Compensating for the Effects of Stray Light in Single-Monochromator Brewer Spectrophotometer Ozone Retrieval

Abstract

Spectrometers are designed to isolate particular wavebands and suppress light from wavelengths outside the band of interest. However, a small amount of undesired light will always enter the detector, not through the designed optical path, but through random scattering from the instrument optical components, housing, and dust particles. Every spectrophotometer has stray light coming from outside the nominal measurement waveband. For Dobson spectrophotometers and single monochromator Brewer spectrophotometers, which are basic instruments in the World Meteorological Organization (WMO) ozone and ultraviolet (UV) monitoring network, the error introduced by stray light is substantial when the ozone slant path becomes very large because of high solar zenith angles and a thick ozone layer. These are common conditions during Arctic spring. To study the issue, a long ozone slant path Intercomparison/Calibration campaign for Nordic Brewers and Dobsons was held at Sodankylä 8–24 March 2011 and a follow-up campaign to extend calibrations to shorter ozone slant paths took place at Izaña observatory, Tenerife, between 28 October and 18 November 2011. These campaigns were part of the Committee on Earth Observation Satellites (CEOS) Intercalibration of Ground-based Spectrometers and Lidars project funded by the European Space Agency (ESA), intended to permit the homogenization of ozone data from the European ozone ground-truthing network. During the active intercomparison periods, measurements were taken only when good conditions for sun or moon observations existed. Laboratory measurements using calibration lamps and helium-cadmium (HeCd) lasers were an essential part of both campaigns. The campaigns produced a high-quality database of total ozone and UV measurements and an accurate, up-to-date calibration and characterization of participating Brewers and Dobsons against the European standard instruments from the Regional Dobson Calibration Centre-Europe (RDCC-E) and the Regional Brewer Calibration Centre-Europe (RBCC-E). In the present work we focus on single monochromator Brewers and present a physics-based method to compensate for the stray-light effects in ozone retrieval using laboratory characterizations and radiative transfer modelling. The method was tested with independent data from the campaign.

Résumé

[Traduit par la rédaction] Les spectromètres sont conçus pour isoler des gammes de longueurs d'onde particulières et supprimer la lumière de longueurs d'onde différentes qui se trouve en dehors de la gamme d'intérêt. Cependant, il y a toujours une petite quantité de lumière indésirable qui entre dans le détecteur, non pas par le chemin optique prévu mais par suite d'une diffusion aléatoire par les éléments optiques de l'instrument, le boîtier et les particules de poussière. Il y a dans chaque spectrophotomètre de la lumière parasite ne faisant pas partie de la gamme de longueurs d'onde nominale d'intérêt. Pour les spectrophotomètres Dobson et les spectrophotomètre à monochromateur Brewer, qui sont des instruments de base dans le réseau d'observation de l'ozone et des ultraviolets de l'Organisation météorologique mondiale (OMM), l'erreur introduite par la lumière parasite est importante quand le trajet oblique dans l'ozone devient très grand en raison des angles zénithaux solaires élevés et d'une couche d'ozone épaisse. Ces conditions sont courantes durant le printemps arctique. Pour étudier la question, une campagne d'intercomparaisons/étalonnage pour les longs trajets obliques dans l'ozone pour les Brewers et les Dobsons nordiques a eu lieu à Sodankylä du 8 au 24 mars 2011 et une campagne de suivi ayant pour but d’étendre les étalonnages à des trajets obliques plus courts dans l'ozone a eu lieu à l'observatoire Izaña, à Tenerife, entre le 28 octobre et le 18 novembre 2011. Ces campagnes faisaient partie du projet d'interétalonnage des spectromètres et des lidars basés au sol du Comité sur les satellites d'observation de la Terre (CEOS) financé par l'Agence spatiale européenne (ASE) et ayant pour but de permettre l'homogénéisation des données sur l'ozone du réseau européen de vérification au sol de l'ozone. Au cours des périodes pendant lesquelles les intercomparaisons ont eu lieu, des mesures ont été prises seulement quand les conditions d'observation du soleil ou de la lune étaient bonnes. Des mesures en laboratoire faites au moyen de lampes d’étalonnage et de laser à hélium-cadmium (HeCd) formaient une partie essentielle des deux campagnes. Les campagnes ont produit une base de données de haute qualité de mesures d'ozone total et d'UV ainsi qu'un étalonnage et une caractérisation précis et à jour des Brewers et des Dobsons participants en regard des instruments européens normalisés du Centre régional d’étalonnage Dobson pour l'Europe (RDCC-E) et du Centre régional d’étalonnage Brewer pour l'Europe (RBCC-E). Dans le présent travail, nous nous intéressons plus particulièrement aux Brewers à monochromateur unique et présentons une méthode basée sur la physique pour compenser les effets de la lumière parasite dans l'extraction d'ozone au moyen de caractérisations en laboratoire et de la modélisation du transfert radiatif. La méthode a été testée avec des données indépendantes de la campagne.

Keywords:

• Brewer spectrophotometer
• stray-light correction
• radiative transfer modelling
• instrument characterization

Acknowledgements

The study was sponsored by the ESA CEOS Intercalibration of Ground-Based Spectrometers and Lidars project. We would also like to thank Antti Arola and Anders Lindfors for valuable discussions and for sharing their knowledge on radiative transfer modelling.