Misura dello spessore ottico aerosols dell'atmosfera utilizzando il fotometro solare palmare GLOBE
Summary
L’obiettivo dei metodi presentati qui è quello di misurare lo spessore ottico dell’aerosol dell’atmosfera. Il fotometro solare è puntato al sole e viene registrata la più grande lettura di tensione ottenuta su un voltmetro digitale integrato. Vengono inoltre eseguite misurazioni atmosferiche come la pressione atmosferica e l’umidità relativa.
Abstract
Qui descriviamo la misura dello spessore ottico dell’aerosol utilizzando il fotometro palmare GLOBE. Lo spessore ottico dell’aerosol (AOT) è stato misurato presso la Xavier University of Louisiana (XULA, 29,96 ° N, 90,11 ° W e 3 m sul livello del mare). Le misurazioni sono state effettuate a due lunghezze d’onda diverse, 505 nm e 625 Nm. Le misurazioni AOT sono state effettuate 6 volte al giorno (7 AM, 9 AM, 11 AM, mezzogiorno solare, 3 PM e 5 PM). I dati mostrati in questo documento sono i valori medi mensili AOT presi al mezzogiorno solare. Durante ogni tempo di misurazione; per ogni canale vengono presi almeno cinque valori della tensione della luce solare v e della tensione scura vDark . La media per queste cinque misurazioni viene considerata come il valore medio per quel tempo di misura. Altri dati meteorologici come temperatura, pressione superficiale, precipitazioni e umidità relativa sono misurati allo stesso tempo. L’intero protocollo è completato entro un lasso di tempo di 10-15 min. I valori AOT misurati a 505 nm e 625 nm vengono quindi utilizzati per estrapolare i valori AOT per lunghezze d’onda 667 Nm, 551 nm, 532 nm e 490 nm. I valori AOT misurati ed estrapolati sono stati poi confrontati con i valori della stazione AERONET più vicina al sito Wave CIS 6 (AERONET, 28,87 ° N, 90,48 ° W e 33 m sul livello del mare), che si trova a circa 96 km a sud di XULA. In questo studio abbiamo monitorato le variazioni annuali e giornaliere di AOT per un periodo di 12 mesi dal 2017 settembre al 2018 agosto. Abbiamo anche confrontato i dati AOT di due fotometri solari portatili GLOBE calibrati in modo indipendente sul sito XULA. I dati dimostrano che i due strumenti sono in ottimo accordo.
Introduction
Gli aerosol atmosferici sono particelle solide e liquide minute (che vanno da submicron a millimetro di dimensione) sospese nell’aria. Alcuni aerosol sono prodotti attraverso l’attività umana e altri sono prodotti dai processi naturali1,2,3,4. Gli aerosol nell’atmosfera riducono la quantità di energia solare che raggiunge la superficie terrestre spargendo o assorbendo radiazioni luminose e termiche dal sole. La quantità di aerosol nell’atmosfera varia significativamente con la posizione e il tempo. Ci sono cambiamenti stagionali e annuali, nonché cambiamenti episodici a causa di eventi come grandi tempeste di polvere, incendi selvatici o eruzioni vulcaniche5,6,7,8.
L’impatto degli aerosol sul clima e sulla salute pubblica è tra i temi dominanti nell’attuale ricerca ambientale. Gli aerosol influenzano il tempo spargendo o assorbendo la luce e la radiazione termica dal sole e agendo come nuclei di condensazione nella formazione delle nuvole. Anche gli aerosol giocano un ruolo nella dispersione degli agenti patogeni nell’aria e possono causare o migliorare le malattie respiratorie e cardiovascolari. Lo spessore ottico dell’aerosol (AOT) è una misura della quantità di luce solare assorbita o dispersa da questi aerosol. Ci sono diversi metodi basati sul terreno per il monitoraggio AOT9,10,11. Il più grande sistema di monitoraggio AOT basato sul suolo è il progetto AERONET (aerosol Robotic Network). Aeronet è una rete di oltre 400 stazioni di monitoraggio distribuite in tutto il mondo12,13. Nonostante questo gran numero di stazioni di monitoraggio, ci sono ancora grandi lacune in tutto il mondo che non sono monitorati per AOT. Ad esempio, la stazione AERONET più vicina dal nostro sito di studio si trova a circa 90 km di distanza. Questo documento descrive l’uso di un fotometro palmare portatile che può essere utilizzato per colmare le lacune tra le stazioni di monitoraggio AERONET. Il fotometro portatile palmare Sun è uno strumento ideale per gli studenti di tutto il mondo in una rete globale di monitoraggio degli aerosol14,15. L’apprendimento globale e le osservazioni a beneficio del programma ambiente (Globe) fornisce una piattaforma per tale rete, attraverso migliaia di scuole in tutti gli stati 50 degli Stati Uniti e in quasi 120 altri paesi16,17 . L’idea principale del programma GLOBE è quella di utilizzare gli studenti di tutto il mondo per fornire misurazioni scientificamente preziose dei parametri ambientali utilizzando attrezzature poco costose. Con una guida adeguata, gli studenti e altri non specialisti possono formare reti di fotometri solari portatili per colmare le lacune tra le stazioni di monitoraggio AERONET. Il più grande vantaggio del fotometro solare palmare è che può essere portato anche alle parti più remote del mondo. Le misurazioni AOT con altri strumenti piccoli e trasportabili sono state utilizzate con successo in passato per effettuare studi di ricerca in aree remote e difficili da accedere17,18
L’obiettivo principale di questo studio è quello di utilizzare i fotometri solari portatili GLOBE per tracciare la variazione annuale, giornaliera e oraria di AOT nel nostro sito di studio XULA e confrontarlo con le misurazioni da una stazione AERONET vicina. Questo documento presenta i dati per un periodo di 12 mesi dal 2017 settembre al 2018 agosto. Questo è il primo AOT mai registrato per il sito XULA. Il fotometro solare GLOBE misura AOT a due lunghezze d’onda, 505 nm e 625 Nm. Il sito AERONET a Wave CIS Site 6 misura AOT a 15 diverse lunghezze d’onda. Per il nostro confronto ci siamo concentrati su queste 4 lunghezze d’onda, 667 Nm, 551 nm, 532 nm e 490 nm. Abbiamo scelto questi perché sono le 4 lunghezze d’onda di AERONET più vicine alle lunghezze d’onda dei fotometri solari GLOBE. Per effettuare il confronto, abbiamo estrapolato i valori AOT a queste lunghezze d’onda per il sito XULA.
