使用太陽(yáng)光度計(jì)測(cè)大氣霧霾

何 杰，董國(guó)波，李英姿，陳 彥，李 華

（北京航空航天大學(xué)a.能源與動(dòng)力工程學(xué)院；b.物理科學(xué)與核能工程學(xué)院，北京100191）

1 引 言

隨著空氣狀況的惡化，我國(guó)不少地區(qū)把陰霾天氣作為一類災(zāi)害性天氣預(yù)警預(yù)報(bào)，即“霧霾天氣”.大氣氣溶膠［1］是由大氣介質(zhì)和混合于其中的固體或液體顆粒物組成的體系.由于它是大氣的重要組成部分，因此對(duì)大氣中的許多物理化學(xué)反應(yīng)有重要的影響.霧霾天氣的產(chǎn)生就是受到大氣氣溶膠的影響，濃霧情況下，氣溶膠在逆溫層下累積，作為凝結(jié)核為霧霾天氣的形成提供了物質(zhì)基礎(chǔ).比如，氣溶膠會(huì)吸收和反射太陽(yáng)輻射，從而影響到達(dá)地面的能量，反射太陽(yáng)輻射可以降低氣溫，使能見度降低.大量氣溶膠聚集可能形成云滴聚集，還可能使云的維持時(shí)間增加，進(jìn)而影響降水量.大氣氣溶膠極大地影響到地氣系統(tǒng)的能量平衡，從而對(duì)氣候變化有影響，并且具有定量霧霾的作用.

越來(lái)越嚴(yán)重的霧霾天氣已經(jīng)嚴(yán)重影響到人們的日常生活和基本健康，在逐漸通過科技手段預(yù)防和根治霧霾、降低霧霾影響的同時(shí)，霧霾的測(cè)試手段，特別是簡(jiǎn)易測(cè)試手段也越來(lái)越受到人們的關(guān)注.當(dāng)前國(guó)際上已有衛(wèi)星遙感儀器 MODIS［2］的全球氣溶膠遙感測(cè)量，同時(shí)還需要地面對(duì)大氣氣溶膠的直接測(cè)量，如全自動(dòng)太陽(yáng)光度計(jì)CE-318氣溶膠檢測(cè)儀器［3］，但是這些儀器具有價(jià)格昂貴、須精密維護(hù)、操作復(fù)雜以及不便移動(dòng)等缺點(diǎn)，不能滿足民眾日常生活中對(duì)大氣霧霾的檢測(cè).一些國(guó)產(chǎn)的太陽(yáng)光度計(jì)DTF-3和DTF-5［4］是基于光電倍增管做成的，而國(guó)外的太陽(yáng)光度計(jì)則多是基于硅光電二極管，這些儀器都是為了測(cè)量大氣氣溶膠光學(xué)厚度.本文設(shè)計(jì)出基于LED燈的簡(jiǎn)單便攜式太陽(yáng)光度計(jì)，測(cè)試大氣霧霾內(nèi)大氣氣溶膠光學(xué)厚度，并以此分析大氣霧霾狀況.

2 實(shí)驗(yàn)原理

為了測(cè)量大氣的霧霾量，需要測(cè)量大氣層外的光強(qiáng)和地面的光強(qiáng)值，大氣層外的光強(qiáng)為定值，因此僅需要測(cè)量出地面的光強(qiáng)即可得到相應(yīng)的大氣霧霾量.此外，由于各種光的散射效應(yīng)不同，為了實(shí)現(xiàn)更精確的測(cè)量，需要選取某一頻率的光進(jìn)行地面光強(qiáng)的實(shí)際測(cè)量，此處利用綠色LED來(lái)檢測(cè)接收頻率為525nm的光子，此時(shí)LED會(huì)產(chǎn)生電流，LED兩端便產(chǎn)生了電壓值.LED作為電光元件，反過來(lái)利用其可逆特性經(jīng)光照也會(huì)產(chǎn)生電流，實(shí)驗(yàn)中通過設(shè)計(jì)電路來(lái)消除諸如重復(fù)性、光電響應(yīng)等影響因素，同時(shí)也在計(jì)算式中消除了暗電流的影響，提高了其作為光敏元件的可靠性.為進(jìn)一步分析霧霾量可以設(shè)計(jì)測(cè)量電路，利用運(yùn)算放大器的放大作用放大電壓值，其測(cè)量電路如圖1所示，可以實(shí)現(xiàn)上述的實(shí)驗(yàn)設(shè)想及地面光強(qiáng)的測(cè)量.

