מדידה של בעובי אירוסולים אופטיים של האטמוספירה באמצעות מחשב כף יד השמש פוטומטר
Summary
מטרת השיטות המוצגות כאן היא למדוד את עובי התרסיס האופטי של האטמוספירה. הפומטר השמש מכוון לשמש והקריאה הגדולה ביותר במתח המתקבלת על גבי מתח דיגיטלי מובנה מוקלטת. מדידות אטמוספריים כגון לחץ ברומטרי ולחות יחסית מתבצעות גם כן.
Abstract
כאן, אנו מתארים את המדידה של עובי תרסיס אופטי באמצעות הגלובוס מחשב כף יד של השמש. עובי תרסיס אופטי (AOT) נמדד באוניברסיטת אקסבייר של לואיזיאנה (XULA, 29.96 ° N, 90.11 ° W ו 3 מ מעל פני הים). המידות נעשו בשני אורכי גל שונים, 505 ננומטר ו 625 nm. מדידות AOT נעשו 6 פעמים ביום (7 בבוקר, 9 בבוקר, 11 בבוקר, בצהריים סולריים, 15:00 ו-17:00). הנתונים המוצגים בנייר זה הם ערכי ה-AOT הממוצעים החודשיים שנלקחו בצהריים סולריים. בכל זמן מדידה; לפחות חמישה ערכים של מתח אור השמש v ו- vכהה מתח כהה נלקחים עבור כל ערוץ. הממוצע לחמש המידות האלה נלקח כהממוצע לזמן המדידה. נתונים מטאורולוגיים אחרים כגון טמפרטורה, לחץ פני השטח, גשמים ולחות יחסית נמדדים גם באותו זמן. הפרוטוקול כולו מושלם בטווח זמן של 10 – 15 דקות. ערכי ה-AOT הנמדדים ב505 ננומטר ו-625 ננומטר משמשים לשער את ערכי ה-AOT עבור אורכי גל 667 nm, 551 nm, 532 nm ו-490 nm. ערכי ה-AOT הנמדדים והמודלים השוו לערכים מתחנת ה-AERONET הקרובה ביותר באתר של Wave CIS 6 (AERONET, 28.87 ° N, 90.48 ° W ו 33 מ מעל פני הים), שהוא כ-96 ק מ מדרום ל-XULA. במחקר זה איתרנו את הווריאציות השנתיות והיומיות של AOT לתקופה של 12 חודשים מספטמבר 2017 ועד אוגוסט 2018. כמו כן, השוונו את נתוני ה-AOT משני פוטומטריים בעלי מחשב כף יד מכוילים באופן עצמאי באתר XULA. הנתונים מראים ששני המכשירים. נמצאים בהסכם מצוין
Introduction
אירוסולים אטמוספריים הם חלקיקים מוצקים ונוזליים לדקה (החל מסאב-מיקרון לגודל מילימטר) המושהה באוויר. אירוסולים מסוימים מיוצרים באמצעות פעילות אנושית ואחרים מיוצרים על ידי תהליכים טבעיים1,2,3,4. אירוסולים באטמוספירה מפחיתים את כמות האנרגיה הסולארית המגיעה למשטח האדמה באמצעות פיזור או קליטת קרינת האור והחום מהשמש. כמות התרסיס באטמוספירה משתנה באופן משמעותי עם המיקום והזמן. ישנם שינויים עונתיים ושנתיים כמו גם שינויים האפיזודי בשל אירועים כגון סופות אבק גדולות, שריפות בר או התפרצויות געשיות5,6,7,8.
