قياس سمك الهباء الضوئي للغلاف الجوي باستخدام فوتوميتر الشمس المحمولة غلوب
Summary
الهدف من الطرق المعروضة هنا هو قياس سمك الهباء الضوئي للغلاف الجوي. وأشار الاشعه الشمسية في الشمس وسجلت أكبر الجهد القراءة التي تم الحصول عليها علي الفولتميتر الرقمية المدمجة. كما يتم اجراء قياسات الغلاف الجوي مثل الضغط البارومتري والرطوبة النسبية.
Abstract
هنا ، ونحن وصف قياس سمك الهباء الضوئي باستخدام مقياس الضوء الشمسية المحمولة غلوب. تم قياس سمك الهباء الضوئي (AOT) في جامعه كزافييه في لويزيانا (XULA, 29.96 ° N, 90.11 ° W و 3 م فوق مستوي سطح البحر). وأجريت القياسات في اثنين من أطوال موجية مختلفه ، 505 نانومتر و 625 نانومتر. تم اجراء قياسات AOT 6 مرات في اليوم (7 صباحا ، 9 صباحا ، 11 صباحا ، الظهيرة الشمسية ، 3 مساء و 5 مساء). البيانات الواردة في هذه الورقة هي المتوسط الشهري لقيم AOT الماخوذه عند الظهيرة الشمسية. خلال كل وقت القياس; يتم أخذ ما لا يقل عن خمسه قيم من الجهد ضوء الشمس v والظلام الجهد v الظلام لكل قناه. ويؤخذ المتوسط لهذه القياسات الخمسة علي انه المعدل لوقت القياس هذا. وتقاس أيضا في نفس الوقت بيانات الأرصاد الجوية الأخرى مثل درجه الحرارة والضغط السطحي والامطار والرطوبة النسبية. يتم إكمال البروتوكول بأكمله في غضون فتره زمنيه تتراوح بين 10 و 15 دقيقه. يتم استخدام قيم AOT المقاسه عند 505 نانومتر و 625 نانومتر لاستقراء قيم AOT لأطوال موجية 667 نانومتر ، 551 نانومتر ، 532 نانومتر و 490 نانومتر. ثم قورنت قيم AOT المقاسه واستقراءها مع القيم من أقرب محطه AERONET في الموقع الموجه CIS 6 (AERONET, 28.87 ° N, 90.48 ° W و 33 متر فوق مستوي سطح البحر), وهو حوالي 96 كم جنوب XULA. في هذه الدراسة تعقبنا الاختلافات السنوية واليومية من AOT لفتره 12 شهرا من سبتمبر 2017 إلى أغسطس 2018. نحن أيضا مقارنه البيانات AOT من اثنين معايره بشكل مستقل غلوب المحمولة الشمس الضوئية في موقع XULA. وتظهر البيانات ان الصكين في اتفاق ممتاز.
Introduction
الهباء الجوي هو الدقيقة الصلبة والجزيئات السائلة (تتراوح بين submicron إلى ملليمتر حجم) معلقه في الهواء. يتم إنتاج بعض الهباء الجوي من خلال النشاط البشري والبعض الآخر تنتجه العمليات الطبيعية1،2،3،4. ويؤدي الهباء الجوي في الجو إلى تقليل كميه الطاقة الشمسية التي تصل إلى سطح الأرض عن طريق نثر أو امتصاص الإشعاع الخفيف والحراري من الشمس. ويختلف مقدار الهباء الجوي في الجو اختلافا كبيرا مع الموقع والوقت. هناك تغيرات موسميه وسنوية [اس ول س] تغيرات عرضيه واجبه إلى حادثات مثل كبيره غبار عواصف, نيران وحشيه أو ثوران بركانيه5,6,7,8.
