ved å opptre som kondens kjerner i dannelsen av skyer. Aerosoler spiller også en rolle i spredningen av patogener i luften, og de kan forårsake eller forbedre luftveiene og hjerte-og karsykdommer. Aerosol optisk tykkelse (AOT) er et mål på hvor mye sollys som absorberes eller spres av disse aerosoler. Det finnes flere bakke BAS ert metoder for overvåking av AOT^9,10,11. Det bredest av det begrunnelse-basert AOT avlytting system er det aerosol Robotic nettverk (AERONET) prosjekt. AERONET er et nettverk av over 400 overvåking stasjoner spredt over hele verden^12,13. Til tross for dette store antallet overvåking stasjoner, er det fortsatt store hull over hele verden som ikke overvåkes for AOT. Som et eksempel, den nærmeste AERONET stasjon fra vår studie nettstedet er ca 90 km unna. Dette papiret beskriver bruken av en bærbar håndholdt sol fotometer som kan brukes til å bygge bro over hullene mellom AERONET overvåking stasjoner. Den bærbare håndholdte Søn fotometer er et ideelt instrument for bruk av studenter over hele verden i et globalt aerosol Overvåkingsnettverk^14,15. Den globale læring og observasjoner til fordel for miljøet (Globe) program gir en plattform for et slikt nettverk, gjennom tusenvis av skoler i alle 50 statene i USA og i nesten 120 andre land^16,17 . Den primære ideen om GLOBE programmet er å bruke studenter over hele verden for å gi vitenskapelig verdifulle målinger av miljømessige parametre ved hjelp av billig utstyr. Med riktig veiledning, studenter og andre ikke-spesialist kan danne nettverk av håndholdte Søn photometers å fylle hullene mellom AERONET overvåking stasjoner. Den største fordelen med den håndholdte sol fotometer er at det kan tas til selv de fjerneste delene av verden. AOT-målinger med andre små og transportable instrumenter har blitt brukt tidligere til å gjennomføre forskningsstudier i fjerntliggende og vanskelig tilgjengelig områder^17,18

Hovedmålet med denne studien er å bruke GLOBE håndholdte Søn photometers å spore den årlige, daglige og hourly variant av AOT på vår XULA studiestedet og sammenligne med målinger fra en nærliggende AERONET stasjon. Denne utredningen presenterer data for en 12 måneders periode fra september 2017 til august 2018. Dette er den aller første AOT registrert for XULA området. The GLOBE Søn fotometer måler AOT på to bølgelengder, 505 NM og 625 NM. Den AERONET området på Wave CIS site 6 måler AOT på 15 forskjellige bølgelengder. For sammenligningen vår fokuserte vi på disse 4 bølgelengdene, 667 NM, 551 NM, 532 nm og 490 NM. Vi valgte disse fordi de er de 4 AERONET bølgelengder nærmest til GLOBE Søn fotometer bølgelengder. For å gjøre sammenligningen ekstrapolert vi AOT-verdier ved disse bølgelengdene for XULA-området.

Målinger av AOT gjøres hver dag når værforholdene tillater det. Målinger som er gjort når det er Cirrus skyer i nærheten av solen er utelukket i analysen. Tabell 1 viser antall dager i hver måned som vi hadde helt klar himmel. Alt i alt var omtrent 47% av dataene som ble tatt ekskludert.

