Medición de aerosoles espesor óptico de la atmósfera utilizando el globo de mano Sun fotómetro

Summary

El objetivo de los métodos presentados aquí es medir el espesor óptico de aerosol de la atmósfera. El fotómetro solar apunta al sol y se graba la mayor lectura de voltaje obtenida en un voltímetro digital incorporado. También se realizan mediciones atmosféricas como la presión barométrica y la humedad relativa.

Abstract

Aquí describimos la medición del espesor óptico de aerosol con el fotómetro de mano GLOBE. El espesor óptico de aerosol (AOT) se midió en la Universidad Xavier de Louisiana (XULA, 29,96 ° N, 90,11 ° W y 3 m sobre el nivel del mar). Las mediciones se hicieron en dos longitudes de onda diferentes, 505 nm y 625 nm. Las mediciones de AOT se hicieron 6 veces al día (7 AM, 9 AM, 11 AM, mediodía solar, 3 PM y 5 PM). Los datos mostrados en este documento son los valores medios mensuales de AOT tomados en el mediodía solar. Durante cada tiempo de medición; por cada canal se toman al menos cinco valores de la tensión de luz v y el voltaje oscuro v_oscuro . La media de estas cinco mediciones se toma como el promedio para ese tiempo de medición. Otros datos meteorológicos, como la temperatura, la presión superficial, las precipitaciones y la humedad relativa, también se miden al mismo tiempo. Todo el protocolo se completa dentro de un lapso de tiempo de 10 – 15 minutos. Los valores medidos de AOT a 505 nm y 625 Nm se utilizan para extrapolar los valores de AOT para longitudes de onda de 667 nm, 551 nm, 532 nm y 490 nm. Los valores de AOT medidos y extrapolados se compararon con los valores de la estación AERONET más cercana en el sitio de Wave CIS 6 (AERONET, 28,87 ° N, 90,48 ° W y 33 m sobre el nivel del mar), que está a unos 96 km al sur de XULA. En este estudio rastreamos las variaciones anuales y diarias de AOT durante un período de 12 meses desde septiembre 2017 hasta agosto 2018. También comparamos los datos de AOT de dos fotómetros de mano de GLOBE calibrados de forma independiente en el sitio de XULA. Los datos muestran que los dos instrumentos están en excelente acuerdo.

Introduction

Los aerosoles atmosféricos son partículas sólidas y líquidas de un minuto (que van desde el tamaño submicrónico al milímetro) suspendidas en el aire. Algunos aerosoles se producen a través de la actividad humana y otros son producidos por los procesos naturales^1,2,3,4. Los aerosoles en la atmósfera reducen la cantidad de energía solar que llega a la superficie de la tierra al dispersan o absorben la luz y la radiación térmica del sol. La cantidad de aerosol en la atmósfera varía significativamente con la ubicación y el tiempo. Hay cambios estacionales y anuales, así como cambios episódicos debido a eventos tales como grandes tormentas de polvo, incendios salvajes o erupciones volcánicas^5,6,7,8.

Los efectos de los aerosoles en el clima y en la salud pública se encuentran entre los temas dominantes en la investigación medioambiental actual. Los aerosoles afectan el clima dispersando o absorbiendo la luz y la radiación térmica del sol y actuando como núcleos de condensación en la formación de nubes. Los aerosoles también juegan un papel en la dispersión de patógenos en el aire y pueden causar o mejorar las enfermedades respiratorias y cardiovasculares. El espesor óptico de aerosol (AOT) es una medida de la cantidad de luz solar que se absorbe o dispersa por estos aerosoles. Existen varios métodos basados en el terreno para monitorear el AOT^9,10,11. El mayor sistema de monitorización AOT basado en tierra es el proyecto de red robótica de aerosol (AERONET). AERONET es una red de más de 400 estaciones de monitoreo repartidas por todo el mundo^12,13. A pesar de este gran número de estaciones de monitoreo, todavía hay grandes brechas en todo el mundo que no son monitoreadas para AOT. Por ejemplo, la estación AERONET más cercana de nuestro sitio de estudio está a unos 90 km de distancia. Este documento describe el uso de un fotómetro portátil de mano para el sol que se puede utilizar para cerrar las brechas entre las estaciones de monitoreo AERONET. El fotómetro portátil de mano solar es un instrumento ideal para el uso de estudiantes de todo el mundo en una red global de monitoreo de aerosoles^14,15. El programa de aprendizaje global y observaciones para beneficiar al medio ambiente (Globe) proporciona una plataforma para dicha red, a través de miles de escuelas en todos los Estados de 50 de los Estados Unidos y en casi 120 otros países^16,17 . La idea principal del Programa GLOBE es utilizar estudiantes de todo el mundo para proporcionar mediciones científicamente valiosas de parámetros ambientales utilizando equipos de bajo costo. Con la debida orientación, los estudiantes y otros no especialistas pueden formar redes de fotómetros de sol de mano para llenar los huecos entre las estaciones de monitoreo de AERONET. La mayor ventaja del fotómetro de mano del sol es que se puede tomar incluso a las partes más remotas del mundo. Las mediciones de AOT con otros instrumentos pequeños y transportables se han utilizado con éxito en el pasado para llevar a cabo estudios de investigación en áreas remotas y de difícil acceso^17,18

El objetivo principal de este estudio es utilizar los fotómetros de mano para el sol de GLOBE para rastrear la variación anual, diaria y horaria de AOT en nuestro sitio de estudio de XULA y comparar con las mediciones de una estación cercana de AERONET. Este documento presenta datos para un período de 12 meses del 2017 de septiembre al 2018 de agosto. Esta es la primera AOT grabada para el sitio de XULA. El fotómetro solar GLOBE mide AOT en dos longitudes de onda, 505 nm y 625 nm. El sitio de AERONET en Wave CIS site 6 mide AOT en 15 longitudes de onda diferentes. Para nuestra comparación nos centramos en estas 4 longitudes de onda, 667 nm, 551 nm, 532 nm y 490 nm. Las elegimos porque son las 4 longitudes de onda AERONET más cercanas a las longitudes de onda del fotómetro solar GLOBE. Para hacer la comparación, extrapolamos los valores de AOT en estas longitudes de onda para el sitio de XULA.

