Måling af Aerosols optiske tykkelse af atmosfæren ved hjælp af GLOBE handheld sol fotometer

Summary

Målet med de metoder, der præsenteres her er at måle aerosol optisk tykkelse af atmosfæren. Solfotometret peges på solen, og den største spændings aflæsning, der opnås på et indbygget digitalt voltmeter, registreres. Atmosfæriske målinger såsom barometertryk og relativ luftfugtighed udføres også.

Abstract

Her beskriver vi målingen af aerosoler optisk tykkelse ved hjælp af GLOBE håndholdte solfotometer. Aerosol optisk tykkelse (AOT) blev målt ved Xavier University of Louisiana (XULA, 29,96 ° N, 90,11 ° W og 3 m over havoverfladen). Målingerne blev udført på to forskellige bølgelængder, 505 nm og 625 nm. AOT målinger blev udført 6 gange om dagen (7 AM, 9 AM, 11 AM, sol middag, 3 PM og 5 PM). De data, der er vist i dette papir er de månedlige gennemsnit AOT værdier taget ved sol middag. Under hver målingstidspunkt; der tages mindst fem værdier af solens spænding v og den mørke spænding v_mørk for hver kanal. Middelværdien for disse fem målinger er taget som gennemsnittet for den pågældende måleperiode. Andre meteorologiske data såsom temperatur, overflade tryk, nedbør og relativ luftfugtighed måles også på samme tid. Hele protokollen er afsluttet inden for en tidshorisont på 10 – 15 min. De målte AOT-værdier ved 505 nm og 625 nm bruges derefter til at ekstrapolere AOT-værdierne for bølgelængder 667 nm, 551 nm, 532 nm og 490 nm. De målte og ekstra polerede AOT-værdier blev derefter sammenlignet med værdier fra den nærmeste AERONET-Station ved Wave CIS-stedet 6 (AERONET, 28,87 ° N, 90,48 ° W og 33 m over havoverfladen), som er ca. 96 km syd for XULA. I denne undersøgelse sporede vi de årlige og daglige variationer af AOT i en 12 måneders periode fra september 2017 til august 2018. Vi sammenlignede også AOT data fra to uafhængigt kalibrerede GLOBE håndholdte solfotometre på XULA stedet. Dataene viser, at de to instrumenter er i fremragende enighed.

Introduction

Atmosfæriske aerosoler er minut solide og flydende partikler (fra submikron til millimeter størrelse) suspenderet i luften. Nogle aerosoler er produceret gennem menneskelig aktivitet og andre er produceret af naturlige processer^1,2,3,4. Aerosoler i atmosfæren reducerer mængden af solenergi, der når jordens overflade ved at sprede eller absorbere lys og termisk stråling fra solen. Mængden af aerosol i atmosfæren varierer betydeligt med placering og tid. Der er sæsonbetingede og årlige ændringer samt episodiske ændringer som følge af begivenheder såsom store støvstorme, vilde brande eller vulkanudbrud^5,6,7,8.

Aerosoler indvirkning på klimaet og folkesundheden er blandt de dominerende emner i den aktuelle miljø forskning. Aerosoler påvirker vejret ved at sprede eller absorbere lys og termisk stråling fra solen og ved at optræde som kondens kerner i dannelsen af skyer. Aerosoler spiller også en rolle i spredningen af patogener i luften, og de kan forårsage eller forbedre respiratoriske og hjerte-kar-sygdomme. Aerosol optisk tykkelse (AOT) er et mål for mængden af sollys, der absorberes eller spredes af disse aerosoler. Der er flere jordbaserede metoder til overvågning af AOT^9,10,11. Det største af det jordbaserede AOT-overvågningssystem er aerosol Robotic Network (AERONET)-projektet. Aeronet er et netværk af over 400 overvågningsstationer spredt over hele verden^12,13. På trods af dette store antal overvågningsstationer er der stadig store huller på verdensplan, som ikke overvåges for AOT. Som et eksempel, den nærmeste AERONET Station fra vores studie site er omkring 90 km væk. Dette papir beskriver brugen af en bærbar håndholdt solfoto måler, der kan bruges til at bygge bro mellem hullerne mellem AERONET-overvågnings stationerne. Den bærbare håndholdte sol fotometer er et ideelt instrument til brug for studerende over hele verden i et globalt aerosoler overvågningsnetværk^14,15. Den globale læring og observationer til gavn for miljøet (Globe) program giver en platform for et sådant netværk, gennem tusindvis af skoler i alle 50 stater i USA og i næsten 120 andre lande^16,17 . Den primære idé med GLOBE-programmet er at bruge studerende over hele verden til at levere videnskabeligt værdifulde målinger af miljøparametre ved hjælp af billigt udstyr. Med passende vejledning kan studerende og andre ikke-specialister danne netværk af håndholdte solfotometre for at udfylde hullerne mellem AERONET-overvågnings stationerne. Den største fordel ved den håndholdte sol fotometer er, at det kan tages til selv de fjerdeste dele af verden. AOT målinger med andre små og transportable instrumenter er blevet anvendt med succes i fortiden til at udføre forskningsundersøgelser i fjerntliggende og svært tilgængelige områder^17,18

Hovedformålet med denne undersøgelse er at bruge GLOBE håndholdte solfotometre til at spore den årlige, daglige og timelige variation af AOT på vores XULA-studiested og sammenligne med målinger fra en nærliggende AERONET-Station. Dette dokument præsenterer data for en 12 måneders periode fra september 2017 til august 2018. Dette er den første APPLIKATIONSOBJEKTTRÆET nogensinde registreret for XULA site. GLOBE solen fotometer måler AOT ved to bølgelængder, 505 nm og 625 nm. AERONET-webstedet på Wave CIS site 6 måler AOT ved 15 forskellige bølgelængder. Til vores sammenligning fokuserede vi på disse 4 bølgelængder, 667 nm, 551 nm, 532 nm og 490 nm. Vi valgte disse, fordi de er de 4 aeronet bølgelængder tættest på Globe solen fotomtret bølgelængder. For at gøre sammenligningen, vi ekstrapoleret AOT værdier på disse bølgelængder for XULA site.

