Mesure des aérosols épaisseur optique de l’atmosphère à l’aide du photomètre solaire de poche GLOBE

Summary

L’objectif des méthodes présentées ici est de mesurer l’épaisseur optique de l’aérosol de l’atmosphère. Le photomètre solaire est pointé au soleil et la plus grande lecture de tension obtenue sur un voltmètre numérique intégré est enregistrée. Des mesures atmosphériques telles que la pression barométrique et l’humidité relative sont également effectuées.

Abstract

Ici, nous décrivons la mesure de l’épaisseur optique des aérosols à l’aide du photomètre solaire de poche GLOBE. L’épaisseur optique des aérosols (AOT) a été mesurée à l’Université Xavier de Louisiane (XULA, 29,96 ° N, 90,11 ° o et 3 m au-dessus du niveau de la mer). Les mesures ont été faites à deux longueurs d’onde différentes, 505 nm et 625 nm. Les mesures AOT ont été effectuées 6 fois par jour (7 heures, 9 heures, 11 heures, midi solaire, 15 heures et 17 heures). Les données présentées dans cet article sont les valeurs mensuelles moyennes d’AOT prises à midi solaire. Pendant chaque temps de mesure; au moins cinq valeurs de la tension du soleil v et de la tension foncée v_Dark sont prises pour chaque canal. La moyenne pour ces cinq mesures est prise comme moyen pour ce temps de mesure. D’autres données météorologiques telles que la température, la pression superficielle, les précipitations et l’humidité relative sont également mesurées en même temps. L’ensemble du protocole est complété dans un laps de temps de 10 à 15 min. Les valeurs mesurées d’AOT à 505 nm et 625 nm sont ensuite utilisées pour extrapoler les valeurs d’AOT pour les longueurs d’onde 667 nm, 551 nm, 532 nm et 490 nm. Les valeurs mesurées et extrapolées de l’AOT ont ensuite été comparées aux valeurs de la station AERONET la plus proche au site 6 de Wave CIS (AERONET, 28,87 ° N, 90,48 ° o et 33 m au-dessus du niveau de la mer), soit environ 96 km au sud de XULA. Dans cette étude, nous avons suivi les variations annuelles et quotidiennes de l’AOT pour une période de 12 mois allant du 2017 septembre au 2018 août. Nous avons également comparé les données AOT de deux photomètres solaires de poche GLOBE étalonnés indépendamment sur le site XULA. Les données montrent que les deux instruments sont en excellent accord.

Introduction

Les aérosols atmosphériques sont des particules solides et liquides de minute (allant de la taille de submicroniques à millimètre) suspendues dans l’air. Certains aérosols sont produits par l’activité humaine et d’autres sont produits par les processus naturels^1,2,3,4. Les aérosols dans l’atmosphère réduisent la quantité d’énergie solaire atteignant la surface de la terre en diffusant ou en absorbant la lumière et le rayonnement thermique du soleil. La quantité d’aérosol dans l’atmosphère varie significativement avec l’emplacement et le temps. Il y a des changements saisonniers et annuels, ainsi que des changements épisodiques dus à des événements tels que de grandes tempêtes de poussière, des incendies sauvages ou des éruptions volcaniques^5,6,7,8.