ההשפעה של אירוסולים על האקלים ועל בריאות הציבור הם בין הנושאים דומיננטי במחקר הסביבתי הנוכחי. אירוסולים משפיעים על מזג האוויר על-ידי פיזור או קליטת קרינת האור והחום מהשמש והפעלת גרעיני התעבות בהיווצרות העננים. אירוסולים גם לשחק תפקיד בפיזור של פתוגנים באוויר והם יכולים לגרום או לשפר מחלות נשימה וכלי דם. עובי תרסיס אופטי (AOT) הוא מדד לכמות האור השמש הנספג או מפוזר באמצעות אירוסולים אלה. ישנן מספר שיטות מבוססות קרקע לניטור AOT9,10,11. הגדול ביותר של מערכת ניטור AOT המבוססת על הקרקע הוא הפרויקט הרשת של תרסיס רובוטית (AERONET). AERONET היא רשת של מעל 400 תחנות ניטור התפשטה בכל רחבי העולם12,13. למרות המספר הגדול הזה של תחנות ניטור, יש עדיין פערים גדולים ברחבי העולם, כי הם לא מנוטרים עבור AOT. כדוגמה, תחנת ה-AERONET הקרובה ביותר מאתר המחקר שלנו היא כ 90 ק מ משם. נייר זה מתאר את השימוש בפומטר נייד מחשבי כף-יד ניידים שניתן להשתמש בו כדי לגשר על הפערים בין תחנות ניטור AERONET. השמש הניידת של מחשב כף היד הוא כלי אידיאלי לשימוש על ידי סטודנטים ברחבי העולם ברשת בקרת תרסיס העולמי14,15. הלמידה הגלובלית ותצפיות לטובת הסביבה (גלוב) התוכנית מספקת פלטפורמה עבור רשת כזו, דרך אלפי בתי ספר בכל 50 מדינות ארצות הברית וכמעט 120 מדינות אחרות16,17 . הרעיון העיקרי של תוכנית גלוב היא להשתמש בסטודנטים בכל רחבי העולם כדי לספק מדידות יקרי ערך מדעית של פרמטרים סביבתיים באמצעות ציוד זול. עם הנחיה נאותה, סטודנטים ומומחים אחרים יכולים ליצור רשתות של פוטומטי שמש מסוג כף-יד כדי למלא את הפערים בין תחנות הניטור של AERONET. היתרון הגדול ביותר של פומטר השמש הידני הוא כי ניתן לקחת את החלקים המרוחקות ביותר של העולם. מדידות AOT עם מכשירים קטנים אחרים הניתנים להעברה בהצלחה בעבר כדי לבצע לימודי מחקר באזורים מרוחקים וקשים לגישה17,18
המטרה העיקרית של מחקר זה היא להשתמש בפוטומטי השמש של הגלובוס כדי לעקוב אחר השנה השנתית, יומית ושעות של AOT באתר המחקר שלנו XULA ולהשוות עם מדידות מתחנת AERONET סמוכה. מסמך זה מציג נתונים לתקופה של 12 חודשים מספטמבר 2017 ועד אוגוסט 2018. זהו ה-AOT הראשון שנרשם עבור אתר ה-XULA. כדור הארץ השמש מודד AOT בשני אורכי גל, 505 nm ו 625 nm. אתר AERONET באתר Wave CIS 6 מודד AOT ב 15 אורכי גל שונים. עבור ההשוואה שלנו התמקדנו אלה 4 אורכי גל, 667 nm, 551 nm, 532 nm ו 490 nm. בחרנו אלה מכיוון שהם 4 אורכי גל AERONET הקרוב ביותר לעולם האור הפוטר של הגלובוס. כדי לבצע את ההשוואה, שמנו ערכי AOT באורכי גל אלה עבור אתר XULA.
מדידות של AOT נעשים בכל יום כאשר תנאי מזג האוויר מתירים. מדידות שנעשים כאשר יש ענני נוצה בקרבת השמש אינם נכללים בניתוח. טבלה 1 מציגה את מספר הימים בכל חודש שהיה לנו שמיים ברורים לחלוטין. בסך הכל, כ 47% מהנתונים שנלקחו לא נכללו.
