Messung der Aerosols Optische Dicke der Atmosphäre mit dem GLOBE Handheld Sun Photometer

Summary

Ziel der hier vorgestellten Methoden ist es, die optische Aerosoldicke der Atmosphäre zu messen. Das Sonnenphotometer wird auf die Sonne gerichtet und die größte Spannungsablesung, die auf einem eingebauten digitalen Voltmeter erzielt wird, wird aufgezeichnet. Auch atmosphärische Messungen wie barometrischer Druck und relative Luftfeuchtigkeit werden durchgeführt.

Abstract

Hier beschreiben wir die Messung der optischen Aerosoldicke mit dem Handsonnenphotometer GLOBE. Die optische Aerosoldicke (AOT) wurde an der Xavier University of Louisiana gemessen (XULA, 29.96 ° N, 90,11 ° W und 3 m über dem Meeresspiegel). Die Messungen erfolgten mit zwei verschiedenen Wellenlängen, 505 nm und 625 nm. Die AOT-Messungen wurden 6-mal am Tag durchgeführt (7 Uhr, 9 Uhr, 11 Uhr, Sonnentämittag, 15 Uhr und 17 Uhr). Die Daten, die in diesem Papier gezeigt werden, sind die monatlichen durchschnittlichen AOT-Werte, die am Sonnendmittag genommen werden. Während jeder Messzeit; Für jeden Kanal werden mindestens fünf Werte der Sonnenlichtspannung V und der dunklen Spannung V_dunkel genommen . Der Mittelwert für diese fünf Messungen wird als Durchschnitt für diese Messzeit genommen. Auch andere meteorologische Daten wie Temperatur, Oberflächendruck, Niederschlag und relative Luftfeuchtigkeit werden gleichzeitig gemessen. Das gesamte Protokoll wird innerhalb einer Zeitspanne von 10 – 15 min abgeschlossen. Die gemessenen AOT-Werte bei 505 nm und 625 nm werden dann verwendet, um die AOT-Werte für Wellenlängen 667 nm, 551 nm, 532 nm und 490 nm zu extrapolieren. Die gemessenen und extrapolierten AOT-Werte wurden dann mit den Werten der nächstgelegenen AERONET-Station am Wave CIS Gelände 6 (AERONET, 28,87 ° N, 90.48 ° W und 33 m über dem Meeresspiegel) verglichen, der etwa 96 km südlich von XULA liegt. In dieser Studie haben wir die jährlichen und täglichen Variationen von AOT für einen Zeitraum von 12 Monaten von September 2017 bis August 2018 verfolgt. Wir haben auch die AOT-Daten von zwei unabhängig kalibrierten GLOBE-Handsonnenfotometern am Standort XULA verglichen. Die Daten zeigen, dass sich die beiden Instrumente sehr einig sind.

Introduction

Atmosphärische Aerosole sind winzige feste und flüssige Partikel (von Submikron bis Millimeter Größe), die in der Luft aufgehängt sind. Einige Aerosole werden durch menschliche Aktivität produziert, andere durch natürliche Prozesse 1^,2,^{3, 4.} Aerosole in der Atmosphäre reduzieren die Menge an Sonnenenergie, die die Erdoberfläche erreicht, indem sie Licht und thermische Strahlung von der Sonne streuen oder absorbieren. Die Menge an Aerosol in der Atmosphäre variiert erheblich mit Lage und Zeit. Es gibt saisonale und jährliche Veränderungen sowie episodische Veränderungen aufgrund von Ereignissen wie großen Staubstürmen, Waldbränden oder Vulkanausbrüchen 5^,6^{, 7,8.}