ومن بين المواضيع المهيمنة في البحوث البيئية الحالية تاثير الهباء الجوي علي المناخ وعلي الصحة العامة. ويؤثر الهباء الجوي علي الطقس بنثر أو امتصاص الاشعه الخفيفة والحرارية من الشمس العمل كنوى تكثيف في تشكيل الغيوم. ويؤدي الهباء الجوي أيضا دورا في تشتيت العوامل المسببة للامراض في الهواء ويمكن ان يسبب أو يعزز امراض الجهاز التنفسي والقلب والاوعيه الدموية. سمك الهباء الضوئي (AOT) هو مقياس لكميه ضوء الشمس التي يمتصها أو يتناثرها هذا الهباء الجوي. هناك العديد من الطرق الارضيه لرصد aot9,10,11. ويعد مشروع الشبكة الروبوتية للرذاذ (AERONET) الأكبر من نظام الرصد الأرضي AOT. Aeronet هي شبكه من أكثر من 400 محطه رصد منتشرة في جميع انحاء العالم12,13. علي الرغم من هذا العدد الكبير من محطات الرصد ، لا تزال هناك فجوات كبيره في جميع انحاء العالم والتي لا يتم رصدها ل AOT. علي سبيل المثال ، أقرب محطه AERONET من موقع الدراسة الخاص بنا علي بعد حوالي 90 كم. تصف هذه الورقة استخدام مقياس ضوئي محمول باليد للشمس يمكن استخدامه لسد الفجوات بين محطات الرصد AERONET. جهاز قياس الضوء المحمول من أشعه الشمس هو أداه مثاليه للاستخدام من قبل الطلاب في جميع انحاء العالم في شبكه رصد الهباء العالمي14،15. ويوفر برنامج التعلم والملاحظات العالمية لصالح البيئة (غلوب) منبرا لهذه الشبكة ، من خلال آلاف المدارس في جميع الولايات 50 في الولايات المتحدة وفي حوالي 120 بلدا آخر16و17 . الفكرة الاساسيه لبرنامج غلوب هي استخدام الطلاب في جميع انحاء العالم لتوفير قياسات قيمه علميا للمعلمات البيئية باستخدام معدات غير مكلفه. مع التوجيه المناسب ، يمكن للطلاب وغيرهم من غير المتخصصين تشكيل شبكات من أجهزه قياس الضوء الشمسية المحمولة لسد الفجوات بين محطات الرصد AERONET. أكبر ميزه من مقياس الضوء الشمسي المحمولة هو انه يمكن ان يؤخذ إلى ابعد أجزاء من العالم. وقد استخدمت قياسات aot مع أدوات صغيره وقابله للنقل بنجاح في الماضي لاجراء دراسات بحثيه في المناطق النائية والتي يصعب الوصول اليها17,18
الهدف الرئيسي من هذه الدراسة هو استخدام الصور الفوتوغرافية الشمسية المحمولة غلوب لتتبع الاختلاف السنوي واليومي والساعة من AOT في موقع الدراسة XULA لدينا ومقارنه مع القياسات من محطه AERONET القريبة. وتقدم هذه الورقة بيانات لفتره 12 شهرا من 2017 أيلول/سبتمبر إلى 2018 أب/أغسطس. هذا هو أول اي وقت مضي سجلت AOT لموقع XULA. مقياس الضوء الشمسي غلوب التدابير AOT في اثنين من موجات ، 505 nm و 625 nm. الموقع AERONET في الموج CIS الموقع 6 يقيس AOT في 15 أطوال موجية مختلفه. للمقارنة لدينا ركزنا علي هذه الأطوال الموجية 4 ، 667 nm ، 551 nm ، 532 nm و 490 nm. اخترنا هذه لأنها موجات AERONET 4 أقرب إلى موجات الضوء الشمسي غلوب. لجعل المقارنة ، ونحن استقراء قيم AOT في هذه الأطوال الموجية لموقع XULA.
يتم اجراء قياسات AOT كل يوم عندما تسمح الظروف الجوية. وتستبعد في التحليل القياسات التي يتم القيام بها عند وجود الغيوم التي توجد في محيط الشمس. ويبين الجدول 1 عدد الأيام التي كانت فيها السماء صافيه تماما في كل شهر. الإجمال ، استبعد حوالي 47 في المائة من البيانات الماخوذه.
