دسته بندی هواویزهای جوی با استفاده از داده های قطبیده شیدسنج خورشیدی

هواویزها ذرات ریز جامد یا مایع معلق در هوا هستند که ابعادشان بین چند نانومتر تا چند ده میکرومتر است. هواویزها از دو منشأ طبیعی و انسانی وارد جو زمین می شوند. وزش باد در صحراها، تبخیر آب اقیانوس ها و دریاها، فوران آتشفشان ها و سوختن جنگل ها و مراتع از منابع طبیعی و سوزاندن سوخت های فسیلی و تغییر پوشش سطحی زمین از منابع انسانی تولید هواویزها هستند. هواویزهای ناشی از فعالیت های انسانی حدود ده درصد هواویزهای جوی را تشکیل می دهند. هواویزها نقش مهمی در زور تابشی جو، ویژگی ابرها، کیفیت هوا و سلامتی انسان ها دارند. هواویزها توزیع مکانی و زمانی متنوعی در سطح کره زمین دارند. خواص اپتیکی و فیزیکی آنها از بزرگ ترین منابع عدم قطعیت در مطالعات تغییر اقلیم و مدل های پیش بینی هواشناسی هستند. به منظور حل این مشکل ها و درک بهتر تأثیرات هواویزها، سیستم های مختلف زمین-پایه و فضایی گسترش یافته اند تا اطلاعات قابل اعتماد، مستمر و گسترده ای از خواص هواویزها و اثرات آنها در اختیار ما بگذارند. شبکه های شیدسنج خورشیدی زمین-پایه و سنجش از دور فضایی (کالیپسو، مادیس و غیره) نمونه هایی از ابزارهای مختلف برای پایش هواویزها هستند. شیدسنج خورشیدی نوعی تابش سنج زمین-پایه است که شدت نور مستقیم رسیده از خورشید (مد خورشید) و نور خورشید پراکنده شده از ذرات جوی (مد آسمان) در طول موج های معین با پهنای کم تر از10 نانومتر و با میدان دید کم تر از 1/2 درجه در سطح زمین اندازه گیری می کند. عمق اپتیکی طیفی هواویزها، میزان ستونی بخار آب، نمای آنگستروم، سپیدایی پراکندگی تک باره، تابع فاز قطبیده، ضریب شکست مختلط هواویزها و درجه قطبش خطی نور خورشید پراکنده شده از ذرات جوی ویژگی هایی از هواویزهای جوی است که از اندازه گیری های شیدسنج خورشیدی استخراج می شوند. در این پایان نامه، اندازه گیری های شیدسنج خورشیدی برای دسته بندی انواع مختلف هواویزهای جو زنجان در دو بازه زمانی بین مهر 1385 - مهر 1387 و دی 1388 - دی 1391 استفاده شده است. در کار نخست، در ادامه پایان نامه کارشناسی ارشد، ابتدا الگوریتم حذف ابر از داده های ثبت شده به برنامه ها افزوده شد و سپس دوباره داده های ثبت شده شیدسنج خورشیدی در مد خورشید برای بازه زمانی بین مهر 1385 - مهر 1387 بررسی و گزارش شد. در این کار، عمق اپتیکی طیفی هواویزها، نمای آنگستروم و میزان ستونی بخار آب از داده های ثبت شده در بازه زمانی ذکر شده محاسبه شد. عمق اپتیکی هواویزها معیاری از میزان هواویزها در ستون قائم جوی است و از خاموشی نور مستقیم خورشید در چهار طول موج 440، 675، 870 و 1020 نانومتر بدست می آید. نمای آنگستروم معیاری کیفی از ابعاد هواویزهای غالب در جو زمین است که از تغییرات لگاریتمی عمق اپتیکی هواویزها در سه طول موج 440، 675 و 870 محاسبه می شود. میزان ستونی بخار آب از اندازه گیری خاموشی نور مستقیم خورشید در طول موج 936 نانومتر (از نوارهای جذبی بخار آب) استخراج می شود. میانگین عمق اپتیکی هواویزها درطول موج 440 نانومتر، میزان ستونی بخار آب و نمای آنگستروم به ترتیب ترتیب برابر 0/14± 0/28، 0/37 ± 0/57 و 0/30± 0/73هستند. بیشینه (کمینه) مقدار عمق اپتیکی هواویزها در فصل بهار و تابستان (زمستان) و بیشینه (کمینه) مقدار میزان ستونی بخار آب در تابستان (زمستان) مشاهده می شود. از برازش چند جمله ای درجه دوم به لگاریتم عمق اپتیکی هواویزها در سه طول موج 440، 675و 870 نانومتر نسبت به لگاریتم خود طول موج ها می توان ضرایب α1و α2 را بدست آورد که معیار دقیق تری از ابعاد هواویزهای جوی هستند. مقدار ضریب α2برای جو زنجان نشان می دهد که اغلب هواویزهای جو زنجان بزرگ تر از یک میکرومتر هستند. مقادیر محاسبه شده α2-α1 نمایانگر این موضوع هستند که %80 هواویزهای زنجان در مد درشت دانه (1μm<) و %20 آنها در مد ریزدانه (1μm<) قرار دارند. مقایسه مقادیر α2-α1 برای جو زنجان با مناطق دیگر نشان می دهد که غبار نوع غالب هواویزهای شهر زنجان را تشکیل می دهد. از طرفی نشان دادیم که همبستگی عمق اپتیکی هواویزها و ضریب α2-α1 قادر به جداسازی هواویزهای جو زنجان است. ویژگی های دیگر هواویزها مانند، سپیدایی پراکندگی تک باره، تابع فاز قطبیده و ضریب شکست هواویزها از مقایسه اندازه گیری های ناقطبیده و قطبیده شیدسنج خورشیدی در طول موج 870 نانومتر و برآورد نظری شدت نور خورشید پراکنده شده از ذرات موجود در جو زمین استخراج می شود. انتشار تابش خورشیدی در جو زمین با استفاده از حل معادله برداری انتقال تابش برای جوی تخت، هنگامی که توزیع ابعادی هواویزها دو مدی است، محاسبه می شود. تئوری پراکندگی ریلی و می برای محاسبه کمیت های اپتیکی برهمکنش نور خورشید به ترتیب با مولکول ها و هواویزها بکار می روند. حساسیت تابع فاز قطبیده هواویزها به شکل ذرات هواویز بررسی شده است. نتایج محاسبات تابع فاز قطبیده هواویزها برای مخلوطی از شبه کره های بیضی گون با جهت گیری کاتوره ای و نسبت های محوری مختلف و مدل کروی (تئوری پراکندگی می) نشان می دهند که تابع فاز قطبیده هواویزها به شکل ذرات وابسته نیست. در کار دوم، توانایی دسته بندی تابع فاز قطبیده هواویزها برای جو زنجان بررسی شد. عمق اپتیکی هواویزها، نمای آنگستروم، سپیدایی پراکندگی تک باره و تابع فاز قطبیده هواویزها از اندازه گیری های شیدسنج خورشیدی در بازه زمانی دی 1388 - دی 1391 استخراج شدند. نتایج نشان می دهند که بیشینه مقدار تابع فاز قطبیده هواویزها همبستگی (برابر با r=0/95) زیادی با نمای آنگستروم دارد. همبستگی تابع فاز قطبیده هواویزها در زاویه 60 درجه و نمای آنگستروم می تواند معیاری از ضریب شکست هواویزهای جو زنجان باشد. بیشینه مقدار تابع فاز قطبیده هواویزها همبستگی منفی با عمق اپتیکی هواویزها و سپیدایی پراکندگی تک باره (به ترتیب برابر با r=-0/76و 0/33-=r) دارد. همچنین از مقایسه تابع فاز قطبیده هواویزها استخراج شده از داده های قطبیده شیدسنج خورشیدی و مقادیر محاسبه شده آن از محاسبات نظری نشان داده شد که تابع فاز قطبیده در یک زاویه پراکندگی معین می تواند معیاری از ضریب شکست هواویزها را در اختیار ما قرار دهد. نتایج بررسی هواویزهای شهر زنجان نشان می دهند که تابع فاز قطبیده هواویزها توانایی دسته بندی هواویزهای مناطق شهری واقع در نواحی خشک و نیمه خشک کمربند غباری کره زمین را دارد.