作為 MAPP 計畫 (EURAMET) 的一部分，對氣溶膠進行從紫外線到近紅外線的光譜測量
了解大自然和人為大氣氣溶膠如何影響氣候
大氣氣溶膠源自於自然現象，例如海水噴霧中的鹽分或沙漠中的沙子。
它們也來自人為因素，包括燃燒廢物或化石燃料。根據其性質，它們可以冷卻或加熱地球表面，影響雲層的形成和天氣模式。地面儀器可以幫助確定它們的性質，但需要改進的計量技術來確定它們對氣候變遷的影響。
挑戰
減少溫室氣體的產生對於將全球氣溫升高幅度控制在工業化前水平以上 1.5°C 以內至關重要。然而，大氣氣溶膠也具有重大影響，對氣候變遷估計造成最大的不確定性。來自垃圾焚燒等人造來源的顆粒往往是黑色的，會吸收熱量並使地球變暖。除了野火外，火山硫磺顆粒等天然氣溶膠通常較白，可反射陽光，進而導致冷卻。模型表明，自 19 世紀 80 年代以來，後者已經抵消了大約一半的溫室氣體影響。因此它們被全球氣候觀測系統認定為「基本氣候變數」。
輻射計利用遙感技術提供大氣柱中所有粒子如何吸收或散射光的資訊。它們測量從地面到不存在氣溶膠的「大氣頂部」（ToA）的「氣溶膠光學深度」（AOD）。它們根據從地面測量推斷出的 ToA 值進行校準，在晴朗天氣下在高海拔地區進行，然後重新定位到其運行監測站點，此時計量可追溯性將丟失。
2021 年開發了一種新的參考光譜，可根據衛星觀測提供 ToA 值－「光譜太陽輻照感測器-1 混合太陽參考光譜」（TSIS-1 HSRS），與先前衛星測定的太陽光譜相比，其不確定性大大降低。這消除了對地面外推的需要，從而有可能在實驗室中校準儀器，並且測量結果完全可追溯到 SI。
影響
四十年來，Gigahertz-Optik 為 LED 製造、雷射、光醫學、成像感測器、太陽能和臭氧應用等領域的光學測量提供了尖端儀器、軟體、知識和計量解決方案。
涵蓋 300 nm - 1050 nm 和 950 nm - 2150 nm 的 BTS 感測器可以進行 1700 nm 以上的光譜測量，而先前該範圍受到限制。 Gigahertz-Optik 現已將新軟體整合到該光譜輻射計中，該公司感謝 MAPP 專案、PMOD/WRC 和 PTB 協助校準和驗證其 AOD 測量。所做的工作大大提高了測量氣溶膠的輻射特性及其對氣候的影響的信心。使用實驗室校準儀器檢索到的 AOD 也與屬於兩個大氣網絡的濾波輻射計表現出極好的一致性 - 並且接受限度完全在世界氣象組織定義的範圍內。
歐洲國家測量機構攜手合作
歐洲計量創新與研究計畫 (EMPIR) 是歐盟研究與創新框架計畫「地平線 2020」的一部分。 EMPIR 資金來自 28 個參與的 EURAMET 成員國，用於支持歐洲內外的測量機構、學術界和工業界之間的合作研究，以解決關鍵的計量挑戰並確保測量科學滿足未來需求。
解決方案
在 MAPP 計畫期間，在伊薩尼亞大氣觀測站使用五種不同類型的光譜輻射儀進行了為期 3 週的實地考察，該觀測站由於其穩定的大氣條件而成為推斷 ToA 值的高海拔主要校準站。所有儀器均經過實驗室校準，包括專案合作夥伴 Gigahertz Optik GmbH 的 BiTec 感測器 (BTS)。這是在 Gigahertz-Optik 自己的 ISO 17025 認證實驗室中校準的，結果顯示 AOD 的測量不確定度為 1%。在活動期間，Gigahertz Optik 採用了 PMOD/WRC 新開發的演算法來檢索 AOD，並經過了德國國家計量院 PTB 的驗證。
將所有五種儀器檢索到的 ToA 數據與 TSIS-1 HSRS 進行了比較，結果顯示一致性為 99%，並將該參考光譜在紫外線區域（308 nm 至 400 nm）的相對不確定性從 1.3% 降低到 0.8%。
用於測量大氣氣溶膠的儀器現在可以在實驗室中進行校準，並運送到其操作區域。除了證明可以保持這些的 SI 可追溯性之外，所獲得的知識還將有助於將大氣氣溶膠對氣候的影響與自然和人為來源分開。
從長遠來看，這還可以幫助地球工程提案，即向平流層注入特定的氣溶膠，以減少目前正在發生的全球變暖，因為這些提案的成功將取決於可實現的太陽暗化程度，而 SI 可追溯性和測量不確定性將是關鍵因素。
MAPP 專案概覽：
- 開發了校準方法和設備，用於對測量直接太陽和月球光譜輻照度和天空輻射度的輻射計進行 SI 可追溯實驗室和現場校準，光譜範圍為 310 nm 至 1700 nm，擴展相對不確定度為 1%
- 透過可追溯的地面太陽光譜輻照度測量，並與基於衛星的太陽外層光譜進行比較，驗證了零大氣質量外推方法
- 為三個全球網路（GAWPFR、AERONET 和 SKYNET）中運行的三種主要太陽光度計類型提供氣溶膠光學厚度的詳細不確定性預算
- 開發了新的儀器，包括基於 LED 的積分球，涵蓋 340 nm 至 1700 nm 的擴展波長範圍，以及窄帶可調便攜式輻射源
- 調整並擴展了 GRASP 理論和軟體包，為從地面遙感中檢索到的所有參數的不確定性提供了增強的估計