| الشهر | سبتمبر | اكتوبر | نوفمبر | ديسمبر | يناير | فبراير | مارس | ابريل | قد | يونيو | يوليو | اغسطس |
| عدد الأيام | 18 | 20 | 16 | 15 | 15 | 15 | 16 | 15 | 18 | 15 | 15 | 16 |
الجدول 1: تم اجراء قياسات AOT 6 مرات في اليوم (7:00 صباحا ، 9 صباحا ، 11 صباحا ، ظهر شمسي ، 3 صباحا ، و 5 صباحا). البيانات المعروضة علي المؤامرات هي المتوسط الشهري لقيم AOT الماخوذه عند الظهيرة الشمسية. خلال كل وقت القياس; يتم أخذ ما لا يقل عن خمسه قيم من الجهد ضوء الشمس v والظلام الجهد v الظلام لكل قناه. ويؤخذ المتوسط لهذه القياسات الخمسة علي انه المعدل لوقت القياس هذا. ويحسب الخطا في هذه القياسات علي انه الانحرافات المعيارية لهذه القياسات الخمسة. يتم الحصول علي قيم AOT باستخدام المعادلة الموضحة أدناه16:
V0 هو ثابت المعايرة للضوء الشمس ، R هي المسافة بين الأرض والشمس في الوحدات الفلكية ، Vالظلام هو الجهد الظلام المسجلة عندما يتم حظر الضوء من المرور من خلال ثقب علي القوس العلوي من أشعه الشمس الضوئية ، V هو الجهد ضوء الشمس المسجلة من الاشعه الشمس عندما يمر الخفيفة من خلال ثقب علي القوس العلوي ، R يمثل توهين الضوء بسبب تشتت رايلي ، p و p0 هي قياس ومعيار الضغط الجوي ، علي التوالي ، و m هو كتله الهواء النسبي. وتحسب الكتلة الجوية النسبية من البيانات المقدمة من الاداره الوطنية للمحيطات والغلاف الجوي (نوا). وتقاس أيضا في نفس الوقت بيانات الأرصاد الجوية الأخرى مثل درجه الحرارة والامطار والرطوبة النسبية. وتشمل المعادلة 1 الواردة أعلاه مساهمات السمك البصري من الأوزون. ويحسب تاثير الأوزون علي قيم AOT استنادا إلى القيم المجدولة لمعامل امتصاص الأوزون والافتراضات المتعلقة بكميه الأوزون في الغلاف الجوي19. وقد أنتجت bucholtz20،21 القيم المجدولة لل R علي أساس الأجواء القياسية. للقناه 505 nm R ≈ 0.13813 وللقناه 625 nm هو ~ 0.05793.
وتمثل البيانات المقدمة هنا مثالا للكيفية التي يمكن بها تنظيم فرق الطلاب لأخذ قياسات طويلة ومستدامه لهذه الدراسات. وفي هذه الدراسة ، استخدم فريقان من الطلاب اثنين من الفرق الضوئية المحمولة بشكل مستقل من غلوب لتتبع التغيرات السنوية واليومية والساعة التي يتسم بها سمك الإيروسول البصري للغلاف الجوي في موقع الدراسة في XULA. وقد تم شراء مقياسي الضوء الشمسي المستخدمين في هذا التحقيق من معهد بحوث علوم الأرض والتعليم ؛ وكان لأحد الرقم التسلسلي RG8-989 والاخر رقم تسلسلي RG8-990). وقبل الجمع بين البيانات الواردة في الصكين ، اجري تحليل للتراجع للتاكد من الاتفاق
Protocol
Representative Results
Discussion
الخطوة الاولي في هذا البروتوكول هي تحديد موقع الدراسة. ويتم ذلك باستخدام نظام تحديد المواقع للعثور علي خط الطول وخط العرض لموقع الدراسة. تعتبر قيم خطوط الطول والعرض حاسمه في حساب AOT باستخدام المعادلة 1. اثناء قياس, هو حاسمه ان الشمس [فوتوميتر] أشرت مباشره وبقوة في الشمس. الثقب الصغير في الشر?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وقد حظي هذا العمل بالدعم المالي من منحه وزاره الدفاع ارو #W911NF-15-1-0510 وجائزه المؤسسة الوطنية للعلوم في اطار المنحة رقم 1411209. ونعرب عن خالص امتناننا لقسم الفيزياء وعلوم الحاسوب وشعبه التعليم في جامعه كزافييه في لويزيانا.
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).