| חודש | ספטמבר | Oct | נובמבר | Dec | Jan | Feb | Mar | Apr | מאי | יוני | Jul | Aug |
| מספר הימים | 18 | 20 | 16 | 15 | 15 | 15 | 16 | 15 | 18 | 15 | 15 | 16 |
טבלה 1: מדידות AOT נעשו 6 פעמים ביום (7:00 am, 9 בבוקר, 11 בבוקר, בצהריים סולריים, 3 בבוקר, ו-5 בבוקר). הנתונים המוצגים על המגרשים הם ערכי ה-AOT הממוצעים החודשיים שנלקחו בצהריים הסולריים. בכל זמן מדידה; לפחות חמישה ערכים של מתח אור השמש v ו- vכהה מתח כהה נלקחים עבור כל ערוץ. הממוצע לחמש המידות האלה נלקח כהממוצע לזמן המדידה. השגיאה במידות אלה מחושבת כסטיות סטנדרטיות של חמש מדידות אלה. ערכי AOT מתקבלים באמצעות המשוואה המוצגת להלן16:
V0 הוא קבוע כיול של פומטר השמש, R הוא מרחק כדור הארץ ביחידות אסטרונומיות, Vdark הוא מתח כהה הקליט כאשר האור נחסם לעבור דרך החור על החלק העליון של ה אור השמש, V הוא מתח האור השמש הקליט מתוך השמש פומטר כאשר התאורה עובר דרך החור על הסוגר העליון, R מייצג את הנחת האור בשל פיזור ריילי, p ו- p0 הן הלחץ האטמוספרי הנמדד והסטנדרטי, בהתאמה, ו- m היא מסת האוויר היחסית. מסת האוויר היחסית מחושבת מתוך נתונים שסופקו על ידי מינהל האוקיינוסים והאטמוספירה הלאומי (NOAA). נתונים מטאורולוגיים אחרים כגון טמפרטורה, גשמים ולחות יחסית נמדדים גם הם באותו זמן. משוואה 1 כפי שניתן לעיל כוללת את התרומות של עובי אופטי מאוזון. השפעת האוזון על ערכי AOT מחושבת בהתבסס על הערכים המוטבתים של מקדם ספיגת האוזון והנחות על כמות האוזון באטמוספירה19. בוכולץ20,21 הפיק ערכים טבלתים של R מבוסס על אטמוספרות סטנדרטית. לערוץ 505 ננומטר aR ≈ 0.13813 ולערוץ 625 ננומטר הוא ~ 0.05793.
הנתונים המוצגים כאן מייצגים דוגמה לאופן הארגון של קבוצות תלמידים לקחת מדידות AOT ארוכות ומתמשכת. במחקר זה, שתי קבוצות סטודנטים השתמשו בשני באופן עצמאי מכויל הגלובוס השמש פוטומטריים לעקוב אחר השנתי, יום יומית וריאציה של עובי תרסיס אופטי של האטמוספירה באתר המחקר שלנו XULA. שני פומטרים השמש של הגלובוס בשימוש בחקירה הזאת נרכשו מ-המכון לחקר כדור הארץ מדעי והשכלה; אחד היה מספר סידורי RG8-989 והשני היה מספר סידורי RG8-990). לפני שניתן יהיה לשלב את הנתונים משני המכשירים, ניתוח רגרסיה בוצע כדי לוודא את ההסכם
Protocol
Representative Results
Discussion
הצעד הראשון בפרוטוקול זה הוא להגדיר את אתר המחקר. פעולה זו מתבצעת באמצעות GPS כדי למצוא את קו האורך ואת קו הרוחב של אתר המחקר. ערכי האורך והרוחב הם קריטיים בחישוב AOT באמצעות משוואה 1. במהלך המדידה, הכרחי שהפומטר השמש יהיה מכוון ישירות ויציב לשמש. החור הזעיר בחלק העליון של הפומטר כף השמש מפחית א…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
העבודה הזאת נתמכת מבחינה פיננסית על ידי המענק של משרד ההגנה הW911NF-15-1-0510 והמדע הלאומי לחקר הקרן הלאומית למדעי המדינה תחת גרנט מס ‘ 1411209. אנו מבטאים את הכרת התודה הכנה שלנו לפיסיקה ומדעי המחשב ולחטיבה לחינוך באוניברסיטת אקסבייר.
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).
