GLOBE Handheld Sun Photometer kullanarak atmosferin aerosoller optik kalınlığı ölçümü
Summary
Burada sunulan yöntemlerin amacı, atmosferin aerosol optik kalınlığını ölçmek. Güneş fotometre güneşte işaret edilir ve dahili bir Dijital Voltmetre üzerinde elde edilen en büyük voltaj okuma kaydedilir. Barometrik basınç ve bağıl nem gibi atmosferik ölçümler de gerçekleştirilir.
Abstract
Burada, GLOBE Handheld güneş fotometresini kullanarak aerosol optik kalınlığının ölçümünü tarif ediyoruz. Aerosol optik kalınlığı (AOT) Louisiana Xavier Üniversitesi ‘nde ölçülmüştür (XULA, 29,96 ° N, 90,11 ° W ve deniz seviyesinden 3 m). Ölçümler, 505 nm ve 625 nm gibi iki farklı dalga boyunda yapıldı. AOT ölçümleri günde 6 kez yapıldı (7, 9, 11, Güneş öğlen, 3 PM ve 5 PM). Bu yazıda gösterilen veriler, öğleden sonra alınan aylık ortalama AOT değerleridir. Her ölçüm süresi boyunca; Her kanal için güneş ışığı voltajı v ve karanlık voltaj vkoyu en az beş değer alınır. Bu beş ölçümlerin ortalaması, bu ölçüm süresi için Ortalama olarak alınır. Sıcaklık, yüzey basıncı, yağış ve bağıl nem gibi diğer meteorolojik veriler de aynı anda ölçülür. Tüm protokol 10 – 15 dakikalık bir zaman aralığında tamamlanır. 505 nm ve 625 nm ‘de ölçülen AOT değerleri daha sonra dalga boyu 667 Nm, 551 Nm, 532 nm ve 490 nm için AOT değerlerini almak için kullanılır. Ölçülen ve ekstrapole AOT değerleri daha sonra dalga BDT site 6 en yakın Aeronet İstasyonu değerleri ile karşılaştırıldığında (Aeronet, 28,87 ° N, 90,48 ° W ve 33 m deniz seviyesinden), hangi yaklaşık 96 km güneyinde xula. Bu çalışmada Eylül 2017-Ağustos 2018 tarihleri arasında 12 ay süreyle AOT yıllık ve günlük varyasyonları izleniyor. Ayrıca XULA sitesinde bağımsız olarak kalibre edilmiş GLOBE Handheld güneş fotometrelerinden AOT verilerini karşılaştırdık. Veri, iki enstrüman mükemmel anlaşmada olduğunu göstermektedir.
Introduction
Atmosferik aerosoller, havada askıya alınan, dakika katı ve sıvı parçacıklar (Mikronaltı ‘dan milimetre boyutuna kadar). Bazı aerosoller insan aktivitesi ile üretilir ve diğerleri doğal süreçler1,2,3,4tarafından üretilmektedir. Atmosferdeki aerosoller, güneşten gelen ışık ve Termal radyasyonu saçarak veya emici olarak dünyanın yüzeyine ulaşan güneş enerjisi miktarını azaltır. Atmosferde aerosol miktarı konum ve zaman ile önemli ölçüde değişir. Büyük toz fırtınaları, vahşi yangınlar veya volkanik patlamalar5,6,7,8gibi olaylar nedeniyle mevsimsel ve yıllık değişikliklerin yanı sıra epizodik değişiklikler vardır.
