ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΦΥΣΙΚΗΣ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ. Διδακτορική Διατριβή

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΦΥΣΙΚΗΣ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ Διδακτορική Διατριβή Μελέτη των οπτικών και φυσικών ιδιοτήτων των αιωρούμενων σωματιδίων με μεθόδους τηλεπισκόπησης laser Ελένη Ε. Γιαννακάκη Φυσικός M.Sc. Φυσικής Περιβάλλοντος Θεσσαλονίκη 2009

2

3 Στους γονείς μου Μανώλη και Σταυρούλα και στα αδέλφια μου Νώντα, Γιάννη, Νατάσα και Δημήτρη

4

5 Η παρούσα διδακτορική διατριβή εκπονήθηκε στο πλαίσιο του προγράμματος: «ΠΕΝΕΔ 2003: Πρόγραμμα Ενίσχυσης Ερευνητικού Δυναμικού» [03-ΕΔ-344]. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Μέτρου 8.3 του Ε.Π. Ανταγωνιστικότητα Γ Κοινοτικό Πλαίσιο Στήριξης και συγχρηματοδοτείται κατά: 75% της Δημόσια Δαπάνης από την Ευρωπαϊκή Ένωση Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο 25% της Δημόσιας Δαπάνης απο το Ελληνικό Δημόσιο Υπουργείο Ανάπτυξης Γενική Γραμματεία Έρευνας και Τεχνολογίας This thesis is part of 03ED-344 research project, implemented within the framework of the Reinforcement Programme of Human Research Manpower [PENED] and co-financed by National and Community Funds {25% from Greek Ministry of Development General Secretariat of Research and Techonology and 75% from E.U. European Social Fund}

6 Τριμελής Συμβουλευτική Επιτροπή: Επιβλέπων: Επ. Καθηγητής Δημήτρης Μπαλής, Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης Τα μέλη: Καθηγητής Αλκιβιάδης Μπάης, Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης Αν. Καθηγητής Δημήτρης Μελάς, Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης Τα υπόλοιπα μέλη της 7-μελούς Εξεταστικής Επιτροπής: Καθηγητής Κωνσταντίνος Μανωλίκας, Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης Καθηγητής Νικόλας Μιχαλόπουλος, Πανεπιστήμιο Κρήτης Αν. Καθηγητής Αλέξανδρος Παπαγιάννης, Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο Επ. Καθηγήτρια Χαρούλα Μελέτη, Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης

7 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η διατριβή αυτή είναι το αποτέλεσμα μιας πολύχρονης προσπάθειας. Νιώθω πραγματικά τυχερή γιατί σε αυτήν την προσπάθεια είχα την στήριξη πολλών ανθρώπων, τους οποίους θα ήθελα να ευχαριστήσω. Αρχικά, θα ήθελα να αναφερθώ στον Επίκουρο καθηγητή κ. Δημήτρη Μπαλή, ο οποίος είναι o επιβλέπων της διατριβής. Τον ευχαριστώ ειλικρινά για την εμπιστοσύνη που μου έδειξε κατά τα πρώτα στάδια των σπουδών μου, καθώς και για την επιστημονική του βοήθεια, την άριστη καθοδήγηση και το ενδιαφέρον του καθ όλη την διάρκεια εκπόνησης της διατριβής. Επίσης, θα ήθελα να ευχαριστήσω τα μέλη της Τριμελούς Συμβουλευτικής Επιτροπής, τους κ. Αλκιβιάδη Μπάη και κ. Δημήτρη Μελά για την πολύτιμη βοήθεια και την συνεχή υποστήριξή τους καθώς επίσης και για τις γνώσεις που μου προσέφεραν σε θέματα υπεριώδους ακτινοβολίας και μετεωρολογίας. Ο Βασίλης Αμοιρίδης τα τελευταία χρόνια υπήρξε φίλος και συνεργάτης. Τον ευχαριστώ θερμά για την ανιδιοτελή βοήθειά του στο ξεκίνημα των σπουδών μου, τις πολύτιμες επιστημονικές του συμβουλές, την ηθική του υποστήριξη και κυρίως τον ευχαριστώ για το ότι υπήρξε φίλος μου όλα αυτά τα χρόνια. Θα ήθελα επίσης να ευχαριστήσω θερμά τον Dr. Detlef Müller για την παραχώρηση του αλγορίθμου αναστροφής των σημάτων lidar. Υπήρξε για μένα ένας άριστος δάσκαλος και η συμβολή του ήταν καθοριστική για την ολοκλήρωση της διατριβής. Τον ευχαριστώ ιδιαίτερα για την όμορφη φιλοξενία του στην Λειψία. Στο σημείο αυτό θα ήθελα να ευχαριστήσω τον Καθηγητή κ. Σπύρο Ραψομανίκη και την υποψήφια διδάκτορα Κική Κελέτσογλου για την παραχώρηση των δεδομένων της κατακόρυφης κατανομής της ανακλαστικότητας μεμονωμένης σκέδασης κατά την διάρκεια της εκστρατείας του SCOUT-O 3.

8 Επίσης θα ήθελα να ευχαριστήσω τους Δρ. Βαγγέλη Κοσμίδη και Παναγιώτη Συμεωνίδη της εταιρείας DRAXIS για την συμμετοχή τους στην χρηματοδότηση του ερευνητικού προγράμματος ΠΕΝΕΔ 2003 [03-ΕΔ-344]. Επίσης θα ήθελα να ευχαριστήσω την επ. Καθηγήτρια κ. Μελέτη Χ., την επ. Καθηγήτρια κ. Τουρπάλη Κ. καθώς και τους συνεργάτες του Εργαστηρίου Φυσικής της Ατμόσφαιρας τους Α.Π.Θ., Α. Καζαντίδη, Κ. Γκαρανέ, Χ. Τοπάλογλου, Μ. Κουκουλή, Α. Πούπκου, Γ. Κουτσούκη, Ε. Κατράγκου,, Η. Λυσσαρίδη, Ε. Ζυριχίδου, Κ. Μαρκάκη, Θ. Γιάνναρο, Μ. Ζεμπιλά, Γ. Αλεξαντρή και Κ. Φράγκο για τις χρήσιμες, επιστημονικές και φιλικές, συζητήσεις που είχα μαζί τους όλα αυτά τα χρόνια. Ιδιαίτερα όμως θα ήθελα να αναφερθώ στους συναδέλφους Σ. Καζαντζή, Ν. Κουρεμέτη και Ρ. Μαμούρη για το ενδιαφέρον, τις πολύτιμες συμβουλές και την αμέριστη συμπαράσταση που έδειξαν σε αυτήν την προσπάθεια. Θα ήταν παράλειψή μου, αν δεν ευχαριστούσα τους απόφοιτους του μεταπτυχιακού τμήματος Φυσικής Περιβάλλοντος, Φ. Μπουμπουλούδη και Σ. Μπουρτσουκίδη για την συμβολή τους στις δύσκολες νυχτερινές μετρήσεις. Στο σημείο αυτό θα ήθελα να ευχαριστήσω όλους τους φίλους μου και ιδιαίτερα τον Γιώργο που στάθηκε δίπλα μου με υπομονή και κατανόηση στον τελευταίο χρόνο εκπόνησης της διατριβής. Τέλος, θα ήθελα να ευχαριστήσω με όλη μου την καρδιά τους γονείς μου που με την απέραντη αγάπη τους με στήριζαν σιωπηλά όλα τα χρόνια της ζωής μου καθώς και τα αδέλφια μου Νώντα, Γιάννη, Νατάσα και Δημήτρη, που σε ό,τι και αν τους χρειάστηκα βρίσκονταν στο πλάι μου. Θα ήθελα ειλικρινά και μέσα από τα βάθη της καρδιάς μου να τους αφιερώσω αυτήν την διδακτορική διατριβή, αναγνωρίζοντας όλες τις προσπάθειες που έχουν κάνει. Ελίνα Ε. Γιαννακάκη Θεσσαλονίκη, Απρίλιος 2009