L’impact des aérosols sur le climat et sur la santé publique figurent parmi les sujets dominants de la recherche environnementale actuelle. Les aérosols affectent le temps en diffusant ou en absorbant la lumière et le rayonnement thermique du soleil et en agissant comme noyaux de condensation dans la formation de nuages. Les aérosols jouent également un rôle dans la dispersion des agents pathogènes dans l’air et ils peuvent causer ou améliorer les maladies respiratoires et cardiovasculaires. L’épaisseur optique des aérosols (AOT) est une mesure de la quantité de lumière du soleil qui est absorbée ou dispersée par ces aérosols. Il existe plusieurs méthodes fondées sur le sol pour la surveillance de l’AOT^9,10,11. Le plus grand système de surveillance AOT basé sur le sol est le projet AERONET (réseau robotisé en aérosol). AERONET est un réseau de plus de 400 stations de surveillance réparties dans le monde^12,13. Malgré ce grand nombre de stations de surveillance, il y a encore de grandes lacunes dans le monde entier qui ne sont pas surveillées pour l’AOT. À titre d’exemple, la station AERONET la plus proche de notre site d’étude est à environ 90 km. Cet article décrit l’utilisation d’un photomètre portatif de poche de soleil qui peut être utilisé pour combler les écarts entre les stations de surveillance AERONET. Le photomètre portatif de poche de soleil est un instrument idéal pour l’utilisation par les étudiants du monde entier dans un réseau mondial de surveillance des aérosols^14,15. Le programme mondial d’apprentissage et d’observations au profit de l’environnement (Globe) fournit une plate-forme pour un tel réseau, à travers des milliers d’écoles dans tous les 50 États des États-Unis et dans près de 120 autres pays^16,17 . L’idée principale du programme GLOBE est d’utiliser des étudiants partout dans le monde pour fournir des mesures scientifiquement précieuses des paramètres environnementaux en utilisant un équipement peu coûteux. Avec des conseils appropriés, les étudiants et autres non-spécialistes peuvent former des réseaux de photomètres solaires portatifs pour combler les écarts entre les stations de surveillance AERONET. Le plus grand avantage du photomètre portatif de soleil est qu’il peut être pris à même les parties les plus éloignées du monde. Les mesures d’AOT avec d’autres instruments petits et transportables ont été utilisées avec succès dans le passé pour mener des études de recherche dans des zones éloignées et difficiles d’accès^17,18

L’objectif principal de cette étude est d’utiliser les photomètres solaires de poche GLOBE pour suivre la variation annuelle, quotidienne et horaire de l’AOT sur notre site d’étude XULA et comparer avec les mesures d’une station AERONET voisine. Ce document présente des données pour une période de 12 mois allant du 2017 septembre au 2018 août. C’est le tout premier AOT enregistré pour le site XULA. Le photomètre solaire GLOBE mesure l’AOT à deux longueurs d’onde, 505 nm et 625 nm. Le site AERONET du site Wave CIS 6 mesure l’AOT à 15 longueurs d’onde différentes. Pour notre comparaison, nous nous sommes concentrés sur ces 4 longueurs d’onde, 667 nm, 551 nm, 532 nm et 490 nm. Nous avons choisi ces derniers parce qu’ils sont les 4 longueurs d’onde AERONET les plus proches des longueurs d’onde du photomètre GLOBE soleil. Pour effectuer la comparaison, nous avons extrapolé les valeurs AOT à ces longueurs d’onde pour le site XULA.

Les mesures de l’AOT sont effectuées chaque jour lorsque les conditions météorologiques le permettent. Les mesures effectuées lorsqu’il y a des nuages de Cirrus à proximité du soleil sont exclues dans l’analyse. Le tableau 1 montre le nombre de jours de chaque mois où nous avions un ciel complètement dégagé. Au total, environ 47% des données recueillies ont été exclues.

mois	Sept	Oct	Nov	Dec	Jan	Fév	gâter	taux annuel	pouvoir	Juin	Juil	Août
Nombre de jours	18	20	16	15	15	15	16	15	18	15	15	16

Tableau 1: les mesures AOT ont été effectuées 6 fois par jour (7:00 AM, 9h, 11h, midi solaire, 3 AM et 5 am). Les données affichées sur les parcelles sont les valeurs moyennes mensuelles d’AOT prises à midi solaire. Pendant chaque temps de mesure; au moins cinq valeurs de la tension du soleil v et de la tension foncée v_Dark sont prises pour chaque canal. La moyenne pour ces cinq mesures est prise comme moyen pour ce temps de mesure. L’erreur dans ces mesures est calculée comme les écarts types de ces cinq mesures. Les valeurs d’AOT sont obtenues en utilisant l’équation ci-dessous¹⁶:

