Meting van aërosolen optische dikte van de atmosfeer met behulp van de GLOBE handheld zon fotometer
Summary
Het doel van de hier voorgestelde methodes is de optische dikte van het aërosol van de atmosfeer te meten. De zon fotometer is gericht op de zon en de grootste spanning te lezen verkregen op een ingebouwde digitale opdruk volt wordt geregistreerd. Atmosferische metingen zoals barometerdruk en relatieve vochtigheid worden ook uitgevoerd.
Abstract
Hier beschrijven we de meting van Aerosol optische dikte met behulp van de GLOBE handheld zon fotometer. Aerosol optische dikte (AOT) werd gemeten aan de Xavier University of Louisiana (XULA, 29,96 ° N, 90,11 ° W en 3 m boven de zeespiegel). De metingen werden gedaan op twee verschillende golflengten, 505 nm en 625 nm. De AOT-metingen werden 6 keer per dag gedaan (7 AM, 9 AM, 11 uur, Solar Noon, 15:00 en 17.00 uur). De gegevens in dit document zijn de maandelijkse gemiddelde AOT-waarden genomen op Solar Noon. Tijdens elke meettijd; ten minste vijf waarden van het zonlicht voltage v en de donkere voltage vDark worden genomen voor elk kanaal. Het gemiddelde voor deze vijf metingen wordt genomen als gemiddeld voor die meettijd. Ook andere meteorologische gegevens zoals temperatuur, oppervlakte druk, regenval en relatieve vochtigheid worden gelijktijdig gemeten. Het gehele protocol wordt binnen een tijdspanne van 10-15 min. voltooid. De gemeten AOT-waarden bij 505 nm en 625 nm worden vervolgens gebruikt om de AOT-waarden te extrapoleren voor golflengten 667 nm, 551 nm, 532 nm en 490 nm. De gemeten en geëxtrapoleerde AOT waarden werden vervolgens vergeleken met waarden van de dichtstbijzijnde AERONET station op Wave CIS site 6 (AERONET, 28,87 ° N, 90,48 ° W en 33 m boven de zeespiegel), dat is ongeveer 96 km ten zuiden van XULA. In deze studie hebben we bijgehouden van de jaarlijkse en dagelijkse variaties van AOT voor een periode van 12 maanden van 2017 september tot en met augustus 2018. We hebben ook vergeleken AOT gegevens van twee onafhankelijk gekalibreerd GLOBE handheld zon fotometers op de XULA site. Uit de gegevens blijkt dat de twee instrumenten in uitstekende overeenstemming zijn.
Introduction
Atmosferische aërosolen zijn minieme stevige en vloeibare deeltjes (die zich van submicron aan millimeter grootte uitstrekken) die in de lucht worden opgeschort. Sommige aërosolen worden geproduceerd door menselijke activiteit en anderen worden geproduceerd door natuurlijke processen1,2,3,4. Aërosolen in de atmosfeer verminderen de hoeveelheid zonne-energie bereiken van het aardoppervlak door verstrooiing of absorberen van licht en thermische straling van de zon. De hoeveelheid aërosol in de atmosfeer varieert aanzienlijk met locatie en tijd. Er zijn seizoengebonden en jaarlijkse veranderingen evenals episodische veranderingen toe te schrijven aan gebeurtenissen zoals grote stof onweren, wilde branden of vulkanische uitbarstingen5,6,7,8.
Het effect van aërosolen op het klimaat en op de volksgezondheid behoren tot de dominante onderwerpen in het huidige milieuonderzoek. De aërosols beïnvloeden het weer door lichte en thermische straling van de zon te verstrooien of te absorberen en door als condensatie kernen in de vorming van wolken te handelen. Aërosolen spelen ook een rol in de verspreiding van pathogenen in de lucht en ze kunnen veroorzaken of te verbeteren respiratoire en hart-en vaatziekten. Aerosol optische dikte (AOT) is een maat voor de hoeveelheid zonlicht die wordt geabsorbeerd of verspreid door deze aërosolen. Er zijn verschillende methoden op de grond voor het toezicht op AOT9,10,11. De grootste van de grond-based AOT monitoring systeem is de Aerosol Robotic Network (AERONET) project. AERONET is een netwerk van meer dan 400 monitoringstations verspreid over de hele wereld12,13. Ondanks dit grote aantal controleposten, zijn er nog grote hiaten wereldwijd die niet voor AOT worden gecontroleerd. Als voorbeeld, de dichtstbijzijnde AERONET station van onze studie site is ongeveer 90 km afstand. Deze paper beschrijft het gebruik van een draagbare handheld zon fotometer die kan worden gebruikt om de kloof tussen AERONET monitoringstations brug. De draagbare handheld Sun fotometer is een ideaal instrument voor gebruik door studenten over de hele wereld in een wereldwijde aerosol monitoring netwerk14,15. De wereldwijde leer-en observaties ten voordele van het milieu (Globe) programma biedt een platform voor een dergelijk netwerk, door middel van duizenden scholen in alle 50 staten van de Verenigde Staten en in bijna 120 andere landen16,17 . Het belangrijkste idee van de GLOBE programma is om studenten te gebruiken over de hele wereld om wetenschappelijk waardevolle metingen van het milieu parameters met behulp van goedkope apparatuur te bieden. Met de juiste begeleiding, kunnen studenten en andere niet-specialist vormen netwerken van handheld zon fotometers om de lacunes tussen de AERONET monitoringstations te vullen. Het grootste voordeel van de handheld zon fotometer is dat het kan worden genomen om zelfs de meest afgelegen delen van de wereld. AOT-metingen met andere kleine en vervoerbare instrumenten zijn in het verleden met succes gebruikt om onderzoek te verrichten in afgelegen en moeilijk toegankelijke gebieden17,18
Het belangrijkste doel van deze studie is om de GLOBE handheld zon fotometers te gebruiken om de jaarlijkse, dagelijkse en uurloon variatie van AOT track op onze XULA studie site en vergelijken met metingen van een nabijgelegen AERONET station. Deze paper presenteert gegevens voor een periode van 12 maanden van 2017 september tot 2018 augustus. Dit is de allereerste AOT opgenomen voor de XULA site. De GLOBE zon fotometer maatregelen AOT op twee golflengten, 505 nm en 625 nm. De AERONET site op Wave CIS site 6 maatregelen AOT op 15 verschillende golflengten. Voor onze vergelijking hebben we ons geconcentreerd op deze 4 golflengten, 667 nm, 551 nm, 532 nm en 490 nm. We kozen deze omdat ze de 4 AERONET golflengten het dichtst bij de GLOBE zon fotometer golflengten. Om de vergelijking te maken, extrapoleren wij AOT waarden bij deze golflengten voor XULA plaats.