9 ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΚΕΙΜΕΝΟΥ Γιαννακάκη, Ελένη Μελέτη των οπτικών και φυσικών ιδιοτήτων των αιωρούμενων σωματιδίων με μεθόδους τηλεπισκόπησης laser Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης, Διδακτορική διατριβή Απρίλιος Σελίδες, 280 Αναφορές, 73 Σχήματα, 23 Πίνακες Περίληψη Αντικείμενο της διατριβής αυτής είναι η μελέτη των οπτικών και φυσικών ιδιοτήτων των αιωρούμενων σωματιδίων με μεθόδους τηλεπισκόπησης laser. Για τον σκοπό αυτό χρησιμοποιήθηκε ένα σύστημα lidar [= light detection and ranging] το οποίο στεγάζεται στο Εργαστήριο Φυσικής της Ατμόσφαιρας [= ΕΦΑ] και με το οποίο πραγματοποιούνται μετρήσεις από το Το κίνητρο και οι στόχοι της διατριβής αυτής αναπτύσσονται στο πρώτο κεφάλαιο το οποίο αποτελεί και την εισαγωγή. Η περιγραφή του συστήματος, η αρχή λειτουργίας του οργάνου και οι βασικοί ορισμοί των οπτικών και μικροφυσικών ιδιοτήτων αποτελούν το δεύτερο κεφάλαιο της διατριβής. Στο πλαίσιο αυτού του κεφαλαίου περιγράφεται η τεχνική αναβάθμιση του συστήματος lidar, καθώς επίσης και ο πειραματικός προσδιορισμός της συνάρτησης αλληλεπικάλυψης. Τα αποτελέσματα της στατιστικής επεξεργασίας των μετρήσεων των αιωρούμενων σωματιδίων που πραγματοποιήθηκαν από το 2000 μέχρι το 2007, στην περιοχή της Θεσσαλονίκης αποτελούν το αντικείμενο μελέτης του τρίτου κεφαλαίου. Συγκεκριμένα, μελετάμε τις βασικότερες οπτικές παραμέτρους, δηλαδή τον συντελεστή οπισθοσκέδασης, τον συντελεστή εξασθένησης, τον λόγο του συντελεστή εξασθένησης προς τον συντελεστή οπισθοσκέδασης καθώς και τον εκθέτη Ångström των αιωρούμενων σωματιδίων. Το μέσο οπτικό βάθος για την περίοδο μελέτης είναι της τάξης του 0.6, ενώ η συνεισφορά των σωματιδίων της ελεύθερης τροπόσφαιρας στο συνολικό φορτίο των σωματιδίων παρουσιάζει ιδιαίτερη μεταβλητότητα από 2% έως 84%. Στο

10 πλαίσιο αυτού του κεφαλαίου βρέθηκε και ποσοτικοποιήθηκε η εποχιακή εξάρτηση των οπτικών ιδιοτήτων, με το οπτικό βάθος να εμφανίζει δύο διακριτά μέγιστα, ένα κατά την διάρκεια του Καλοκαιριού και ένα κατά την διάρκεια της Άνοιξης. Χρησιμοποιώντας ανάλυση οπισθοτροχιών των αέριων μαζών κατά συστάδες καθώς και συνεργιστικά εργαλεία όπως το προγνωστικό μοντέλο DREAM για πιθανή μεταφορά αιωρούμενων σωματιδίων από την έρημο Σαχάρα καθώς και δορυφορικά δεδομένα για την πιθανή μεταφορά των σωματιδίων καπνού από καύση βιομάζας στην περιοχή μας, κατηγοριοποιήθηκαν οι μετρήσεις με βάση την πιθανή πηγή προέλευσης των σωματιδίων. Τα μεγαλύτερα οπτικά βάθη παρατηρούνται σε περιπτώσεις μεταφοράς σωματιδίων καπνού καθώς επίσης και μεταφοράς σωματιδίων από την περιοχή της Σαχάρας. Στο τέλος του κεφαλαίου γίνεται μια προσπάθεια για να δοθούν χαρακτηριστικές υπογραφές για κάθε τύπο αιωρούμενων σωματιδίων, συσχετίζοντας τις τιμές του λόγου lidar και του εκθέτη Ångström. Πολύ καλή αντισυσχέτιση βρέθηκε μεταξύ των δύο μεγεθών στην περίπτωση των σωματιδίων από την έρημο Σαχάρα και των σωματιδίων καπνού από καυση βιομάζας με τον συντελεστή συσχέτισης να παίρνει τιμές -0.6 και -0.8 αντίστοιχα. Για τα ρυπασμένα ηπειρωτικά σωματίδια καθώς και για ισχυρές συνθήκες ανάμιξης που σχετίζονται με ασθενείς ανέμους, οι τιμές των δύο μεγεθών εμφανίζονται με μεγάλη διακύμανση, ενώ τα καθαρά ηπειρωτικά σωματίδια εμφανίζονται μεγάλα με μικρούς λόγους lidar της τάξης του 30 sr. Χρησιμοποιώντας σύγχρονες μετρήσεις του επίγειου συστήματος lidar και τις μετρήσεις του οργάνου CALIOP του δορυφόρου CALIPSO για την περίοδο Ιούνιος 2006 Ιούλιος 2007 αξιολογούμε τα αποτελέσματα του δορυφορικού συστήματος στο πλαίσιο του τέταρτου κεφαλαίου. Συγκεκριμένα, συγκρίθηκε ο ολικός συντελεστής εξασθενημένης οπισθοσκέδασης και εκτιμήθηκαν οι συνθήκες στις οποίες τα δύο συστήματα φαίνεται να καταγράφουν την ίδια κατακόρυφη δομή. Η σύγκριση των δορυφορικών και επίγειων μετρήσεων κατέδειξε την δυσκολία του δορυφορικού συστήματος στην διαδικασία βαθμονόμησης κατά την διάρκεια της ημέρας λόγω του υψηλού ηλιακού υποβάθρου. Αντίθετα, κατά την διάρκεια των νυχτερινών μετρήσεων το δορυφορικό σύστημα lidar φαίνεται να είναι σε πολύ καλή συμφωνία για ύψη μεγαλύτερα από 6 km, ενώ για ύψη από 3 μέχρι τα 6 km, το δορυφορικό

