世界のハンドヘルド太陽光度計を用いた大気中のエアロゾル光学的厚さの測定

Summary

ここで提示される方法の目標は、大気のエアロゾル光学厚さを測定することである。太陽測光器は太陽を指し、内蔵のデジタル電圧計で得られる最大の電圧測定値が記録されます。気圧や相対湿度などの大気の測定も行われます。

Abstract

ここでは、グローブハンドヘルドサン測光器を用いたエアロゾル光学厚さの測定について述べる。エアロゾル光学厚さ (AOT) は、ルイジアナ州ザビエル大学 (XULA、29.96 ° N、90.11 ° W、海抜 3 m) で測定しました。測定は、2つの異なる波長、505 nm および 625 nm で行われました。AOT 測定は、1日6回 (午前7時、午前9時、午前11時、太陽正午、午後3時および午後5時) に行われました。このペーパーに示されているデータは、太陽正午に取得された月次平均 AOT 値です。各測定時間の間に;各チャネルについて、太陽光電圧vおよび暗電圧v_暗の少なくとも5つの値が取られる。これらの5つの測定値の平均は、その測定時間の平均的なものとして取得されます。その他の気象データ (温度、表面圧力、降雨量、相対湿度など) も同時に測定されます。プロトコル全体は 10 ~ 15 分の期間内に完了します。505 nm および 625 nm の測定された AOT 値は波長 667 nm、551 nm、532 nm および 490 nm の AOT 値を外挿するのに使用した。次に、測定および外挿された AOT 値を、XULA から南に約 96 km 離れた波 CIS サイト 6 (AERONET、28.87 ° N、90.48 ° W、および 33 m) の最寄りの AERONET 駅からの値と比較しました。この研究では、9月2017から8月2018までの12ヶ月間の AOT での年間および毎日のバリエーションを追跡しました。また、XULA サイトの2つの個別にキャリブレーションされたグローブハンドヘルドサン photometers の AOT データを比較しました。データは、2つの計器が優れた合意にあることを示しています。

Introduction

大気エアロゾルは、空気中に浮遊する微小固体および液体粒子 (サブミクロンからミリメートルサイズの範囲) です。エアロゾルの中には、人間の活動によって生成されるものもあれば、自然のプロセス^{1、2、3、4}によって生成されるものもあります。大気中のエアロゾルは、太陽からの光と熱放射を散乱または吸収することによって、地表に到達する太陽エネルギーの量を減少させます。大気中のエアロゾルの量は、場所と時間によって大きく異なります。大規模な砂嵐、野生火災や火山噴火^{5、6、7、8}などのイベントに起因する季節や年間の変化だけでなく、エピソードの変化があります。

エアロゾルが気候と公衆衛生に及ぼす影響は、現在の環境研究において支配的なテーマの一つである。エアロゾルは、太陽からの光と熱放射を散乱または吸収することによって、そして雲の形成における凝縮核として作用することによって、天候に影響を与える。エアロゾルはまた、空気中の病原体の分散に役割を果たし、それらは、呼吸器や心血管疾患を引き起こすか、高めることができます。エアロゾル光学厚さ (AOT) は、これらのエアロゾルによって吸収または散乱される太陽光の量の尺度です。AOT^9、10、11を監視するためのいくつかの地上ベースの方法があります。地上の AOT の監視システムの最も大きいはエーロゾルのロボティックネットワーク (AERONET) プロジェクトである。AERONET は、世界^12,13の上に広がる400以上の監視局のネットワークです。この多数の監視ステーションにもかかわらず、AOT では監視されていない大きなギャップが世界中に存在しています。例として、私たちの研究サイトから最寄りの AERONET 駅は約90キロ離れています。本論文では、AERONET モニタリングステーション間のギャップを埋めるために使用できるポータブルハンドヘルドサン測光器の使用について説明する。携帯用手持ち型の太陽測光器は地球のエーロゾルの監視ネットワーク^14,15の世界中の学生によって使用のための理想的な器械である。環境 (地球) プログラムに利益をもたらす世界的な学習と観測は、米国の50州、およびほぼ120の国で、数千の学校を通じて、そのようなネットワークのためのプラットフォームを提供します^16,17.グローブプログラムの主なアイデアは、安価な機器を使用して、科学的に価値のある環境パラメータの測定値を提供するために、世界中の学生を使用することです.適切な指導により、学生および他の非専門家は、AERONET モニタリングステーション間のギャップを埋めるためにハンドヘルドサン photometers のネットワークを形成することができます。手持ち式の太陽測光器の最も大きい利点は世界の遠いの部分に取ることができることである。他の小さいおよび運送可能な器械が付いている AOT の測定はリモートでそしてアクセスしにくい区域^17,18の調査を遂行するために過去に首尾よく使用された