Der udføres målinger af AOT hver dag, når vejrforholdene tillader det. Målinger, der udføres, når der er cirrusskyer i nærheden af solen, er udelukket i analysen. Tabel 1 viser antallet af dage i hver måned, som vi havde helt klar himmel. I alt blev ca. 47% af de indsamlede data udelukket.

Måned	September	Oktober	November	December	Jan	Februar	Mar	Apr	Kan	Juni	Jul	August
Antal dage	18	20	16	15	15	15	16	15	18	15	15	16

Tabel 1: AOT målinger blev udført 6 gange om dagen (7:00 am, 9 am, 11 am, sol middag, 3 am, og 5 am). De data, der vises på observationsområderne, er de månedlige gennemsnitlige AOT-værdier taget ved sol middag. Under hver målingstidspunkt; der tages mindst fem værdier af solens spænding v og den mørke spænding v_mørk for hver kanal. Middelværdien for disse fem målinger er taget som gennemsnittet for den pågældende måleperiode. Fejlen i disse målinger beregnes som standardafvigelserne for disse fem målinger. AOT-værdier opnås ved hjælp af ligningen vist under¹⁶:

V₀ er kalibrerings konstanten af solen photometer, R er jorden-sol afstand i astronomiske enheder, V_mørk er den mørke spænding registreres, når lyset er blokeret fra passerer gennem hullet på den øverste beslag af Sol fotomtret, V er den sollys spænding optaget fra solen fotometer når lyset passerer gennem hullet på den øverste beslag, en_R repræsenterer dæmpning af lys på grund af Rayleigh spredning, p og p₀ er henholdsvis det målte og det standard atmosfæriske tryk, og m er den relative luftmasse. Den relative luftmasse beregnes ud fra data fra den nationale oceaniske og atmosfæriske administration (NOAA). Andre meteorologiske data såsom temperatur, regn og relativ luftfugtighed måles også på samme tid. Ligning 1 som angivet ovenfor omfatter bidrag af optisk tykkelse fra ozon. Effekten af ozon på AOT værdier beregnes på grundlag af tabulerede værdier af ozon absorptionskoefficienten og antagelser om ozon mængden i atmosfæren¹⁹. Bucholtz^20,21 har produceret tabulerede værdier af en_R baseret på standard atmosfærer. For 505 nm kanalen a_R ≈ 0,13813 og for 625 nm kanalen er det ~ 0,05793.

De data, der præsenteres her, er et eksempel på, hvordan teams af elever kan organiseres for at tage lange og vedvarende AOT-målinger. I denne undersøgelse brugte to elevhold to uafhængigt kalibrerede GLOBE håndholdte solfotometre til at spore den årlige, daglige og timelige variation af atmosfærens optiske tykkelse på vores XULA-studiested. De to Globe Sun-fotometre, der blev anvendt i denne undersøgelse, blev købt hos IESRE (Institut for Earth Science Research and Education; en havde serienummer RG8-989, og den anden havde serienummer RG8-990). Før data fra de to instrumenter kunne kombineres, blev der foretaget en regressionsanalyse for at fastslå, om aftalen

Protocol

1. photometer drift Bemærk: Disse protokoller udføres bedst af to personer, der arbejder sammen. En person holder og justerer solens fotometer, mens den anden person registrerer målingerne. Mål længde-og breddegrad for webstedet ved hjælp af GPS. På stedet er det første skridt at aktivere GPS’EN ved at vælge sensor opsætning i sensor menuen og vælge GPS. Når GPS har fået nok satellitter, vil der blive vist værdier for breddegrad og længdegrad. Når væ…

Representative Results

GLOBE solen fotometer måler AOT ved λ = 505 nm og λ = 625 nm. AERONET-webstedet på Wave CIS site 6 måler AOT ved 15 forskellige bølgelængder. Til vores sammenligning fokuserede vi på disse 4 bølgelængder af AERONET site: 667 nm, 551 nm, 532 nm og 490 nm. For at foretage en sammenligning mellem de to stationer, vi ekstrapoleret AOT ved 667 nm, 551 nm, 532 nm og 490 nm for XULA site. Dette gøres ved hjælp af XULA-webstedets Angstrom-koefficienter. For et givet sted og instrument…

Discussion

Det første skridt i denne protokol er at definere undersøgelsesstedet. Dette gøres ved at bruge en GPS til at finde længde-og breddegrad af undersøgelsen site. Værdierne for længdegrad og breddegrad er afgørende i beregningen af AOT ved hjælp af ligning 1. Under målingen er det afgørende, at solens fotometer peger direkte og solidt på solen. Det lille hul i topbeslaget på den håndholdte solfotometer reducerer mængden af spredt lys, der når LED-detektorerne i solens fotometer. Ligning 1 er en tilnærmelse,…

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.