11 σύστημα υποεκτιμά κατά μέσο όρο κατά 30%. Ανεξαρτήτως των συστηματικών διαφορών μεταξύ των δύο οργάνων, ο συντελεστής συσχέτισης του συντελεστή οπισθοσκέδασης μεταξύ του δορυφορικού συστήματος lidar και των επίγειων συστημάτων του δικτύου EARLINET είναι της τάξης του 0.9 όταν το δορυφορικό ίχνος απέχει από τον εκάστοτε επίγειο σταθμό απόσταση ίση ή μικρότερη των 100 km, ενώ μειώνεται εκθετικά όσο η απόσταση αυτή αυξάνει. Μια ξεχωριστή κατηγορία αιωρούμενων σωματιδίων μπορούν να θεωρηθούν οι παγοκρύσταλλοι. Στο πέμπτο κεφάλαιο της διατριβής αυτής αναλύονται τα αποτελέσματα των μετρήσεων των νεφών cirrus, τα οποία αποτελούνται από παγοκρύσταλλους Οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν με το σύστημα Ramanlidar στην περιοχή της Θεσσαλονίκης για την περίοδο 2000 έως Πιο συγκεκριμένα, τα νέφη cirrus στην περιοχή μας εμφανίζονται σε ένα μέσο ύψος από 8.6 μέχρι 13 km, με αντίστοιχες μέσες θερμοκρασίες από -65 ο C έως -38 ο C. Το γεωμετρικό πάχος των νεφών κυμαίνεται από 1 έως 5 km, με το 38% των μετρήσεων να έχει γεωμετρικό πάχος μεταξύ 2 και 3 km. Επίσης οι οπτικές ιδιότητες των νεφών υπολογίσθηκαν με την χρήση τριών διαφορετικών μεθόδων και βρέθηκε ότι το οπτικό βάθος είναι της τάξης του 0.3 και ο μέσος λόγος lidar της τάξης του 30 sr. Τέλος, μελετήθηκε η εξάρτηση των οπτικών και γεωμετρικών χαρακτηριστικών με την θερμοκρασία και βρέθηκε ότι τα παχύτερα νέφη εμφανίζονται σε θερμοκρασίες από -50 ο C έως -45 ο C, ενώ παρουσιάζονται λεπτότερα και για χαμηλότερες και για υψηλότερες θερμοκρασίες. Επίσης, βρέθηκαν ενδείξεις ότι το οπτικό βάθος και ο μέσος συντελεστής εξασθένησης αυξάνεται με την αύξηση της μέσης θερμοκρασίας των νεφών. Πέραν των οπτικών ιδιοτήτων των αιωρούμενων σωματιδίων γίνεται προσπάθεια για την ανάκτηση των βασικότερων μικροφυσικών ιδιοτήτων των αιωρούμενων σωματιδίων, δηλαδή της ενεργού ακτίνας, του μιγαδικού δείκτη διάθλασης και της ανακλαστικότητας μεμονωμένης σκέδασης για τα δεδομένα της εκστρατείας SCOUT-O 3 στο πλαίσιο του έκτου κεφαλαίου. Αναλυτικότερα, περιγράφεται το πρόβλημα της αναστροφής, η τεχνική κανονικοποίησης και παρουσιάζεται η μεθοδολογία που ακολουθούμε προκειμένου να ανακτήσουμε τις μικροφυσικές ιδιότητες των αιωρούμενων σωματιδίων. Βρέθηκε ότι σε

12 περιπτώσεις ομοιόμορφους κατανομής των αιωρούμενων σωματιδίων ανθρωπογενούς προέλευσης είναι δυνατή η ανάκτηση της κατακόρυφης δομής της ενεργού ακτίνας και της ανακλαστικότητας μεμονωμένης σκέδασης. Τα αποτελέσματα που αφορούν την ενεργό ακτίνα συγκρίθηκαν με αυτά του δικτύου AERONET και βρέθηκε ότι η ενεργός ακτίνα των μικρών σωματιδίων είναι σε πολύ καλή συμφωνία, ενώ αυτά που αφορούν την ανακλαστικότητα μεμονωμένης σκέδασης συγκρίθηκαν με τα αποτελέσματα που προέκυψαν με in-situ που πραγματοποιήθηκαν πάνω σε ένα αεροπλάνο. Στο τέλος, συνοψίζονται τα βασικότερα συμπεράσματα που προέκυψαν από την παρούσα διατριβή όσον αφορά την κλιματολογία των αιωρούμενων σωματίδιων, την αξιολόγηση του οργάνου CALIOP, την στατιστική των νεφών cirrus καθώς και την δυνατότητα ανάκτησης των μικροφυσικών ιδιοτήτων με την συνδυαστική χρήση των δεδομένων του συστήματος lidar και του φασματοφωτομέτρου CIMEL.

13 BIBLIOGRAPHIC DESCRIPTION Giannakaki, Hellen Study of optical and physical properties of aerosols using laser remote sensing techniques Aristotle University of Thessaloniki, Ph.D. Thesis April Pages, 280 References, 73 Figures, 23 Tables Abstract The object of this Thesis is the study of the aerosol optical and microphysical properties derived by using remote sensing techniques. For this aim a lidar [= light detection and ranging] system is used which is located at the Laboratory of Atmospheric Physics [= LAP]. The motivation and the objectives of this thesis are given in the first chapter. The description of the system, the basic definitions of parameters and data analysis methods with which it deals this thesis constitute the second chapter. The experimental determination of overlap function is also presented in the frame of the second chapter. In the third chapter we present the statistical analysis of the lidar-derived aerosol optical properties observed at Thessaloniki from 2000 up to Concretely, we study extinction coefficient, backscatter coefficient, lidar ratio and Ångström exponent of aerosol particles. The mean optical depth for the period of study of is in the order of 0.6, while the contribution of particles of free troposphere in the total optical depth exhibits variability from 2% to 84%. We have found that optical depth presents two distinct maxima one during Spring time and one during Summer months. To investigate this seasonality we have used additional synergistic tools such as DREAM model to identify the cases where aerosols from Saharan dust are observed and satellite data to identify those cases that biomass burning aerosols are observed. We have associated characteristics signatures for each source of aerosols using lidar ratio and Ångström exponent values.

14 In the fourth chapter we used correlative measurements of the ground-based lidar system along with the lidar system CALIOP which is on-board in the satellite CALIPSO. The parameter which is compared is the total attenuated backscatter. We examine under which circumstances the two systems reveals the same vertical structure. We have demonstrate the difficulty of satellite instrument to retrieve the aerosol vertical structure during the day due to large solar background. The correlation coefficient between the satellite instrument and the ground instruments of EARLINET was found to be of the order of 0.9 for distances lower than 100 km. Optical and geometrical characteristics of cirrus clouds over Thessaloniki, Greece have been determined from the analysis of lidar and radiosonde measurements performed during the period from 2000 to 2006 in the frame of fifth chapter. Cirrus clouds are generally observed in a mid-altitude region ranging from 8.6 to 13 km, with mid-cloud temperatures in the range from -65 o to -38 o C. The cloud thickness generally ranges from 1 to 5 km and 38% of the cases studied have thickness between 2 and 3 km. The retrieval of optical depth and lidar ratio of cirrus clouds is performed using three different methods, taking into account multiple scattering effect. The mean optical depth is found to be 0.31 ± 0.24 and the corresponding mean lidar ratio is 30 ± 17 sr following the scheme of Klett-Fernald method. Sub-visual, thin and opaque cirrus clouds are observed at 3%, 57% and 40% of the measured cases, respectively. A comparison of the results obtained between the three methods shows good agreement. The multiple scattering errors of the measured effective extinction coefficients range from 20 to 60%, depending on cloud optical depth. The temperature and thickness dependencies on optical properties have also been studied in detail. A maximum mid-cloud depth of ~3.5 km is found at temperatures around ~-47.5 o C, while there is an indication that optical depth and mean extinction coefficient increases with increasing mid-cloud temperature. A correlation between optical depth and thickness was also found. In the sixth chapter the microphysical properties, that are effective radius, refractive index and single scattering albedo, of aerosols are retrieved during SCOUT-O 3 campaign. We present vertically resolved microphysical aerosol