圖1 測(cè)量原理電路圖

首先，當(dāng)特定波長(zhǎng)的光照射LED燈時(shí)，LED會(huì)產(chǎn)生微弱電流信號(hào)，然后利用運(yùn)算放大器，得到儀器輸出的電壓值V（表征接收的光強(qiáng)值），該電壓值可以根據(jù)式（1）求得：

式中M為大氣中所含氣團(tuán)量，γ為氣溶膠光學(xué)厚度（aerosol optical depth，AOD），V0為太陽(yáng)地外常量.V0的實(shí)際意義為儀器在大氣層外所測(cè)定的電壓值，其值可以通過Langley法計(jì)算求得［5］.氣團(tuán)量M可表達(dá)為M＝1／sinθ（其中θ是太陽(yáng)角度即太陽(yáng)光入射到地面的夾角［6］，正午時(shí)太陽(yáng)角度為90°），在大氣相對(duì)穩(wěn)定的條件下，可認(rèn)為γ為常量.進(jìn)行不同太陽(yáng)角度θ的太陽(yáng)直射輻射強(qiáng)度的測(cè)量，氣團(tuán)量M與光強(qiáng)值（電壓值）的自然對(duì)數(shù)呈線性關(guān)系.因此，由式（1）可以推出：

根據(jù)ln V與M 的關(guān)系作直線，截距就是由太陽(yáng)光度計(jì)獲得的大氣外界太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的自然對(duì)數(shù)，即ln V0；直線的斜率就是γ.

AOD是用來(lái)定量霧霾的一個(gè)量，可以描述大氣霧霾狀況.要準(zhǔn)確計(jì)算出其值γ，還需要考慮光度計(jì)的暗電壓并補(bǔ)償瑞利散射［6］和太陽(yáng)角度加以修正：

式中，Vd是暗電壓（儀器不接受太陽(yáng)輻射時(shí)的電壓），p是以mPa為單位的大氣壓值.8 660是在LED檢測(cè)波長(zhǎng)（525nm）處的瑞利散射經(jīng)驗(yàn)常量［7］.

3 實(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)處理

選取非常晴朗的天氣進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量，此時(shí)由于天氣晴朗，在短時(shí)間內(nèi)可認(rèn)為大氣氣溶膠光學(xué)厚度為定值.通過測(cè)量不同時(shí)刻的電壓值和氣團(tuán)量值，根據(jù)Langley法作圖，如圖2所示.通過擬合測(cè)得的數(shù)據(jù)，可以得到氣團(tuán)量M與光強(qiáng)值（電壓值）的自然對(duì)數(shù)近似呈線性關(guān)系，由此進(jìn)一步計(jì)算地外常量V0及γ值.擬合結(jié)果分別為V0＝7.660V和γ＝1.43，其中所得V0也是儀器的電壓極限值M＝0處即大氣層外的電壓值.

圖2 氣團(tuán)量M與電壓值的關(guān)系

為了測(cè)量并分析大氣中的霧霾量，測(cè)試小組在昌平區(qū)沙河地區(qū)進(jìn)行了一系列數(shù)據(jù)采集工作（具體測(cè)量時(shí)間集中在2012年3月份）.在儀器測(cè)量過程中，記錄了在測(cè)量當(dāng)日的天氣情況和中午12時(shí)所測(cè)的電壓值，并計(jì)算了AOD的值γ.同時(shí)在網(wǎng)絡(luò)上收集了每天北京昌平地區(qū)的二氧化硫、二氧化氮、可吸入顆粒物等空氣污染指數(shù).選取不同天氣狀態(tài)下所測(cè)數(shù)據(jù)如表1所示.

