Измерение аэрозолей оптической толщины атмосферы с помощью земного шара карманный Солнечный фотометр
Summary
Целью представленных здесь методов является измерение аэрозольной оптической толщины атмосферы. Солнечный фотометр указывается на солнце и наибольшее напряжение чтения, полученные на встроенный цифровой вольтметра записывается. Также выполняются атмосферные измерения, такие как барометрическое давление и относительная влажность.
Abstract
Здесь мы описываем измерение толщины аэрозольного оптического толщи с помощью портативного солнечного фотометра земного шара. Аэрозоль оптической толщины (AOT) была измерена в университете Ксавье в Луизиане (XULA, 29,96 ° N, 90,11 ° W и 3 м над уровнем моря). Измерения проводились на двух различных длинами волн, 505 нм и 625 нм. Измерение AOT было сделано 6 раз в день (7 утра, 9 утра, 11 утра, солнечный полдень, 3 вечера и 5 вечера). Данные, приведенные в этой статье, являются среднемесячными значениями AOT, принятых в солнечный полдень. Во время каждого измерения времени; по крайней мере пять значений напряжения солнца v и темного напряжения vтемный взяты для каждого канала. Среднее значение для этих пяти измерений принимается в среднем за это время измерения. Другие метеорологические данные, такие как температура, поверхностное давление, количество осадков и относительная влажность, также измеряются в то же время. Весь протокол завершен в течение промежутка времени 10 – 15 мин. Затем измеренные значения AOT на 505 нм и 625 нм используются для экстраполяции значений AOT для длин волн 667 Нм, 551 Нм, 532 нм и 490 Нм. Измеренные и экстраполированные значения AOT были затем сравнены с значениями ближайшей станции аэонет на участке 6 Wave СНГ (АЭОНЕ, 28,87 ° N, 90,48 ° W и 33 м над уровнем моря), что примерно в 96 км к югу от XULA. В этом исследовании мы отслеживали ежегодные и ежедневные вариации AOT для 12-месячного периода с 2017 сентября по август 2018. Мы также сравнили данные AOT с двух самостоятельно калиброванных ГЛОБУСА на карманных солнечных фотометрах на сайте XULA. Данные свидетельствуют о том, что эти два документа находятся в отличном согласии.
Introduction
Атмосферные аэрозоли представляют собой мельчайшие твердые и жидкие частицы (от субмикронных до миллиметровых размеров), взвешенных в воздухе. Некоторые аэрозоли производятся через человеческую деятельность, а другие производятся природными процессами1,2,3,4. Аэрозоли в атмосфере уменьшают количество солнечной энергии, достигающей земной поверхности, путем рассеивания или поглощения света и теплового излучения от солнца. Количество аэрозолей в атмосфере значительно варьируется в зависимости от местоположения и времени. Есть сезонные и ежегодные изменения, а также эпизодические изменения в связи с событиями, такими как большие пыльные бури, дикие пожары или извержения вулканов5,6,7,8.
Воздействие аэрозолей на климат и на общественное здравоохранение является одной из доминирующих тем в нынешних экологических исследованиях. Аэрозоли влияют на погоду путем рассеивания или поглощения света и теплового излучения от солнца и действуя как конденсации ядер в формировании облаков. Аэрозоли также играют роль в рассеиванию патогенных микроорганизмов в воздухе и могут вызывать или усиливать респираторные и сердечно-сосудистые заболевания. Аэрозоль оптической толщины (AOT) является мерой количества солнечного света, который поглощается или рассеивается этими аэрозолями. Существует несколько наземных методов мониторинга AOT9,10,11. Самой крупной из наземных систем мониторинга AOT является проект аэрозольной роботизированной сети (АЭОНЕТ). Аэрооне-это сеть из более чем 400 станций мониторинга, которые разбросаны по всему миру12,13. Несмотря на это большое количество станций мониторинга, есть еще большие пробелы во всем мире, которые не контролируются для AOT. В качестве примера, Ближайшая станция АЭОНЕТ от нашего исследования сайта составляет около 90 км. В этом документе описывается использование портативного портативного фотометра, который может использоваться для преодоления пробелов между станциями мониторинга АЭОНЕТ. Портативный портативный Солнечный Фотометр является идеальным инструментом для использования студентами во всем мире в глобальной сети аэрозольного мониторинга14,15. Глобальное обучение и наблюдения в интересах окружающей среды (глобус) программа обеспечивает платформу для такой сети, через тысячи школ во всех 50 штатах Соединенных Штатов и в почти 120 других странах16,17 . Основная идея программы глобус заключается в использовании студентов во всем мире, чтобы обеспечить научно ценные измерения параметров окружающей среды с использованием недорогого оборудования. При надлежащем руководстве студенты и другие неспециаты могут образовывать сети карманных солнечных фотометров для заполнения пробелов между станциями мониторинга АЭОНЕТ. Самое большое преимущество карманных солнечных фотометра является то, что он может быть доставлен даже в самых отдаленных частях мира. Измерения AOT с другими малыми и переносные приборы успешно использовались в прошлом для проведения научных исследований в отдаленных и труднодоступных районах17,18
Основной целью данного исследования является использование глобус карманных солнечных фотометров, чтобы отслеживать годовой, дневной и почасовой вариации AOT на нашем сайте XULA исследования и сравнить с измерений из близлежащей станции АЭОНЕТ. В данной статье представлены данные за 12 месяцев с 2017 сентября по 2018 августа. Это первый в истории AOT, записанный для сайта XULA. Глобус Sun фотометр измеряет AOT на 2 длинами волн, 505 нм и 625 нм. Сайт АЭОНЕТ на участке 6 Wave СНГ измеряет AOT на 15 различных длинами волн. Для сравнения мы сосредоточились на этих 4 длинами волн, 667 Нм, 551 Нм, 532 нм и 490 Нм. Мы выбрали их, потому что они являются 4-х АЭОНЕТ длин волн ближайший к глобус солнце фотометр длин волн. Чтобы сделать сравнение, мы экстраполировать значения AOT на этих длинами волн для сайта XULA.