15 properties retrieved from the inversion of optical data that were obtained from a combined one-wavelength Raman/two-wavelength backscatter lidar system and a CIMEL sunphotometer. A number of assumptions were undertaken to overcome the limitations of the existing optical input data needed for the retrieval of microphysical properties. We found acceptable agreement with AERONET retrievals for the fine mode particle effective radius which ranged between 0.11 and 0.19 for the campaign period while for an accurate retrieval of the complex refractive index additional optical information is needed. It is shown that under complex layering of the aerosols general assumptions can provide unrealistic retrievals, especially in the presence of aged smoke aerosols. It was found that with this instrument setup the inversion algorithm can be applied successfully also for the complex refractive index of cases of vertically homogeneous layers of continental polluted aerosols. For these inversion cases the vertically resolved retrievals for the single scattering albedo showed values around 0.9 at 532 nm which were in very good agreement with results from airborne in-situ observations that were carried out near the lidar station. Finally, we present the basic conclusions which resulted from this thesis regarding to the climatology of aerosol particles, the evaluation of CALIOP instrument, the statistics of cirrus clouds, as well as the possibility of retrieving the microphysical properties of aerosols with the combinational use of a lidar system and CIMEL..

16

17 i ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 1. EΙΣΑΓΩΓΗ Η σημασία των αιωρούμενων σωματιδίων και των νεφών Η αναγκαιότητα χρήσης μεθόδων τηλεπισκόπησης laser Στόχοι της διατριβής ΤΗΛΕΠΙΣΚOΠΗΣΗ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ ΜΕ ΤΗΝ ΤΕΧΝΙΚΗ LIDAR Αρχή λειτουργίας της διάταξης lidar Συστήματα lidar Προσδιορισμός των οπτικών ιδιοτήτων των αιωρούμενων σωματιδίων με την τεχνική lidar Οπτικές ιδιότητες αιωρούμενων σωματιδίων Εξίσωση lidar Συντελεστής εξασθένησης αιωρούμενων σωματιδίων Συντελεστής οπισθοσκέδασης αιωρούμενων σωματιδίων Λόγος του συντελεστή εξασθένησης προς οπισθοσκέδαση αιωρούμενων σωματιδίων Εκθέτης Ångström αιωρούμενων σωματιδίων Συντελεστής αποπόλωσης αιωρούμενων σωματιδίων Προσδιορισμός των μικροφυσικών ιδιοτήτων των αιωρούμενων σωματιδίων με την τεχνική lidar Μικροφυσικές ιδιότητες αιωρούμενων σωματιδίων Το σύστημα lidar του ΕΦΑ Το σύστημα lidar του ΕΦΑ ως μέλος του δικτύου EARLINET Τεχνική περιγραφή του lidar του ΕΦΑ Πειραματικός προσδιορισμός της συνάρτησης επικάλυψης Αβεβαιότητα οπτικών και μικροφυσικών ιδιοτήτων Δορυφορικά συστήματα lidar ΜΕΛΕΤΗ ΤΩΝ ΟΠΤΙΚΩΝ ΙΔΙΟΤΗΤΩΝ ΤΩΝ ΑΙΩΡΟΥΜΕΝΩΝ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ ΣΤΗΝ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ ΓΙΑ ΤΗΝ ΠΕΡΙΟΔΟ Οι μετρήσεις με το σύστημα lidar του ΕΦΑ Εποχιακή διακύμανση οπτικών ιδιοτήτων των αιωρούμενων σωματιδίων Στατιστική ανάλυση οπτικών ιδιοτήτων κατά συστάδες Υπολογισμός οπισθοτροχιών Μέσες οπτικές ιδιότητες κατά συστάδες Στατιστική ανάλυση οπτικών ιδιοτήτων κατά πηγές Περιγραφή των πηγών ρύπανσης της ελεύθερης τροπόσφαιρας Μέσες οπτικές ιδιότητες κατά πηγές...74

18 ii Περιεχόμενα 3.5. Συμπεράσματα ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΤΩΝ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ ΤΟΥ ΟΡΓΑΝΟΥ CALIOP ΤΟΥ ΔΟΡΥΦΟΡΟΥ CALIPSO Δορυφορικό σύστημα lidar CALIOP Διαθέσιμα δεδομένα Παρουσίαση μεθοδολογίας για την αξιολόγηση των δορυφορικών μετρήσεων Συγκριτική στατιστική Συμπεράσματα ΜΕΛΕΤΗ ΤΩΝ ΓΕΩΜΕΤΡΙΚΩΝ ΚΑΙ ΟΠΤΙΚΩΝ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΩΝ ΤΩΝ ΝΕΦΩΝ CIRRUS ΣΤΗ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ ΓΙΑ ΤΗΝ ΠΕΡΙΟΔΟ Μεθοδολογία Ανάκτηση των οπτικών χαρακτηριστικών των νεφών cirrus Το φαινόμενο της πολλαπλής σκέδασης Πειραματικά αποτελέσματα και ανάλυση δεδομένων Γεωμετρικά χαρακτηριστικά και θερμοκρασία των νεφών cirrus Οπτικές ιδιότητες των νεφών cirrus Εξάρτηση των οπτικών ιδιοτήτων των νεφών από την θερμοκρασία και το πάχος τους Συμπεράσματα ΜΕΛΕΤΗ ΤΩΝ ΜΙΚΡΟΦΥΣΙΚΩΝ ΙΔΙΟΤΗΤΩΝ ΤΩΝ ΑΙΩΡΟΥΜΕΝΩΝ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ Περιγραφή της εκστρατείας SCOUT-Ο Το πρόβλημα της αναστροφής και η τεχνική κανονικοποίησης Το πρόβλημα της αναστροφής Τεχνική κανονικοποίησης Περιγραφή μεθοδολογίας για την ανάκτηση μικροφυσικών ιδιοτήτων με την συνέργεια δεδομένων φασματοφωτομέτρου και lidar Υπολογισμός του συντελεστή εξασθένησης στην περιοχή του ορατού Υπολογισμός του συντελεστή εξασθένησης στην περιοχή του υπέρυθρου Οπτικά Δεδομένα: Διαχωρισμός των στρωματώσεων Επιλογές κατά την εφαρμογή του μοντέλου και επιλογή των λύσεων Ανάλυση αποτελεσμάτων μικροφυσικών ιδιοτήτων η Ιουλίου 2006: Σωματίδια καπνού Αχλύς Νεφοσταγονίδια η Ιουλίου 2006: Συσσωμάτωση σωματιδίων νερού σε μικρά σωματίδια ανθρωπογενούς προέλευσης η και 21 η Ιουλίου 2006: Σωματίδια ανθρωπογενούς προέλευσης Ανάλυση ευαισθησίας...175

19 6.6. Σύγκριση μικροφυσικών ιδιοτήτων με την μέθοδο αναστροφής lidar και την μέθοδο αναστροφής AERONET Κατηγοριοποίηση των αιωρούμενων σωματιδίων Συμπεράσματα ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ΕΥΡΕΤΗΡΙΟ ΣΧΗΜΑΤΩΝ ΕΥΡΕΤΗΡΙΟ ΠΙΝΑΚΩΝ ΑΚΡΩΝΥΜΙΑ...225