この研究の主な目標は、グローブハンドヘルド sun photometers を使用して、当社の XULA 研究サイトでの AOT の年間、毎日、および毎時の変動を追跡し、近くの AERONET 駅からの測定値と比較することです。本稿では, 9 月2017日から2018日までの12ヶ月間のデータを提示する.これは XULA サイトのために記録された初の AOT です。地球の太陽測光器は2つの波長、505 nm および 625 nm で AOT を測定する。Wave CIS サイト6の AERONET サイトは、15種類の波長の AOT を測定します。私達の比較のために私達はこれらの4つの波長、667 nm、551 nm、532 nm および 490 nm に焦点を合わせた。それらは地球の太陽測光の波長に最も近い4つの AERONET 波長であるので私達はこれらを選んだ。比較を行うために、これらの波長の AOT 値を XULA サイトに対して推定しました。

AOT の測定は、気象条件が許す毎日行われます。太陽の近傍内に巻雲がある場合に行われる計測は、解析では除外されます。表 1は、空を完全にクリアした各月の日数を示しています。全体として、取得したデータの約 47% が除外された。

月	9 月	10 月	11 月	12 月	月	Feb	03 月	Apr	が	6 月	7 月	8 月
日数	18	20	16	15	15	15	16	15	18	15	15	16

表 1: AOT 測定は1日6回行われた (7:00 am、午前9時、午前11時、太陽正午、午前3時、および午前5時)。プロットに表示されるデータは、太陽正午に撮影された月平均 AOT 値です。各測定時間の間に;各チャネルについて、太陽光電圧vおよび暗電圧v_暗の少なくとも5つの値が取られる。これらの5つの測定値の平均は、その測定時間の平均的なものとして取得されます。これらの測定値の誤差は、これら5つの測定値の標準偏差として計算されます。AOT 値は、¹⁶の下に示す式を使用して取得されます。

V-0 は太陽光度計の較正定数であり、 Rは天文学的単位での地球太陽距離であり、 V_暗は、光がブロックされたときに記録した暗電圧が上部ブラケット上の穴を通過するのを妨害する太陽光度計、 Vは、太陽光度計から記録された太陽光の電圧であり、光が上部ブラケット上の穴を通過するとき、 _Rはレイリー散乱、 pおよびp₀による光の減衰を表すは、それぞれ測定および標準の大気圧であり、 mは相対空気質量である。相対空気質量は、米国海洋大気庁 (NOAA) によって提供されるデータから計算されます。その他の気象データ (気温、降雨量、相対湿度など) も同時に測定されます。上記のような式1は、オゾンからの光学的厚さの寄与を含む。AOT 値に対するオゾンの影響は、大気¹⁹におけるオゾン吸収係数の表形式の値と、ozone の量に関する仮定に基づいて計算されます。Bucholtz^20,21は、標準雰囲気に基づいて_R の表形式の値を生成しています。505 nm チャネルのために_R ≈0.13813 および 625 nm チャネルのためにそれは ~ 0.05793 である。

ここに示されているデータは、学生のチームが長く持続する AOT 測定を行うためにどのように編成できるかの例を表しています。この研究では、2つの学生チームが、独立してキャリブレーションされた2つのグローブハンドヘルドサン photometers を使用して、XULA 研究サイトの大気のエアロゾル光学厚さの年間、毎日、および毎時の変動を追跡しました。この調査で使用された2つの地球儀の太陽 photometers は、IESRE (地球科学研究・教育研究所、シリアル番号 RG8-989、もう1つはシリアル番号 RG8-990) から購入したものです。2つの計器のデータを組み合わせる前に、回帰分析を実行して合意を確認しました。

Protocol

1. 光度計の操作 注:これらのプロトコルは、2人が一緒に作業するのがベストです。1人は、2人目の人が測定値を記録しながら、太陽光度計を保持し、整列させます。 GPS を使用してサイトの緯度と経度を測定します。サイトでは、最初のステップは、センサーのメニューからセットアップセンサーを選択し、gps を選択することによって、GPS をアクティ…

Representative Results

グローブサン光度計は、λ = 505 nm およびλ = 625 nm で AOT を測定します。Wave CIS サイト6の AERONET サイトは、15種類の波長の AOT を測定します。私達の比較のために私達は AERONET のサイトのこれらの4つの波長に焦点を合わせた: 667 nm、551 nm、532 nm および 490 nm。2つのステーション間の比較を行うために、我々は XULA のサイトのために 667 nm、551 nm、532 nm と 490 nm の AOT を推定…

Discussion

このプロトコルの最初のステップは、スタディサイトを定義することです。これは、調査サイトの経度と緯度を見つけるために GPS を使用することによって行われます。経度と緯度の値は、式1を使用した AOT の計算において重要です。測定中は、太陽光度計が太陽光で直接、しっかりと指していることが重要です。ハンドヘルドサン測光器の上部ブラケットにある小さな穴は、太陽光度計の?…

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.