Измерения AOT делается каждый день, когда позволяют Погодные условия. В анализе исключаются измерения, выполненные при наличии перистых облаков в непосредственной близости от солнца. Таблица 1 показывает количество дней в каждом месяце, что у нас было совершенно ясное небо. В общей сложности было исключено около 47% принятых данных.
| Месяц | Сентября | Октября | Ноября | Декабря | Января | Февраля | Мар | Апр | Может | Июн | Июл | Авг |
| Количество дней | 18 | 20 | 16 | 15 | 15 | 15 | 16 | 15 | 18 | 15 | 15 | 16 |
Таблица 1: AOT измерения были сделаны 6 раз в день (7:00 AM, 9 утра, 11 утра, солнечный полдень, 3 am, и 5 AM). Данные, показанные на участках являются ежемесячные средние AOT значений, принятых в солнечный полдень. Во время каждого измерения времени; по крайней мере пять значений напряжения солнца v и темного напряжения vтемный взяты для каждого канала. Среднее значение для этих пяти измерений принимается в среднем за это время измерения. Ошибка в этих измерениях рассчитывается как стандартные отклонения этих пяти измерений. Значения AOT получаются с помощью уравнения, показанных ниже16:
V0 является калибровка константа солнечного фотометра, R является Земля-Солнце расстояние в астрономических единицах, Vтемный темное напряжение, записанное, когда свет блокируется от прохождения через отверстие на верхней кронштейн Солнечный фотометр, V является солнечное напряжение, записанное от солнечного фотометра, когда свет проходит через отверстие на верхней кронштейне ,R представляет ослабление света из-за Рэлея рассеяния, p и p0 являются измеренное и стандартное атмосферное давление, соответственно, и m является относительная воздушная масса. Относительная воздушная масса рассчитывается на данных, предоставленных национальным управлением океанических и атмосферных испытаний (NOAA). Другие метеорологические данные, такие как температура, осадки и относительная влажность, также измеряются в то же время. Уравнение 1, как приведенные выше, включает в себя вклад оптической толщины озона. Влияние озона на значения AOT рассчитывается на основе табличной величины коэффициента поглощения озона и предположений относительно количества озона в атмосфере19. Бухольц20,21 подготовила табличные значения R на основе стандартной атмосферы. Для канала 505 нм aR ≈ 0,13813 и для канала 625 нм это ~ 0,05793.
Представленные здесь данные представляют собой пример того, как можно организовать команды студентов, чтобы занять длительное и устойчивое измерение AOT. В этом исследовании, две студенческие команды использовали два независимо калиброван глобус портативных фотометров, чтобы отслеживать годовой, дневной и почасовой вариации аэрозоля оптической толщины атмосферы на нашем сайте XULA исследования. 2 глобус Sun Фотометры используемые в этом исследовании были приобретены от IESRE (Институт исследования земли науки и образования; одно имело серийный номер RG8-989 и другое имело серийный номер RG8-990). Прежде чем можно было бы объединить данные этих двух инструментов, был проведен регрессионный анализ для установления соглашения
Protocol
Representative Results
Discussion
Первым шагом в этом протоколе является определение сайта исследования. Это делается с помощью GPS, чтобы найти долготу и широту участка исследования. Значения долготы и широты имеют решающее значение при расчете AOT с помощью уравнения 1. Во время измерений, очень важно, чтобы солнечный фо?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была поддержана финансово Грант Аро МО #W911NF-15-1-0510 и Национальный научный фонд исследования инициации премии под Грант No 1411209. Мы выражаем искреннюю благодарность Департаменту физики и информатики и Отделу образования университета Ксавье в Луизиане.
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. |
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., Boutron, F., et al. The life cycle of the atmospheric aerosol. Topics in atmospheric and terrestrial physics and chemistry. , (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. 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).