20

21 1 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 1. E ΙΣΑΓΩΓΗ Το θέμα της διατριβής είναι η μελέτη των οπτικών και φυσικών ιδιοτήτων των αιωρούμενων σωματιδίων με μεθόδους τηλεπισκόπησης laser. Εύλογα μπορεί να αναρωτηθεί κανείς τόσο το γιατί μελετάμε τα αιωρούμενα σωματίδια όσο και το γιατί χρησιμοποιούμε μεθόδους τηλεπισκόπησης laser. Στο κεφάλαιο αυτό απαντάμε σε αυτές τις δύο ερωτήσεις και στο τέλος της παραγράφου εστιάζουμε στους στόχους αυτής της μελέτης Η σημασία των αιωρούμενων σωματιδίων και των νεφών Η γήινη ατμόσφαιρα αποτελείται από ένα μείγμα αερίων, αιωρούμενων σωματιδίων και νεφών. Τα αιωρούμενα σωματίδια παρουσιάζουν μεγάλη μεταβλητότητα στην ατμόσφαιρα τόσο στην σύσταση και το μέγεθός τους όσο και στην συγκέντρωσή τους, λόγω της ανομοιογένειας των πηγών τους, των χημικών και φυσικών διεργασιών συμπύκνωσης και συσσωμάτωσης αλλά και των μετεωρολογικών συνθηκών. Είναι γενικά γνωστό ότι τα αιωρούμενα σωματίδια μπορούν να ασκήσουν σημαντικές επιδράσεις στο περιβάλλον [IPCC, 2001].Το κλίμα της Γης είναι το αποτέλεσμα μιας εύθραυστης και πολύπλοκης ισορροπίας της ενέργειας μιας ισορροπίας μεταξύ της Ηλιακής ενέργειας και της ανακλώμενης και εκπεμπόμενης προς τα πίσω ενέργειας από την Γη [Coakley et al., 1983, Andreae, 1995, Penner et al, 2001, Haywood and Boucher, 2000]. Ωστόσο, η αβεβαιότητα για τα επίπεδα των κλιματικών επιπτώσεων των αιωρούμενων σωματιδίων, λόγω της επίδρασής τους στο ισοζύγιο της ακτινοβολίας σε σχέση με την κλιματική επίδραση των θερμοκηπικών αερίων, είναι ακόμα μεγάλη [IPCC, 2007]. Στο Σχήμα 1 παρουσιάζεται το μέσο ισοζύγιο της ακτινοβολίας του κλιματικού συστήματος το 2005, σε σχέση με αυτό του 1750 ως αποτέλεσμα της συνεισφοράς

22 2 Κεφάλαιο 1: διαφόρων συστατικών της ατμόσφαιρας. Πιο συγκεκριμένα, μπορούμε να παρατηρήσουμε την συνεισφορά από τα θερμοκηπικά αέρια [CO 2, CH 4, H 2 O, halocarbons], το στρατοσφαιρικό και τροποσφαιρικό όζον, τα διάφορα αιωρούμενα σωματίδια, τα καυσαέρια από τα αεροπλάνα, τα λεπτά νέφη cirrus καθώς επίσης και τις επιπτώσεις στην αλλαγή της ανακλαστικότητας από αλλαγές στις χρήσεις Γης. Τέλος, αν και όχι για ανθρωπογενείς λόγους, μπορούμε να δούμε την συνεισφορά στο ενεργειακό ισοζύγιο των μεταβολών της ηλιακής δραστηριότητας. Το επίπεδο της επιστημονικής κατανόησης των διαδικασιών με τις οποίες τα διάφορα ατμοσφαιρικά συστατικά επιδρούν στο ενεργειακό ισοζύγιο παρουσιάζεται στα δεξιά του ίδιου Σχήματος με κλίμακα από υψηλό [high] μέχρι χαμηλό [low]. Σχήμα 1: Μέση επιδραση στο ισοζύγιο της ακτινοβολίας του κλιματικού συστήματος το 2005, σε σχέση με αυτό του 1750 [IPCC, 2007]. Τα αιωρούμενα σωματίδια, επιδρούν άμεσα στο ισοζύγιο της ακτινοβολίας του συστήματος Γη Ατμόσφαιρα, με την σκέδαση και απορρόφηση της ηλιακής και γήινης ακτινοβολίας και έτσι επηρεάζουν το κλίμα της Γης [McCormick

23 Εισαγωγή 3 and Ludwig, 1967, Charlson and Pilat, 1969, Atwater, 1970, Mitchell, 1971, Coakley et al., 1983]. Tα αιωρούμενα σωματίδια μπορούν να σκεδάσουν την ηλιακή ακτινοβολία πίσω, προς το διάστημα και έτσι να ψύξουν την ατμόσφαιρα. Από την άλλη μεριά, μπορούν να απορροφήσουν την ηλιακή ενέργεια με αποτέλεσμα να θερμάνουν την ατμόσφαιρα. Τα σωματίδια μπορούν επίσης να αλλάξουν τις ιδιότητες ενός νέφους και έτσι να επιδράσουν έμμεσα στο κλίμα [Gunn and Philips, 1957, Twomey, 1977, Liou and Ou, 1989, Albrecht, 1989]. Τα αιωρούμενα σωματίδια μαζί με την παρουσία υδρατμών στην ατμόσφαιρα μπορεί να δημιουργήσουν πυρήνες συμπύκνωσης και με αυτόν τον τρόπο ξεκινά η διαδικασία σχηματισμού των νεφών. Αλλάζοντας τα χαρακτηριστικά αυτών των σωματιδίων, όπως τον αριθμό και το μέγεθος τους, είναι δυνατόν να αλλάξουν και τα χαρακτηριστικά των νεφοσταγονιδίων που προκύπτουν. Η επίδραση των αιωρούμενων σωματιδίων μπορεί να έχει σαν αποτέλεσμα τα νέφη να παραμένουν περισσότερο χρόνο στην ατμόσφαιρα και ο μηχανισμός βροχής να καθυστερεί [Rosennfeld, 2000, Koren et al., 2004]. Αντίστροφα, κάτω από συγκεκριμένες συνθήκες τα αιωρούμενα σωματίδια μπορεί να προκαλέσουν ταχύτερη διάλυση των νεφών ενώ μερικά αιωρούμενα σωματίδια μπορούν να αποτρέψουν την δημιουργία νεφών εξ αρχής [Feingold et al., 1999, Rudich et al, 2002]. Δυστυχώς, ο τρόπος με τον οποίο τα αιωρούμενα σωματίδια επιδρούν στα νέφη δεν είναι ακόμα πλήρως κατανοητός στην επιστημονική κοινότητα, και για αυτό δεν μπορούμε να εκτιμήσουμε ποιες από αυτές τις διαδικασίες είναι ικανές να επηρεάσουν σημαντικά τον καιρό, το κλίμα και την ποιότητα του αέρα [IPCC, 2007]. Η ψύξη από τα ανθρωπογενή αιωρούμενα σωματίδια μπορεί να είναι συγκρίσιμη στο μέγεθος με την θέρμανση λόγω των αερίων του θερμοκηπίου σε παγκόσμια κλίμακα [IPCC, 2001]. Ωστόσο είναι πολύ σημαντικό να αναφέρουμε ότι η μεταβολή στο ισοζύγιο της ακτινοβολίας σε παγκόσμια κλίμακα, στην κορυφή της ατμόσφαιρας, δεν αποτελεί μέτρο για την κλιματική αλλαγή [NRC, 2005]. Λόγω της απορρόφησης της ακτινοβολίας κυρίως από σωματίδια που εμπεριέχουν αιθάλη, η άμεση επίδραση των σωματιδίων στην επιφάνεια μπορεί να είναι πολύ μεγαλύτερη από ότι στην κορυφή της