V₀ est la constante d’étalonnage du photomètre solaire, R est la distance Terre-Soleil dans les unités astronomiques, v_Dark est la tension sombre enregistrée lorsque la lumière est bloquée de passer par le trou sur le support supérieur de la photomètre solaire, V est la tension du soleil enregistrée à partir du photomètre solaire lorsque la lumière traverse le trou sur le support supérieur, un_R représente l’atténuation de la lumière due à la diffusion de Rayleigh, p et p₀ sont la pression atmosphérique mesurée et standard, respectivement, et m est la masse d’air relative. La masse d’air relative est calculée à partir des données fournies par l’administration nationale océanique et atmosphérique (NOAA). D’autres données météorologiques telles que la température, les précipitations et l’humidité relative sont également mesurées en même temps. L’équation 1 comme indiqué ci-dessus comprend les apports d’épaisseur optique de l’ozone. L’effet de l’ozone sur les valeurs d’AOT est calculé sur la base des valeurs tabulées du coefficient d’absorption de l’ozone et des hypothèses sur la quantité d’ozone dans l’atmosphère¹⁹. Bucholtz^20,21 a produit des valeurs tabulées d’ un_R basé sur des atmosphères standard. Pour le canal 505 nm a_R ≈ 0,13813 et pour le canal 625 nm il est ~ 0,05793.

Les données présentées ici représentent un exemple de la façon dont les équipes d’étudiants peuvent être organisées pour prendre des mesures AOT longues et soutenues. Dans cette étude, deux équipes étudiantes ont utilisé deux photomètres solaires de poche GLOBE étalonnés indépendamment pour suivre la variation annuelle, quotidienne et horaire de l’épaisseur optique de l’aérosol de l’atmosphère à notre site d’étude XULA. Les deux photomètres Globe Sun utilisés dans cette enquête ont été achetés auprès de l’IESRE (Institut de recherche et d’éducation en sciences de la terre; l’un avait le numéro de série RG8-989 et l’autre avait le numéro de série RG8-990). Avant de combiner les données des deux instruments, une analyse de régression a été effectuée afin de vérifier l’accord

Protocol

1. fonctionnement du photomètre Remarque: Ces protocoles sont mieux faits par deux personnes travaillant ensemble. Une personne retient et aligne le photomètre solaire pendant que la deuxième personne enregistre les mesures. Mesurez la longitude et la latitude du site à l’aide du GPS. Sur le site, la première étape consiste à activer le GPS en choisissant le réglage du capteur dans le menu du capteur et en sélectionnant GPS. Une fois que le GPS a acquis su…

Representative Results

Le photomètre solaire GLOBE mesure l’AOT à λ = 505 nm et λ = 625 nm. Le site AERONET du site Wave CIS 6 mesure l’AOT à 15 longueurs d’onde différentes. Pour notre comparaison, nous nous sommes concentrés sur ces 4 longueurs d’onde du site AERONET: 667 nm, 551 nm, 532 nm et 490 nm. Pour faire une comparaison entre les deux stations, nous avons extrapolé AOT à 667 nm, 551 nm, 532 nm et 490 nm pour le site XULA. Ceci est fait en utilisant les coefficients Angstrom du site XU…

Discussion

La première étape de ce protocole est de définir le site d’étude. Ceci est fait en utilisant un GPS pour trouver la longitude et la latitude du site d’étude. Les valeurs de longitude et de latitude sont cruciales dans le calcul de l’AOT à l’aide de l’équation 1. Pendant la mesure, il est crucial que le photomètre solaire soit pointé directement et fermement au soleil. Le petit trou sur le support supérieur du photomètre portatif de soleil réduit la quantité de lumière dispersée atteignant les dé…

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.