Aerosollerin iklim ve kamu sağlığı üzerindeki etkisi, mevcut çevresel araştırmalarda baskın konular arasındadır. Aerosoller, güneşten ve bulutların oluşumunda yoğuşma çekirdekleri olarak hareket ederek, ışığı ve ısı ışınlarını saçılma veya emici ile hava durumunu etkiler. Aerosoller Ayrıca havadaki patojenlerin dağılmasına da rol oynar ve solunum ve kardiyovasküler hastalıklara neden olabilir ya da geliştirebilir. Aerosol optik kalınlığı (AOT) bu aerosoller tarafından absorbe edilen veya dağılmış güneş ışığı miktarının bir ölçüsüdür. AOT9,10,11izleme için çeşitli zemin tabanlı yöntemler vardır. Zemin bazlı AOT izleme sisteminin en büyüğü aerosol robotik ağ (AERONET) projesidir. Aeronet dünya12,13üzerinde yayılmış 400 üzerinde izleme istasyonları bir ağıdır. Bu çok sayıda izleme istasyonuna rağmen, dünya çapında AOT için izlenmeyen büyük boşluklar hala vardır. Örnek olarak, çalışma sitemiz en yakın AERONET İstasyonu yaklaşık 90 km uzaklıktadır. Bu yazıda AERONET izleme istasyonları arasındaki boşlukları köprü için kullanılabilecek bir taşınabilir el güneş fotometre kullanımı açıklanmaktadır. Taşınabilir el güneş fotometresi, dünya çapındaki öğrenciler tarafından küresel aerosol izleme ağında14,15olarak kullanılmak üzere ideal bir araçtır. Küresel öğrenme ve gözlemler çevre (Globe) programı yararlanmak için böyle bir ağ için bir platform sağlar, Amerika Birleşik Devletleri tüm 50 Devletlerde okullar binlerce ve yaklaşık 120 diğer ülkelerde16,17 . GLOBE programının birincil fikri, ucuz ekipman kullanarak çevresel parametrelerin bilimsel olarak değerli ölçümleri sağlamak için tüm dünyada öğrencileri kullanmaktır. Uygun rehberlik ile, öğrenciler ve diğer uzman olmayan AERONET izleme istasyonları arasındaki boşlukları doldurmak için el güneş Fotometreler ağları oluşturabilirler. El güneş fotometresinin en büyük avantajı, dünyanın en uzak bölgelerine bile alınabilmek. Diğer küçük ve taşınabilir enstrümanlar ile AOT ölçümleri başarılı bir şekilde geçmişte araştırma çalışmaları yürütmek için kullanılan uzak ve zor erişim alanları17,18
Bu çalışmanın ana amacı, XULA çalışma sitemiz olan AOT ‘un yıllık, günlük ve saatlik varyasyonunu takip etmek ve yakındaki bir AERONET istasyonundan ölçümlerle karşılaştırmak için GLOBE el güneş fotometreleri kullanmaktır. Bu yazıda Eylül 2017 Ağustos 2018 için 12 ay süre için veri sunar. Bu XULA sitesi için kaydedilen ilk AOT olduğunu. GLOBE güneş fotometre iki dalga boyu AOT önlemler, 505 nm ve 625 Nm. Wave CIS sitesi 6 ‘ da AERONET sitesi 15 farklı dalga boylarında AOT önlemleri aldı. Biz bu 4 dalga boyu, 667 Nm, 551 Nm, 532 nm ve 490 nm odaklı bizim karşılaştırma için. Onlar GLOBE güneş fotometre dalga boyu en yakın 4 AERONET dalga boyları olduğu için bu seçti. Karşılaştırma yapmak için, biz xula site için bu dalga boylarında AOT değerleri ekstrapole.
AOT ölçümleri, hava koşullarına izin verdiğinde her gün yapılır. Güneş civarında Cirrus bulutları olduğunda yapılan ölçümler analizinde hariç tutulur. Tablo 1 her ay tamamen açık gökyüzü vardı gün sayısını gösterir. Toplam, yaklaşık 47% alınan verilerin dışlandı.