24 4 Κεφάλαιο 1: ατμόσφαιρας. Επομένως, η επίδραση των αιωρούμενων σωματιδίων στο κλίμα της Γης χαρακτηρίζεται από μεγάλες χωρικές και χρονικές ανομοιογένειες εξαιτίας της ποικιλίας και της ανομοιογενούς κατανομής των πηγών, το μικρό χρόνο ζωής των αιωρούμενων σωματιδίων, καθώς και των χημικών και μικροφυσικών διαδικασιών που πραγματοποιούνται στην ατμόσφαιρα. Επιπρόσθετα, τα νέφη επηρεάζουν το κλίμα άμεσα με την ανάκλαση της Ηλιακής ενέργειας πίσω στο διάστημα [Ramanathan et al., 1988]. Αυτό το ποσό ενέργειας δεν φθάνει στην επιφάνεια της Γης με αποτέλεσμα την ψύξη τόσο του εδάφους όσο και της ατμόσφαιρας της Γης. Από την άλλη μεριά, τα νέφη απορροφούν μέρος της ενέργειας θερμότητας που εκπέμπεται από την Γη, η οποία ονομάζεται θερμική ακτινοβολία. Όταν συμβαίνει αυτό, λιγότερη ενέργεια διαφεύγει στο διάστημα με αποτέλεσμα ο πλανήτης να θερμαίνεται. Ο βαθμός με τον οποίο η ισορροπία αυτής της ενέργειας του συστήματος Γης- Ατμόσφαιρας κλείνει προς την μία [ψύξη] ή την άλλη [θέρμανση] κατεύθυνση εξαρτάται από το ύψος, το πάχος και την δομή των νεφών. Τα χαμηλά νέφη, τα οποία συχνά αποτελούνται από υδροσταγονίδια, έχουν σχεδόν την ίδια θερμοκρασία όπως η επιφάνεια της Γης, και έτσι όταν απορροφούν θερμική ακτινοβολία, την επανεκπέμπουν στην ίδια θερμοκρασία [IPCC, 2007]. Έτσι αυτά τα νέφη έχουν μικρή επίδραση στην ροή της θερμικής ενέργειας, ενώ ο κύριος ρόλος τους είναι να ανακλούν την ηλιακή ενέργεια. Από την άλλη μεριά, τα υψηλά και λεπτά νέφη είναι ψυχρότερα και εγκλωβίζουν περισσότερη θερμότητα που εκπέμπεται από την επιφάνεια της Γης ενώ εκπέμπουν λιγότερη ενέργεια στο διάστημα. Συχνά τα νέφη αυτά ανακλούν λιγότερη ηλιακή ενέργεια σε σχέση με την θερμότητα που απορροφούν, και έτσι θερμαίνουν την ατμόσφαιρα. Τα υψηλά νέφη, είναι ψυχρότερα και συνήθως αποτελούνται από παγοκρυστάλλους. Η γνώση του ύψους των νεφών αυτών, καθώς επίσης και της σύστασής τους [παγοκρύσταλλοι ή υδροσταγονίδια] θα βοηθήσούν τους επιστήμονες να κατανοήσουν περισσότερο την επίδραση των νεφών στις αλλαγές της ατμοσφαιρικής κυκλοφορίας και στο κλίμα. Η πολύπλοκη αλληλεπίδραση μεταξύ των νεφών και των σωματιδίων επιδρά επίσης στο ισοζύγιο της ακτινοβολίας και έτσι είναι σημαντικό να γνωρίζουμε

25 Εισαγωγή 5 εάν ένα στρώμα αιωρούμενων σωματιδίων είναι κάτω από, ή μέσα σε ένα νέφος [Ansmann et 2005]. Αλλαγές στην σύνθεση και την συγκέντρωση των σωματιδίων οδηγούν σε αλλαγές του αριθμού και του μεγέθους των υδροσταγονιδίων και αυτό επηρεάζει τελικά το χρόνο ζωής καθώς και την ανακλαστικότητα των νεφών. Μελέτες της διαδικασίας αλληλεπίδρασης μεταξύ των νεφών και των σωματιδίων από δορυφορικά δεδομένα έχουν δείξει ότι μερικά σωματίδια μειώνουν τον σχηματισμό νεφών και άρα την βροχόπτωση [Rosenfeld 2000; Koren et al., 2004], ενώ άλλα σωματίδια ενισχύουν την βροχόπτωση [Feingold et al. 1999; Rudich et al., 2002]. Τα σωματίδια τέλος έχουν σημαντικές επιπτώσεις και στην κοινωνία καθώς ορισμένες φορές αποτελούν απειλή για την δημόσια υγεία και κίνδυνο για τις αερομεταφορές. Ιδιαίτερα σε μέρες με υψηλή θερμοκρασία και υψηλή σχετική υγρασία, η ποιότητα του αέρα πάνω από αστικές περιοχές συχνά φθάνει σε επιβλαβή για την υγεία επίπεδα, με τα αιωρούμενα σωματίδια να είναι ο κύριος ένοχος. Τα μικρά σωματίδια με διάμετρο μικρότερη από 2.5 μm μπορούν να διεισδύσουν στους πνεύμονες και να επιδεινώσουν ή να προκαλέσουν αναπνευστικά προβλήματα. Τα σωματίδια επίσης μπορούν να απειλήσουν την ασφάλεια των αεροπορικών πτήσεων, καθώς είναι δυνατόν να μειώσουν την ορατότητα πάνω από ρυπασμένες περιοχές. Για να βελτιώσουμε τις προβλέψεις σχετικά με την κλιματική αλλαγή, για να σχεδιάσουμε στρατηγικές περιορισμού της ρύπανσης και για να βελτιώσουμε τις προγνώσεις των επικίνδυνων συνθηκών για την ποιότητα του αέρα, χρειαζόμαστε μετρήσεις της παγκόσμιας κατανομής των αιωρούμενων σωματιδίων και της χρονικής μεταβλητότητας τους. Αυτή η τετραδιάσταση προσέγγιση της γνώσης των ιδιοτήτων των αιωρούμενων σωματιδίων είναι απαραίτητη για την επαρκή παραμετροποίησή τους στα ατμοσφαιρικά μοντέλα που χρησιμοποιούνται για να προσομοιάσουν την τοπική και δια-ηπειρωτική μεταφορά των αιωρούμενων σωματιδίων, την επίδραση που προκαλούν αυτά στο καιρό μικρής κλίμακας, καθώς και στο ενεργειακό ισοζύγιο της Γης. Ωστόσο ένα τέτοιο, τετραδιάστατο, σύστημα μετρήσεων δεν είναι διαθέσιμο, με αποτέλεσμα η αβεβαιότητα στην εκτίμηση της επίδρασης των αιωρούμενων σωματιδίων στο μελλοντικό κλίμα να είναι τόσο μεγάλη ώστε να είναι δύσκολη