De metingen van AOT worden gedaan elke dag wanneer de weersomstandigheden toelaten. Metingen die worden gedaan wanneer er cirruswolken in de nabijheid van de zon zijn uitgesloten in de analyse. Tabel 1 toont het aantal dagen in elke maand dat we volledig helder luchten hadden. Totaal werd ongeveer 47% van de genomen gegevens uitgesloten.
| Maand | September | Oktober | November | Dec | Januari | Februari | Mar | Apr | Kan | Jr | Jul | Augustus |
| Aantal dagen | 18 | 20 | 16 | 15 | 15 | 15 | 16 | 15 | 18 | 15 | 15 | 16 |
Tabel 1: de AOT-metingen werden 6 keer per dag uitgevoerd (7:00 am, 9 am, 11 uur, Solar Noon, 3 uur en 5 uur). De gegevens op de percelen zijn de maandelijkse gemiddelde AOT-waarden genomen op Solar Noon. Tijdens elke meettijd; ten minste vijf waarden van het zonlicht voltage v en de donkere voltage vDark worden genomen voor elk kanaal. Het gemiddelde voor deze vijf metingen wordt genomen als gemiddeld voor die meettijd. De fout in deze metingen wordt berekend als de standaarddeviaties van deze vijf metingen. AOT-waarden worden verkregen met de vergelijking die onder16wordt weergegeven:
V0 is de kalibratie constante van de zon fotometer, R is de aarde-zon afstand in astronomische eenheden, vDark is de donkere spanning geregistreerd wanneer het licht wordt geblokkeerd door het gat op de bovenste beugel van de zon fotometer, V is het zonlicht spanning opgenomen van de zon fotometer wanneer het licht gaat door het gat op de bovenste beugel, eenR vertegenwoordigt de demping van het licht als gevolg van Rayleigh verstrooiing, p en p0 zijn de gemeten en standaard atmosferische druk, respectievelijk, en m is de relatieve luchtmassa. De relatieve luchtmassa wordt berekend op basis van gegevens die door de National Oceanic and atmosferisch Administration (NOAA) worden verstrekt. Ook andere meteorologische gegevens zoals temperatuur, regenval en relatieve vochtigheid worden gelijktijdig gemeten. Vergelijking 1 zoals hierboven vermeld omvat de bijdragen van optische dikte van ozon. Het effect van ozon op AOT-waarden wordt berekend op basis van tabel waarden van de ozon absorptiecoëfficiënt en veronderstellingen over het ozongehalte in de atmosfeer19. Bucholtz20,21 heeft geproduceerd tabel waarden van eenR op basis van standaard atmosferen. Voor de 505 nm kanaal aR ≈ 0,13813 en voor de 625 nm kanaal is het ~ 0,05793.
De hier gepresenteerde gegevens is een voorbeeld van hoe teams van studenten kunnen worden georganiseerd om lange en aanhoudende AOT metingen te nemen. In deze studie, twee studententeams gebruikt twee onafhankelijk gekalibreerd GLOBE handheld zon fotometers om de jaarlijkse, dagelijkse en uurloon variatie van de aerosol optische dikte van de atmosfeer op onze XULA studie site. De twee Globe zon fotometers gebruikt in dit onderzoek werden gekocht bij de IESRE (Instituut voor Aardwetenschappen onderzoek en onderwijs; een had serienummer RG8-989 en de andere had serienummer RG8-990). Voordat de gegevens van de twee instrumenten zouden kunnen worden samengevoegd, werd een regressieanalyse uitgevoerd om de overeenkomst
Protocol
Representative Results
Discussion
De eerste stap in dit protocol is het definiëren van de studie site. Dit wordt gedaan met behulp van een GPS om de lengte-en breedtegraad van de studie site te vinden. De lengte-en breedte waarden zijn van cruciaal belang bij de berekening van AOT met vergelijking 1. Tijdens de meting, is het cruciaal dat de zon fotometer is direct en stevig gericht op de zon. Het kleine gaatje op de bovenste beugel van de handheld zon fotometer vermindert de hoeveelheid verspreid licht het bereiken van de LED-detectoren in de zon fotom…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd financieel ondersteund door de DOD ARO Grant #W911NF-15-1-0510 en National Science Foundation Research initiatie Awards onder Grant No. 1411209. We uiten onze oprechte dankbaarheid aan de fysica en informatica afdeling en de afdeling van het onderwijs aan de Xavier University of Louisiana.
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).