Måned	September	Oktober	November	Desember	Januar	Februar	Mar	April	Kan	Juni	Juli	August
Antall dager	18	20	16	15	15	15	16	15	18	15	15	16

Tabell 1: AOT-målinger ble gjort 6 ganger om dagen (7:00 am, 9 am, 11 am, solenergi formiddag, 3 am og 5 am). Dataene som vises på tomter er den månedlige gjennomsnittlige AOT verdier tatt ved solenergi formiddag. Under hver målingstid; minst fem verdier av sollys spenning v og Dark spenning v_Dark er tatt for hver kanal. Gjennomsnittet for disse fem målingene tas som gjennomsnittet for målings tiden. Feilen i disse målingene er beregnet som standardavvik for disse fem målingene. AOT-verdier hentes ved hjelp av ligningen vist under¹⁶:

V₀ er kalibreringen konstant av solen fotometer, R er jorden-Søn avstand i astronomiske enheter, V_Dark er den mørke spenningen registreres når lyset er blokkert fra passerer gjennom hullet på den øverste braketten på Søn fotometer, V er sollyset spenning innspilt fra solen fotometer når lyset passerer gjennom hullet på den øverste braketten, representerer en_R demping av lys på grunn av Rayleigh spredning, p og p₀ er målt og standard atmosfærisk trykk, henholdsvis, og m er den relative luftmassen. Den relative luftmassen er beregnet ut fra data fra National Oceanic and atmosfæriske Administration (NOAA). Andre meteorologiske data som temperatur, nedbør og relativ luftfuktighet måles også samtidig. Ligning 1 som gitt ovenfor inkluderer bidrag av optisk tykkelse fra ozon. Effekten av ozon på AOT-verdier beregnes basert på tabell verdier av ozon absorpsjons koeffisienten og antakelser om ozon beløpet i atmosfæren¹⁹. Bucholtz har produsert tabell verdier av en_R basert på standard atmosfærer. For 505 NM kanal a_R ≈ 0,13813 og for 625 NM kanalen er det ~ 0,05793.

Dataene som presenteres her, representerer et eksempel på hvordan grupper av studenter kan organiseres for å ta lange og vedvarende AOT-målinger. I denne studien, to student lag brukte to uavhengig kalibrert GLOBE håndholdte Søn photometers å spore den årlige, daglige og hourly variasjon av aerosol optiske tykkelsen av atmosfæren på vår XULA studiestedet. De to Globe Søn photometers brukt i denne undersøkelsen ble kjøpt fra IESRE (Institute for Earth Science Research and Education, en hadde serienummer RG8-989 og den andre hadde serienummer RG8-990). Før dataene fra de to instrumentene kunne kombineres, ble det utført en regresjonsanalyse for å fastslå avtalen

Protocol

1. fotometer drift Merk: Disse protokollene gjøres best av to personer som arbeider sammen. En person holder og justerer solen fotometer mens den andre personen posten målingene. Mål lengdegrad og breddegrad for området ved hjelp av GPS. På stedet, er det første trinnet for å aktivere GPS ved å velge sensor oppsett fra sensor menyen og velg GPS. Når GPS har fått nok satellitter, vil breddegrad og lengdegradverdier vises. Når verdiene er vist trykk samle in…

Representative Results

GLOBE Søn fotometer måler AOT på λ = 505 NM og λ = 625 NM. Den AERONET området på Wave CIS site 6 måler AOT på 15 forskjellige bølgelengder. For vår sammenligning fokuserte vi på disse 4 bølgelengdene til AERONET-nettstedet: 667 NM, 551 NM, 532 nm og 490 NM. For å gjøre en sammenligning mellom de to stasjonene, ekstrapolert vi AOT på 667 NM, 551 NM, 532 nm og 490 NM for XULA området. Dette gjøres ved hjelp av XULA områdets Angstrom koeffisienter. For et gitt nettsted og…

Discussion

Det første trinnet i denne protokollen er å definere studien området. Dette gjøres ved hjelp av en GPS for å finne lengdegrad og breddegrad av studien området. Verdiene for lengdegrad og breddegrad er kritiske i beregningen av AOT ved hjelp av Formel 1. Under målingen er det avgjørende at sol fotometer peker direkte og fast i solen. Det lille hullet øverst på braketten til den håndholdte sol fotometer reduserer mengden spredt lys som når LED-detektorer i sol fotometer. Formel 1 er en tilnærming som forutsett…

Materials

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.