26 6 Κεφάλαιο 1: η ένταξή τους σε κλιματικές προσομοιώσεις και στις προβλέψεις των αλλαγών του κλίματος Η αναγκαιότητα χρήσης μεθόδων τηλεπισκόπησης laser Μετρήσεις των αιωρούμενων σωματιδίων, όπως η κατανομή μεγεθών, η χημική σύσταση, οι σκεδαστικές και απορροφητικές ιδιότητες που πραγματοποιούνται στην επιφάνεια του εδάφους ονομάζονται επιτόπιες [= in-situ] μετρήσεις. Αυτές οι μετρήσεις παρέχουν τις οπτικές, χημικές και μικροφυσικές ιδιότητες των αιωρούμενων σωματιδίων, όμως οι πλατφόρμες πάνω στις οποίες πραγματοποιούνται καλύπτουν μόνο μία τοπική περιγραφή των συνθηκών των αιωρούμενων σωματιδίων. Αυτές οι μετρήσεις είναι πολύ πιθανόν να είναι επηρεασμένες από τοπικές πηγές και για αυτό δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να χαρακτηρίσουν την ατμοσφαιρική κατάσταση μακριά από το σημείο της μέτρησης. Οι in-situ μετρήσεις που πραγματοποιούνται από ένα αεροπλάνο προσθέτουν μία επιπλέον διάσταση την κατακόρυφη [Masonis et al., 2002]. Όμως τέτοιου είδους μετρήσεις πραγματοποιούνται συνήθως μόνο κατά την διάρκεια μετρήσεων πεδίου και επομένως, δεν είναι δυνατή η συνεχής καταγραφή των ατμοσφαιρικών συνθηκών. Κατά την διάρκεια της περασμένης δεκαετίας, τα ηλιακά φωτόμετρα αποτέλεσαν την πιο συστηματική μέθοδο καταγραφής των ατμοσφαιρικών συνθηκών. Το δίκτυο AERONET [Aerosol RObotic NΕΤwork] [Holben et al., 1998] παρέχει τις οπτικές και μικροφυσικές ιδιότητες των αιωρούμενων σωματιδίων [Dubovik et al, 2002a, Holben et al., 2001] κάτω από διαφορετικές ατμοσφαιρικές συνθήκες. Οι παραγόμενες ποσότητες αναφέρονται στην ολική ατμοσφαιρική στήλη και αυτό σημαίνει ότι δεν υπάρχει διαχωρισμός των ιδιοτήτων των αιωρούμενων σωματιδίων του οριακού ατμοσφαιρικού στρώματος που συνήθως επηρεάζονται από τις τοπικές πηγές και των σωματιδίων της ελεύθερης τροπόσφαιρας, που συχνά είναι αποτέλεσμα μεταφοράς σωματιδίων από μεγάλες αποστάσεις. Το ίδιο ισχύει και για τους παθητικούς αισθητήρες δορυφορικών οργάνων όπως ενδεικτικά αναφέρουμε τους: MODIS [ MISR [ TOMS [htpp://toms.gsfc.nasa.gov/], POLDER

27 Εισαγωγή 7 [ κ.α., που χρησιμοποιούνται για την συνεχή καταγραφή των αιωρούμενων σωματιδίων σε παγκόσμια κλίμακα. Παρά την μεγάλη σημασία των σωματιδίων της ελεύθερης τροπόσφαιρας στο κλίμα και στην ποιότητα της ατμόσφαιρας [Collins et al., 2000, Creilson et al., 2003, Jacob et al., 1999, Mckendry et al., 2001, Prather et al., 2003] η κατακόρυφη κατανομή των οπτικών και μικροφυσικών ιδιοτήτων είναι στην αρχή της επιστημονικής έρευνας και πολλά ερωτήματα σχετικά με τις ιδιότητές τους αλλά και με την κατακόρυφη κατανομή τους είναι ακόμα αναπάντητα. Η πληροφορία της κατακόρυφης κατανομής των σωματιδίων είναι σημαντική για τον υπολογισμό της επίδρασης των αιωρούμενων σωματιδίων στο ισοζύγιο της ακτινοβολίας, αφού αυτή η επίδραση εξαρτάται από την ανακλαστικότητα της ατμόσφαιρας και έτσι έχει μεγάλη σημασία εάν ένα στρώμα αιωρούμενων σωματιδίων βρίσκεται πάνω ή κάτω από το ατμοσφαιρικό οριακό στρώμα [Haywood and Shine, 1997]. Τα επίγεια συστήματα lidar είναι δυνατόν να προσφέρουν την απαιτούμενη στην επιστημονική κοινότητα πληροφορία για την κατακόρυφη κατανομή των αιωρούμενων σωματιδίων της ατμόσφαιρας. Τα συστήματα ελαστικής οπισθοσκέδασης lidar είναι δυνατόν να δώσουν ποσοτική πληροφορία για την ύπαρξη ατμοσφαιρικών στρωμάτων με την χρήση κάποιων κρίσιμων υποθέσεων για τις ατμοσφαιρικές παραμέτρους [Bissonete 1986; Fernald 1984; Klett 1981]. Ακόμα καλύτερα, τα συστήματα lidar που βασίζονται στην ανελαστική σκέδαση από μόρια της ατμόσφαιρας, αποδείχθηκαν πολύ χρήσιμα για την ποσοτική και ποιοτική μελέτη της κατακόρυφης κατανομής των αιωρούμενων σωματιδίων. Ο ανεξάρτητος προσδιορισμός της κατακόρυφης κατανομής του συντελεστή εξασθένησης και οπισθοσκέδασης ταυτόχρονα είναι το σημαντικότερο από τα πλεονεκτήματα ενός συστήματος ανελαστικής σκέδασης lidar. Ο λόγος του συντελεστή εξασθένησης προς τον συντελεστή οπισθοσκέδασης [= lidar ratio], είναι μια εξαιρετικά χρήσιμη παράμετρος που εξαρτάται από το μέγεθος, το σχήμα και τη χημική σύσταση των αιωρούμενων σωματιδίων [Ansmann et al., 2002, Ferrare et al., 2001, Frankeet et al., 2001, Frankeet et al., 2003a, Müller et al, 2007]. Έτσι, οι μετρήσεις των οπτικών ιδιοτήτων των αιωρούμενων σωματιδίων με την μεγάλη χωρική και χρονική

28 8 Κεφάλαιο 1: ανάλυση δίνουν λεπτομερείς πληροφορίες για την παρουσία, την έκταση και την ανάπτυξη των κατακόρυφων δομών των στρωματώσεων. Τα τελευταία χρόνια δίκτυα συστημάτων lidar εδραιώθηκαν για την έρευνα της οριζόντιας και κατακόρυφης κατανομής φυσικών και ανθρωπογενών πηγών ρύπανσης. Ένα τέτοιο δίκτυο είναι και το Ευρωπαϊκό δίκτυο lidar για την έρευνα των αιωρούμενων σωματιδίων, European Aerosol Research Lidar Network [= EARLINET], μέλος του οποίου αποτελεί και το σύστημα lidar του Εργαστηρίου Φυσικής της Ατμόσφαιρας [= ΕΦΑ]. Αποτελείται από 20 επίγειους σταθμούς lidar που πραγματοποιούν συστηματικές μετρήσεις της κατακόρυφης κατανομής των αιωρούμενων σωματιδίων [Matthias et al., 2004]. Επίσης, το δίκτυο Asian Dust Network [= ADNET] αποτελείται από 12 επίγειους σταθμούς lidar που πραγματοποιούν συστηματικές μετρήσεις της κατακόρυφης κατανομής των αιωρούμενων σωματιδίων στην Ασία [Husar et al., 2001, Murayama et al., 2001] Τέλος, το δίκτυο Micro-Pulse Lidar Network [= MPLNET] αποτελείται από 11 σταθμούς lidar, παγκόσμια κατανεμημένους, οι οποίοι είναι επίσης μέλη του δικτύου AERONET [Welton et al., 2001]. Συστήματα lidar χρησιμοποιήθηκαν επίσης και σε μεγάλες επιστημονικές εκστρατείες για την μελέτη της επίδρασης των αιωρούμενων σωματιδίων στο κλίμα της Γης. Ενδεικτικά αναφέρουμε ορισμένες από τις εκστρατείες αυτές: Tropospheric Aerosol Radiative Forcing Observational Experiment [= TARFOX], Aerosol Characterization Experiment 2 [= ACE 2], Indian Ocean Experiment [= INDOEX], Lindenberg Aerosol Characterization Experiment [LACE], Asian Pacific Regional Aerosol Characterization Experiment [= ACE- Asia]. Η Αμερικάνικη Αεροναυτική και διαστημική διεύθυνση, US National Aeronautics & Space Administration [= NASA], η Ευρωπαϊκή Υπηρεσία Διαστήματος, European Space Agency [= ESA], καθώς και η Εθνική υπηρεσία διαστημικής εξέλιξης της Ιαπωνίας, National Space Development Agency of Japan [= NASDA], είτε έχουν εκτοξεύσει είτε σκοπεύουν στην εκτόξευση δορυφορικών lidars για την χαρτογράφηση της κατανομής των αιωρούμενων σωματιδίων και των νεφών με παγκόσμια κάλυψη καθώς και για τον χαρακτηρισμό της μεγάλης κλίμακας μεταφοράς των αιωρούμενων