Las mediciones de AOT se realizan todos los días cuando las condiciones meteorológicas lo permiten. Las mediciones que se realizan cuando hay nubes de cirros dentro de las proximidades del sol se excluyen en el análisis. La tabla 1 muestra el número de días de cada mes en los que teníamos cielos completamente claros. En total, se excluyó alrededor del 47% de los datos tomados.

Mes	Septiembre	Octubre	Noviembre	Diciembre	Enero	Febrero	Marzo	Abril	Puede	Junio	Jul	Agosto
Número de días	18	20	16	15	15	15	16	15	18	15	15	16

Tabla 1: las mediciones de AOT se hicieron 6 veces al día (7:00 AM, 9 am, 11 AM, mediodía solar, 3 AM, y 5 am). Los datos mostrados en las parcelas son los valores medios mensuales de AOT tomados en el mediodía solar. Durante cada tiempo de medición; por cada canal se toman al menos cinco valores de la tensión de luz v y el voltaje oscuro v_oscuro . La media de estas cinco mediciones se toma como el promedio para ese tiempo de medición. El error en estas mediciones se calcula como las desviaciones estándar de estas cinco mediciones. Los valores de AOT se obtienen utilizando la ecuación mostrada debajo de¹⁶:

V₀ es la constante de calibración del fotómetro solar, R es la distancia tierra-sol en unidades astronómicas, V_oscuro es el voltaje oscuro grabado cuando la luz está bloqueada de pasar a través del agujero en el soporte superior de la Sun fotómetro, V es el voltaje de la luz solar registrado desde el fotómetro sol cuando la luz pasa a través del orificio en el soporte superior, _r representa la atenuación de la luz debido a la dispersión de Rayleigh, p y p₀ son la presión atmosférica medida y estándar, respectivamente, y m es la masa de aire relativa. La masa de aire relativa se calcula a partir de los datos facilitados por la Administración Nacional Oceánica y atmosférica (NOAA). Otros datos meteorológicos, como la temperatura, las precipitaciones y la humedad relativa, también se miden al mismo tiempo. La ecuación 1, como se ha indicado anteriormente, incluye las aportaciones de espesor óptico del ozono. El efecto del ozono en los valores de AOT se calcula sobre la base de los valores tabulados del coeficiente de absorción de ozono y las suposiciones sobre la cantidad de ozono en la atmósfera¹⁹. Bucholtz^20,21 ha producido valores tabulados de una_R basada en atmósferas estándar. Para el canal 505 nm a_R ≈ 0,13813 y para el canal 625 nm es ~ 0,05793.

Los datos presentados aquí representan un ejemplo de cómo los equipos de los estudiantes se pueden organizar para tomar mediciones largas y sostenidas de AOT. En este estudio, dos equipos de estudiantes utilizaron dos fotómetros de mano de globo con calibración independiente para rastrear la variación anual, diaria y horaria del espesor óptico de aerosol de la atmósfera en nuestro sitio de estudio de XULA. Los dos fotómetros de sol Globe utilizados en esta investigación fueron comprados en la IESRE (Instituto de investigación y Educación de Ciencias de la tierra; uno tenía el número de serie RG8-989 y el otro tenía el número de serie RG8-990). Antes de que los datos de los dos instrumentos pudieran combinarse, se realizó un análisis de regresión para determinar el acuerdo

Protocol

1. funcionamiento del fotómetro Nota: Estos protocolos son mejor realizados por dos personas que trabajan juntas. Una persona mantiene y alinea el fotómetro solar mientras la segunda persona graba las mediciones. Mida la longitud y la latitud del sitio utilizando GPS. En el sitio, el primer paso es activar el GPS eligiendo el sensor de ajuste desde el menú del sensor y seleccionar GPS. Una vez que el GPS ha adquirido suficientes satélites, se mostrarán los valor…

Representative Results

El fotómetro solar GLOBE mide AOT a λ = 505 nm y λ = 625 nm. El sitio de AERONET en Wave CIS site 6 mide AOT en 15 longitudes de onda diferentes. Para nuestra comparación nos centramos en estas 4 longitudes de onda del sitio AERONET: 667 nm, 551 nm, 532 nm y 490 nm. Para hacer una comparación entre las dos estaciones, extrapolamos AOT a 667 nm, 551 nm, 532 nm y 490 nm para el sitio de XULA. Esto se hace usando los coeficientes Angstrom del sitio de XULA. Para cualquier sitio e instru…

Discussion

El primer paso en este protocolo es definir el sitio del estudio. Esto se hace mediante el uso de un GPS para encontrar la longitud y la latitud del sitio de estudio. Los valores de longitud y latitud son críticos en el cálculo de AOT utilizando la ecuación 1. Durante la medición, es crucial que el fotómetro solar se apunta directamente y firmemente al sol. El pequeño orificio en el soporte superior del fotómetro de mano del sol reduce la cantidad de luz dispersa que llega a los detectores LED en el fotómetro sol…

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.