| Ay | Eylül | Ekim | Kasım | Aralık | Ocak | Şubat | Mart | Nisan | Olabilir | Haz | Temmuz | Ağustos |
| Gün sayısı | 18 | 20 | 16 | 15 | 15 | 15 | 16 | 15 | 18 | 15 | 15 | 16 |
Tablo 1: AOT ölçümleri günde 6 kez yapıldı (7:00, 9, 11, Güneş öğlen, 3, ve 5 am). Grafiklerde gösterilen veriler, öğleden sonra alınan aylık ortalama AOT değerleridir. Her ölçüm süresi boyunca; Her kanal için güneş ışığı voltajı v ve karanlık voltaj vkoyu en az beş değer alınır. Bu beş ölçümlerin ortalaması, bu ölçüm süresi için Ortalama olarak alınır. Bu ölçümlerde hata, bu beş ölçümlerin standart sapmaları olarak hesaplanır. AOT değerleri16aşağıda gösterilen denklem kullanılarak elde edilir:
V0 güneş fotometre kalibrasyon sabiti, R astronomik birimler Dünya Güneş mesafesi, VDark ışık üst Braketinin üzerinde delik geçerek bloke olduğunda kaydedilen karanlık voltaj Güneş fotometre, V ışık üst Braketinin üzerinde delik geçtiğinde güneş fotometresi kaydedilen güneş ışığı voltajı, birR Rayleigh saçılma nedeniyle ışığın zayıflatma temsil, p ve p0 ölçülen ve standart atmosferik basınç, sırasıyla, ve m göreli hava kütlesi. Göreli hava kütlesi, Ulusal Okyanus ve atmosferik Yönetim (NOAA) tarafından sağlanan verilerden hesaplanır. Sıcaklık, yağış ve bağıl nem gibi diğer meteorolojik veriler de aynı anda ölçülür. Denklem 1 yukarıda verilen gibi ozon optik kalınlığı katkıları içerir. Ozon AOT değerlerine etkisi, ozon emilimi katsayısı ve atmosferdeki ozon miktarı hakkında varsayımların tablolanmış değerlere göre hesaplanır19. Bucholtz20,21 standart atmosferlere dayalı birR tablo değerleri üretti. 505 nm kanalı için aR ≈ 0,13813 ve 625 nm kanal için ~ 0,05793.
Burada sunulan veriler, uzun ve sürekli AOT ölçümleri almak için öğrencilerin ekiplerinin nasıl düzenleneceği konusunda bir örnek oluşturmaktadır. Bu çalışmada, iki öğrenci takımı, XULA çalışma sitemiz atmosferin aerosol optik kalınlığının yıllık, günlük ve saatlik varyasyonunu izlemek için bağımsız olarak kalibre edilmiş GLOBE el güneş fotometreleri kullandı. Bu soruşturmada kullanılan iki Globe güneş fotometreleri IRE (Dünya Bilimi Araştırma ve Eğitim Enstitüsü; bir seri numarası RG8-989 ve diğer seri numarası RG8-990 vardı) satın alındı. İki aletten gelen veriler birleştirilmeden önce, sözleşmeyi tespit etmek için bir regresyon analizi gerçekleştirildi
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu protokoldeki ilk adım, çalışma sitesini tanımlamaktır. Bu, çalışma sitesinin boylam ve enlem bulmak için bir GPS kullanılarak yapılır. Boylam ve enlem değerleri, denklem 1 ‘ i kullanarak AOT hesaplamasında önemlidir. Ölçüm sırasında, Güneş fotometresinin güneşe doğrudan ve sıkıca işaret edilmesi çok önemlidir. El güneş fotometresinin üst Braketinin en küçük deliği, Güneş fotometresinin LED dedektörlerinin ulaştığı dağınık ışık miktarını azaltır. Denklem 1, hiçbir …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma mali DOD ARO Grant #W911NF-15-1-0510 ve Ulusal Bilim Vakfı araştırma başlatma Ödülleri Grant No 1411209 altında tarafından desteklenmektedir. Biz Louisiana Xavier Üniversitesi ‘nde fizik ve bilgisayar bilimleri departmanı ve eğitim bölümü için samimi şükranlarımızı ifade ediyoruz.
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).