Le misurazioni di AOT vengono effettuate ogni giorno quando le condizioni meteorologiche lo consentono. Le misurazioni effettuate quando ci sono nubi di Cirrus nelle vicinanze del sole sono escluse nell’analisi. La tabella 1 Mostra il numero di giorni in ogni mese che avevamo cieli completamente chiari. Complessivamente, circa il 47% dei dati presi è stato escluso.
| mese | Settembre | Ottobre | Novembre | Dicembre | Gennaio | Febbraio | sciupare | Apr | maggio | Giu | Lug | Agosto |
| Numero di giorni | 18 | 20 | 16 | 15 | 15 | 15 | 16 | 15 | 18 | 15 | 15 | 16 |
Tabella 1: le misurazioni AOT sono state effettuate 6 volte al giorno (7:00 AM, 9 am, 11 am, mezzogiorno solare, 3 AM e 5 AM). I dati mostrati sui grafici sono i valori medi mensili AOT presi al mezzogiorno solare. Durante ogni tempo di misurazione; per ogni canale vengono presi almeno cinque valori della tensione della luce solare v e della tensione scura vDark . La media per queste cinque misurazioni viene considerata come il valore medio per quel tempo di misura. L’errore in queste misurazioni è calcolato come le deviazioni standard di queste cinque misurazioni. I valori AOT sono ottenuti utilizzando l’equazione mostrata sotto16:
V0 è la costante di calibrazione del fotometro solare, R è la distanza terra-sole in unità astronomiche, vscuro è la tensione oscura registrata quando la luce è bloccata dal passaggio attraverso il foro sulla staffa superiore del Sun fotometro, V è la tensione di luce solare registrata dal fotometro sole quando la luce passa attraverso il foro sulla staffa superiore, unR rappresenta l’attenuazione della luce a causa di Rayleigh scattering, p e p0 sono la pressione atmosferica misurata e standard, rispettivamente, e m è la massa d’aria relativa. La massa d’aria relativa è calcolata dai dati forniti dall’amministrazione nazionale oceanica e atmosferica (NOAA). Anche altri dati meteorologici come temperatura, precipitazioni e umidità relativa sono misurati allo stesso tempo. L’equazione 1 come indicato sopra include i contributi dello spessore ottico dall’ozono. L’effetto dell’ozono sui valori di AOT è calcolato sulla base dei valori tabulari del coefficiente di assorbimento dell’ozono e delle ipotesi sulla quantità di ozono nell’atmosfera19. Bucholtz20,21 ha prodotto valori tabulari di unaR sulla base di atmosfere standard. Per il canale 505 nm aR ≈ 0,13813 e per il canale 625 nm è ~ 0,05793.
I dati qui presentati rappresentano un esempio di come le squadre di studenti possono essere organizzate per prendere misure AOT lunghe e sostenute. In questo studio, due team di studenti hanno utilizzato due fotometri solari portatili GLOBE calibrati in modo indipendente per tracciare la variazione annuale, giornaliera e oraria dello spessore ottico dell’aerosol dell’atmosfera nel nostro sito di studio XULA. I due fotometri solari Globe utilizzati in questa indagine sono stati acquistati presso l’IESRE (Istituto per la ricerca e l’educazione della scienza della terra; uno aveva il numero di serie RG8-989 e l’altro aveva il numero di serie RG8-990). Prima di combinare i dati dei due strumenti, è stata effettuata un’analisi di regressione per accertare l’accordo
Protocol
Representative Results
Discussion
Il primo passo in questo protocollo è quello di definire il sito di studio. Questo viene fatto utilizzando un GPS per trovare la longitudine e la latitudine del sito di studio. I valori di longitudine e latitudine sono critici nel calcolo dell’AOT utilizzando l’equazione 1. Durante la misurazione, è fondamentale che il fotometro solare sia puntato direttamente e saldamente al sole. Il piccolo foro nella staffa superiore del fotometro solare palmare riduce la quantità di luce diffusa che raggiunge i rilevatori LED nel …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questo lavoro è stato sostenuto finanziariamente dal DOD ARO Grant #W911NF-15-1-0510 e dal National Science Foundation Research Initiation Awards con il Grant n. 1411209. Esprimiamo la nostra sincera gratitudine al dipartimento di fisica e informatica e alla divisione dell’istruzione presso la Xavier University of Louisiana.
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. |
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