Die Auswirkungen von Aerosolen auf das Klima und die öffentliche Gesundheit gehören zu den vorherrschenden Themen in der aktuellen Umweltforschung. Aerosole beeinflussen das Wetter, indem sie Licht und thermische Strahlung von der Sonne streuen oder absorbieren und als Kondensationskerne bei der Bildung von Wolken wirken. Aerosole spielen auch eine Rolle bei der Ausbreitung von Krankheitserregern in der Luft und können Atemwegs-und Herz-Kreislauf-Erkrankungen verursachen oder verbessern. Aerosol-optische Dicke (AOT) ist ein Maß für die Menge des Sonnenlichts, die von diesen Aerosolen absorbiert oder verstreut wird. Es gibt mehrere bodenbasierte Methoden zur Überwachung von AOT^9,10,11. Das größte bodengestützte AOT-Überwachungssystem ist das Projekt Aerosol Robotic Network (AERONET). AERONET ist ein Netzwerk von über 400 Überwachungsstationen, die sich über 12^,13Uhr verteilen. Trotz dieser großen Zahl von Überwachungsstationen gibt es weltweit immer noch große Lücken, die nicht für AOT überwacht werden. Zum Beispiel ist die nächstgelegene AERONET-Station von unserer Studienstelle etwa 90 km entfernt. In diesem Beitrag wird der Einsatz eines tragbaren Handsonnenphotometers beschrieben, mit dem die Lücken zwischen den AERONET-Überwachungsstationen geschlossen werden können. Das tragbare Handsonnenphotometer ist ein ideales Instrument für Studenten^aufder ganzen Welt in einem globalen Aerosolüberwachungsnetzwerk 14,15^. Das Global Learning and Observations to Benefit the Environment (GLOBE) Programm bietet eine Plattform für ein solches Netzwerk, durch Tausende von Schulen in allen 50 Staaten der Vereinigten Staaten und in fast 120 anderen Ländern 16,¹⁷ . Die Grundidee des GLOBE-Programms ist es, Studenten auf der ganzen Welt zu nutzen, um wissenschaftlich wertvolle Messungen von Umweltparametern mit kostengünstigen Geräten zu liefern. Unter der richtigen Anleitung können Studierende und andere Nicht-Spezialisten Netzwerke von Handsonnenbildphotometern bilden, um die Lücken zwischen den AERONET-Überwachungsstationen zu füllen. Der größte Vorteil des Handsonnenphotometers ist, dass es auch in die entlegensten Teile der Welt gebracht werden kann. AOT-Messungen mit anderen kleinen und transportablen Instrumenten wurden in der Vergangenheit erfolgreich eingesetzt, um Forschungsstudien in abgelegenen und schwer zugänglichen Bereichen17^,18 durchzuführen.

Das Hauptziel dieser Studie ist es, mit den GLOBE-Handsonnenbildfotometern die jährliche, tägliche und stündliche Variation von AOT an unserem XULA-Studienort zu verfolgen und mit Messungen einer nahe gelegenen AERONET-Station zu vergleichen. Dieses Papier stellt Daten für einen Zeitraum von zwölf Monaten von September 2017 bis August 2018 vor. Dies ist die erste AOT, die für die XULA-Website aufgenommen wurde. Das Sonnenphotometer GLOBE misst AOT auf zwei Wellenlängen, 505 nm und 625 nm. Der AERONET-Standort am Wave CIS Site 6 misst AOT mit 15 verschiedenen Wellenlängen. Für unseren Vergleich haben wir uns auf diese 4 Wellenlängen konzentriert, 667 nm, 551 nm, 532 nm und 490 nm. Wir haben uns für diese entschieden, weil es sich um die 4 AERONET-Wellenlängen handelt, die dem GLOBE-Sonnenphotometer am nächsten sind. Um den Vergleich zu ziehen, haben wir AOT-Werte an diesen Wellenlängen für XULA-Standort extrapoliert.

Die Messungen von AOT werden jeden Tag durchgeführt, wenn die Wetterbedingungen es zulassen. Messungen, die bei Zirruswolken in der Nähe der Sonne durchgeführt werden, werden in der Analyse ausgeschlossen. Tabelle 1 zeigt die Anzahl der Tage in jedem Monat, die wir völlig klar hatten. Insgesamt wurden etwa 47% der erfassten Daten ausgeschlossen.

monat	September	Okt	Nov	Dec	Jan	Feb	verderben	Apr	dürfen	Jun	Jul	Aug
Anzahl der Tage	18	20	16	15	15	15	16	15	18	15	15	16

Tabelle 1: Die AOT-Messungen wurden 6 Mal am Tag durchgeführt (7:00, 9 Uhr, 11 Uhr, Sonnennämmung, 3 Uhr und 5 Uhr). Die Daten, die auf den Grundstücken gezeigt werden, sind die monatlichen durchschnittlichen AOT-Werte, die am Sonnendmittag erhoben werden. Während jeder Messzeit; Für jeden Kanal werden mindestens fünf Werte der Sonnenlichtspannung V und der dunklen Spannung V_dunkel genommen . Der Mittelwert für diese fünf Messungen wird als Durchschnitt für diese Messzeit genommen. Der Fehler bei diesen Messungen wird als Standardabweichungen dieser fünf Messungen berechnet. AOT-Werte werden mit der unten gezeigten Gleichung16 erreicht:

V_{0 ist} die Kalibrierungskonstante des Sonnenphotometers, R ist der Erd-Sun-Abstand in astronomischen Einheiten, V dunkel ist die dunkle Spannung, die aufgezeichnet wird, wenn Licht vom Durchschreiten des Lochs auf der oberen Halterung des Sonnenphotometer, V ist die Sonnenlichtspannung, die vom Sonnenphotometer aufgezeichnet wird, wenn das Licht durch das Loch auf der oberen Halterung geht, ein_R stellt die Dämpfung des Lichts durch Rayleigh Streuung, P und P_{0 dar} . Es handelt sich dabei um den gemessenen und den Standard-Luftdruck, und m ist die relative Luftmasse. Die relative Luftmasse wird aus Daten der National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) berechnet. Auch andere meteorologische Daten wie Temperatur, Niederschlag und relative Luftfeuchtigkeit werden gleichzeitig gemessen. Die oben genannte Gleichung 1 beinhaltet die Beiträge der optischen Dicke aus Ozon. Die Wirkung von Ozon auf die AOT-Werte wird anhand von tabellarischen Werten des Ozonabsorptionskoeffizienten und Annahmen über den Ozonwert in der Atmosphäre¹⁹berechnet. Bucholtz^20,21hat tabellarische Werte eines _R auf Basis von Standardatmosphären erzeugt. Für den 505 nm-Kanal ist ein_R “0,13813” und für den 625 nm-Kanal ist es ~ 0,5793.

Die hier vorgestellten Daten sind ein Beispiel dafür, wie Schülerteams organisiert werden können, um lange und nachhaltige AOT-Messungen durchzuführen. In dieser Studie nutzten zwei studentische Teams zwei unabhängig kalibrierte GLOBE-Handsonnenbildfotometer, um die jährliche, tägliche und stündliche Variation der optischen Aerosoldicke der Atmosphäre an unserem XULA-Studienort zu verfolgen. Die beiden Globe-Sonnenfotometer, die bei dieser Untersuchung verwendet wurden, wurden vom IESRE (Institut für Erdwissenschaftliche Forschung und Bildung gekauft; einer hatte die Seriennummer RG8-989 und der andere hatte die Seriennummer RG8-990). Bevor die Daten der beiden Instrumente kombiniert werden konnten, wurde eine Regressionsanalyse durchgeführt, um die Vereinbarung zu ermitteln.

Protocol

1. Photometer-Operation NOTE: Diese Protokolle werden am besten von zwei Personen durchgeführt, die zusammenarbeiten. Eine Person hält und richtet das Sonnenphotometer aus, während die zweite Person die Messungen aufzeichnet. Messen Sie die Länge und den Spielraum für die Website mit GPS. Der erste Schritt vor Ort ist, das GPS zu aktivieren, indem man den Sensoraufbau aus dem Sensormenü wählt und GPS wählt. Sobald GPS genügend Satelliten erworben hat, werden…

Representative Results

Das GLOBE-Sonnenphotometer misst AOT mit einem “5505 nm” und “= 625 nm”. Der AERONET-Standort am Wave CIS Site 6 misst AOT mit 15 verschiedenen Wellenlängen. Für unseren Vergleich haben wir uns auf diese 4 Wellenlängen der AERONET-Website konzentriert: 667 nm, 551 nm, 532 nm und 490 nm. Um einen Vergleich zwischen den beiden Stationen zu ziehen, haben wir AOT mit 667 nm, 551 nm, 532 nm und 490 nm für den XULA-Standort extrapoliert. Dies geschieht mit den Angstro-Koeffizienten der XULA…

Discussion

Der erste Schritt in diesem Protokoll ist die Definition der Studienseite. Dies geschieht über ein GPS, um die Länge und Breite der Studienstelle zu finden. Die Längen-und Breitenwerte sind bei der Berechnung von AOT mit Gleichung 1 entscheidend. Bei der Messung ist es entscheidend, dass das Sonnenphotometer direkt und fest auf die Sonne zeigt. Das winzige Loch an der oberen Halterung des Handsonnenphotometers reduziert die Menge an Streulicht, die die LED-Detektoren im Sonnenphotometer erreicht. Gleichung 1 ist eine …

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.