Comparison of global UV spectral irradiance measurements between a BTS CCD-array and a Brewer spectroradiometer

Abstract

Las medidas espectrales de la irradiancia UV son de gran importancia para la protección de la salud humana, así como para apoyar la investigación científica. Para realizar estas medidas, los espectrorradiómetros de barrido con doble monocromador son los dispositivos preferidos gracias a su linealidad y a la reducción de la luz parásita. Sin embargo, debido a su elevado coste y mantenimiento exigente, los espectrorradiómetros basados en arrays de CCD se utilizan cada vez más para monitorizar la irradiancia UV. No obstante, los espectrorradiómetros de arrays de CCD presentan limitaciones específicas, como un umbral de detección elevado o la presencia de luz parásita. Para superar estas dificultades, varios fabricantes se esfuerzan por desarrollar instrumentos mejorados. En concreto, Gigahertz-Optik GmbH ha desarrollado la serie de espectrorradiómetros BTS2048-UV-S (en lo sucesivo, "BTS") con luz parásita reducida. En este estudio se ha evaluado el rendimiento a largo plazo del BTS y su comportamiento estacional, en relación con la irradiancia UV global. Para llevar a cabo el análisis, se compararon las medidas de irradiancia del BTS con las medidas del espectrofotómetro de barrido Brewer MK-III #150 durante tres campañas. Para la comparación se utilizaron un total de 711 espectros simultáneos, medidos en condiciones de ausencia de nubes y cubriendo una amplia gama de ángulos cenitales solares (SZAs; de 14 a 70º) e índices UV (de 2,4 a 10,6). Durante las tres campañas de medida, la relación espectral UV global BTS / Brewer resultó casi constante (en torno a 0,93) en la región 305-360 nm para SZAs inferiores a 70º. Así, la calibración BTS fue estable durante todo el periodo de estudio (∼ 1,5 años). Asimismo, no mostró una dependencia estacional ni con SZA significativa en este intervalo de longitudes de onda. En cuanto al índice UV, se encontró una buena correlación entre el BTS y el Brewer #150, es decir, el rango dinámico del BTS es comparable al del Brewer #150. Estos resultados confirman la calidad del rendimiento a largo plazo del espectrorradiómetro de arrays de CCD BTS para la medida de la irradiancia UV global.

Spectral measurements of UV irradiance are of great importance for protecting human health as well as for supporting scientific research. To perform these measurements, double monochromator scanning spectroradiometers are the preferred devices thanks to their linearity and stray-light reduction. However, because of their high cost and demanding maintenance, CCD-array-based spectroradiometers are increasingly used for monitoring UV irradiance. Nevertheless, CCD-array spectroradiometers have specific limitations, such as a high detection threshold or stray-light contamination. To overcome these challenges, several manufacturers are striving to develop improved instrumentation. In particular, Gigahertz-Optik GmbH has developed the stray-light-reduced BTS2048-UV-S spectroradiometer series (hereafter “BTS”). In this study, the long-term performance of the BTS and its seasonal behavior, regarding global UV irradiance, was assessed. To carry out the analysis, BTS irradiance measurements were compared against measurements from the Brewer MK-III #150 scanning spectrophotometer during three campaigns. A total of 711 simultaneous spectra, measured under cloud-free conditions and covering a wide range of solar zenith angles (SZAs; from 14 to 70º) and UV indexes (from 2.4 to 10.6), were used for the comparison. During the three measurement campaigns, the global UV spectral ratio BTS / Brewer was almost constant (at around 0.93) in the 305–360 nm region for SZAs below 70º. Thus, the BTS calibration was stable during the whole period of study (∼ 1.5 years). Likewise, it showed no significant seasonal or SZA dependence in this wavelength region. Regarding the UV index, a good correlation between the BTS and the Brewer #150 was found, i.e., the dynamic range of the BTS is comparable to that of the Brewer #150. These results confirm the quality of the long-term performance of the BTS array spectroradiometer in measuring global UV irradiance.