Absorption of solar radiation by atmospheric aerosol, as revealed by measurements at the ground

Summary

Recorded values of global and diffuse solar radiation at the ground in cloudless conditions are compared with values computed for a clean atmosphere, taking into account Rayleigh scattering and absorption by H₂O and O₃. The diffuse radiation allows an estimate of the scattering by aerosol; the global radiation allows an estimate of the total attenuation. Aerosol absorption is thus obtained as the difference between the two estimates. An assumption of an angular distribution for aerosol scattering is involved; it is broadly justified by appeal to aircraft observations.

In the course of the work comparison is made of the results of simple, single-scattering, and complex, multiple-scattering, computations of atmospheric transmission.

For urban atmospheres (Kew, near London, and Vienna) aerosol absorption in excess of that due to H₂O is found. For two island stations (Malta and Shetland) absorption comparable with that due to H₂O is found. For selected very clear conditions at three high-level stations in Africa, and for mean conditions in the Antarctic, absorptions of two or three per cent are indicated.

Examination of records of global illumination and of the direct solar radiation in three spectral bands at Kew suggests that the total attenuation and absorption by aerosol are very approximately non-selective there.

These results are in broad agreement with recent direct measurements from aircraft. The method is capable of wide application, as global and diffuse solar radiation are now recorded at many stations.

Zusammenfassung

Registrierte Werte der Global- und Himmelsstrahlung am Boden bei wolkenlosem Himmel werden verglichen, mit den Werten, die für eine reine Atmosphäre unter Berücksichtigung der Rayleigh-Streuung und der Absorption durch H₂O und O₃ errechnet werden können. Die Himmelsstrahlung gestattet eine Abschätzung der Streuung durch das Aerosol; die Globalstrahlung gibt eine Schätzung der gesamten Schwächung. Die Absorption durch das Aerosol wird daher als Differenz der beiden Abschätzungen erhalten. Für die Aerosolstreuung wurde eine Abhängigkeit von der Streurichtung angenommen; dies wird durch Flugzeugbeobachtungen gerechtfertigt.

Es werden auch die Ergebnisse aus einfachen (einmalige Streuung) und komplexen Berechnungsmethoden (mehrfache Streuung) der atmosphärischen Durchlässigkeit verglichen.

In Stadtatmosphären (Kew und Wien) findet man eine Aerosolabsorption, die die von H₂O übertrifft. An zwei Inselstationen (Malta und Shetland) ist die Aerosolabsorption von der gleichen Größenordnung wie die von H₂O. An ausgesuchten sehr klaren Tagen wurden an drei Höhenstationen in Afrika Absorptionen von zwei bis drei Prozent gefunden, ebenso unter durchschnittlichen Bedingungen in der Antarktis.

Die Untersuchung der Registrierungen der globalen Beleuchtungsstärke und der direkten Sonnenstrahlung in drei Spektralbanden in Kew ergab näherungsweise, daß dort die Gesamtschwächung und die Aerosolabsorption nicht selektiv sind.

Diese Resultate sind in guter Übereinstimmung mit neueren Messungen aus Flugzeugen. Die Methode kann eine weite Anwendung finden, da jetzt Global- und Himmelsstrahlung an vielen Stationen registriert werden.

Résumé

Les valeurs enregistrées de la radiation globale aussi bien que du ciel au sol sont comparées, dans le cas d'un ciel serein, avec les chiffres calculés pour une atmosphère pure. Dans ce second cas, on a tenu compte de la dispersion de Rayleigh et de l'absorption par H₂O et O₃. Le rayonnement du ciel permet d'estimer la diffusion provoquée par l'aérosol. La radiation globale permet en outre une estimation de l'extinction totale du rayonnement. L'absorption par l'aérosol est obtenue par la différence des deux estimations précédentes. On s'est servi d'une relation en fonction de la direction du rayonnement pour calculer la dispersion due à l'aérosol. Cette manière de faire semble justifiée au vu des observations d'avions.

On compare en outre les résultats de la transmission de l'atmosphère obtanus par des méthodes de calculs simples (dispersion simple) ou complexes (dispersions multiples).

Dans l'atmosphère des villes (Kew et Vienne), l'absorption due à l'aérosol dépasse celle de la vapeur d'eau. A deux stations placées sur des îles (Malte et les Shetlands), l'absorption due à l'aérosol est du même ordre de grandeur que celle d'H₂O. On a enfin constaté, par des journées spécialement claires, des absorptions de 2 à 3 % à 3 stations de montagne en Afrique. Il en va d'ailleurs de même en conditions normales dans l'Antarctique.

Le dépouillement des enregistrements de l'intensité lumineuse et de l'insolation directe dans trois bandes spectrales a montré, à Kew, que la diminution totale du rayonnement et l'absorption due à l'aérosol n'y sont à peu près pas sélectives.

Ces résultats correspondent très bien à des mesures récentes faites à bord d'avions. La dite méthode peut être utilisée sur une vaste échelle vu que les radiations globale et du ciel sont enregistrées en de nombreuses stations.