表1 不同天氣狀態(tài)電壓V，γ及空氣污染指數(shù)

由表1可以看出，天氣越晴朗，電壓值越大.在大氣層外的電壓值為7.660V，也就是儀器的最大電壓值.電壓值越小，說(shuō)明接收到的光信號(hào)越小，則光在大氣中損耗得越多，造成這些損耗的因素就是大氣霧霾，透過損耗的電壓差值，再補(bǔ)償瑞利散射和太陽(yáng)角度，便可以計(jì)算AOD的值γ.γ越大，霧霾量越多，能見度越小.根據(jù)北京市環(huán)境監(jiān)測(cè)部門給出的昌平當(dāng)日環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知，二氧化硫、二氧化氮及可吸入顆粒物的變化趨勢(shì)與儀器所測(cè)得氣溶膠光厚度數(shù)值變化趨勢(shì)相近，這些結(jié)果體現(xiàn)出了大氣氣溶膠光學(xué)厚度其實(shí)是被這些因素影響.空氣中的二氧化硫、二氧化氮以及可吸入顆粒物產(chǎn)生了大氣散射效應(yīng)，使測(cè)試裝置的信號(hào)接收器接收到的太陽(yáng)信號(hào)減弱.因此，研究大氣氣溶膠光學(xué)厚度間接反映出空氣中二氧化硫、二氧化氮及可吸入顆粒物的變化趨勢(shì).

根據(jù)1個(gè)月的實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)，對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，不難得到如下結(jié)論：一般γ小于2.5時(shí)，基本可以確定是晴朗的天氣；γ大于5時(shí)，可以確定是大霧天氣，大氣霧霾含量較多.詳細(xì)信息見表2.

表2 當(dāng)天12：00的電壓V，γ值與天氣情況

表3是2012年3月24日上午不同時(shí)間所測(cè)的1組數(shù)據(jù)（其中V1為電壓差值），測(cè)試地點(diǎn)位于北京市昌平區(qū)的沙河地區(qū)，當(dāng)天天氣晴朗.

表3 同一天不同時(shí)間所測(cè)數(shù)據(jù)

從表3中可以看出，越接近中午，太陽(yáng)角度M越小，從而電壓V值越大.而氣溶膠光學(xué)厚度隨著接近中午而逐漸增大，說(shuō)明這一段時(shí)間內(nèi)大氣霧霾的質(zhì)量濃度慢慢提高.從當(dāng)天北京市環(huán)境監(jiān)測(cè)局昌平鎮(zhèn)發(fā)布的數(shù)據(jù)來(lái)看，這一段時(shí)間空氣中的二氧化氮和二氧化硫等可吸入顆粒的質(zhì)量濃度也逐漸升高，與2組數(shù)據(jù)相當(dāng)吻合.另外可以看出大氣氣溶膠光學(xué)厚度的最大值為1.703，屬于晴朗范疇.此處，可以利用γ值來(lái)表征霧霾量，利用不同的γ值區(qū)間可以描述不同的霧霾情況，并可以據(jù)此給霧霾劃分等級(jí)，也可與現(xiàn)有的霧霾劃分方式關(guān)聯(lián)，這當(dāng)然需要大量的數(shù)據(jù)支撐.由于受限于各種條件，根據(jù)本測(cè)試儀器，給出了上述定量的、規(guī)律性的結(jié)論.

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)人們?cè)絹?lái)越關(guān)注大氣霧霾的含量，以及測(cè)試大氣霧霾中存在的諸多不利因素，本文設(shè)計(jì)了便攜式太陽(yáng)光度計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于γ的測(cè)試，進(jìn)一步可以分析大氣霧霾情況，所測(cè)數(shù)據(jù)和北京市環(huán)境監(jiān)測(cè)局發(fā)布的數(shù)據(jù)規(guī)律一致，可以據(jù)此評(píng)估大氣霧霾情況.

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