29 Εισαγωγή 9 σωματιδίων. Τα πρώτα αποτελέσματα από το σύστημα Geoscience Laser Altimeter System [= GLAS] που βρίσκεται στο δορυφόρο Ice, Cloud and land Elevation Satellite [=ICESat] δείχνουν την δυναμική τέτοιων διαστημικών αποστολών στην μέτρηση αιωρούμενων σωματιδίων από το διάστημα [Spinhirne et al., 2005; Hart et al., 2005; Hlavka et al., 2005; Hoff et al., 2005]. Το σύστημα Cloud-Aerosol LIdar with Orthogonal Polarization [= CALIOP] που βρίσκεται στον δορυφόρο Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observation [= CALIPSO] προσφέρει νέες δυνατότητες παγκόσμιας παρατήρησης της Γης παρέχοντας δεδομένα των οπτικών ιδιοτήτων των αιωρούμενων σωματιδίων στην ελεύθερη τροπόσφαιρα σε παγκόσμια κλίμακα. Τέτοια συστήματα θα ενισχύσουν την επιστημονική γνώση και κατανόηση της κατακόρυφης και οριζόντιας κατανομής των αιωρούμενων σωματιδίων και νεφών, η οποία με κανέναν τρόπο δεν μπορεί να επιτευχθεί με επίγεια συστήματα lidar. Ωστόσο, τα δορυφορικά συστήματα lidar δεν μπορούν να προσφέρουν την πολύτιμη ποιοτική πληροφορία των οπτικών ιδιοτήτων των αιωρούμενων σωματιδίων με σκοπό την περαιτέρω ανάκτηση μικροφυσικών ιδιοτήτων που μπορούν να δώσουν καλά βαθμονομημένα επίγεια συστήματα lidar Στόχοι της διατριβής Για τους παραπάνω λόγους στην διατριβή αυτή χρησιμοποιήσαμε το επίγειο σύστημα lidar του ΕΦΑ με σκοπό την μελέτη της κατακόρυφης δομής των οπτικών και μικροφυσικών ιδιοτήτων των αιωρούμενων σωματιδίων καθώς και των νεφών cirrus στην περιοχή της Θεσσαλονίκης. Η περιγραφή του συστήματος, η αρχή λειτουργίας του οργάνου, και οι βασικοί ορισμοί των παραμέτρων με τις οποίες ασχολείται αυτή η διατριβή αποτελούν το δεύτερο κεφάλαιο της διατριβής. Αρχικός στόχος της διατριβής αποτελεί η μελέτη των οπτικών ιδιοτήτων των αιωρούμενων σωματιδίων στην περιοχή της Θεσσαλονίκης και για την χρονική περίοδο Η στατιστική επεξεργασία των μετρήσεων εστιάζεται τόσο στην αναζήτηση εποχιακών εξαρτήσεων των ιδιοτήτων αυτών όσο και στον συσχετισμό των ιδιοτήτων με συγκεκριμένες πηγές ρύπανσης. Η εύρεση

30 10 Κεφάλαιο 1: χαρακτηριστικών και διακριτών υπογραφών για κάθε τύπο αιωρούμενων σωματιδίων αποτελεί βασικό στόχο του τρίτου κεφαλαίου. Δεύτερος στόχος είναι η αξιολόγηση των δεδομένων του οργάνου CALIOP του δορυφόρου CALIPSO. Για την επίτευξη αυτού του στόχου χρησιμοποιούνται σύγχρονες μετρήσεις με το επίγειο σύστημα lidar του ΕΦΑ για το έτος Η αξιολόγηση στοχεύει στην εύρεση των συνθηκών εκείνων κάτω από τις οποίες τα δορυφορικά δεδομένα επιπέδου 1, που αφορούν την κατακόρυφη κατανομή του ολικού συντελεστή εξασθενημένης οπισθοσκέδασης, μπορούν να θεωρηθούν αξιόπιστα. Τρίτος στόχος είναι η μελέτη των οπτικών και γεωμετρικών ιδιοτήτων των νεφών cirrus. Πιο συγκεκριμένα, η μελέτη στοχεύει στον προσδιορισμό του συντελεστή εξασθένησης των νεφών και στην εκτίμηση του οπτικού βάθους με τρεις μεθοδολογίες. Επιπλέον, ο προσδιορισμός της επίδρασης του φαινομένου της πολλαπλής σκέδασης καθώς και η αναζήτηση εξαρτήσεων μεταξύ των οπτικών ιδιοτήτων των νεφών σε σχέση με την θερμοκρασία και τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά αποτελούν βασικούς στόχους της διατριβής. Τέλος, τέταρτος στόχος της μελέτης αυτής είναι η εκτίμηση των βασικότερων μικροφυσικών ιδιοτήτων των αιωρούμενων σωματιδίων, όπως της ενεργού ακτίνας, του μιγαδικού δείκτη διάθλασης και της ανακλαστικότητας μεμονωμένης σκέδασης με την συνδυαστική χρήση ενός φωτομέτρου και του συστήματος lidar του ΕΦΑ. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιούνται μετρήσεις κατά την διάρκεια της εκστρατείας SCOUT-Ο 3 που πραγματοποιήθηκε στην Θεσσαλονίκη. Στα πλαίσια του κεφαλαίου αυτού προτείνουμε την μεθοδολογία που χρησιμοποιούμε προκειμένου να προσδιορίσουμε τις μικροφυσικές ιδιότητες με την συνδυαστική χρήση των δεδομένων lidar και του φωτομέτρου cimel. Για την εκτίμηση των αποτελεσμάτων πραγματοποιούμε ανάλυση ευαισθησίας των υποθέσεων που χρησιμοποιούμε και συγκρίνουμε τα αποτελέσματα με τα αντίστοιχα που προκύπτουν από το δίκτυο AERONET.

31 11 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 2. Τ ΗΛΕΠΙΣΚO ΠΗΣΗ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ ΜΕ ΤΗΝ ΤΕΧΝΙΚΗ LIDAR Η τηλεπισκόπηση των ατμοσφαιρικών παραμέτρων με τη χρήση πηγών laser πραγματοποιήθηκε για πρώτη φορά το 1962 από τους Fiocco και Smullin [1963] και αφορούσε στην ανίχνευση του στρώματος των αιωρούμενων σωματιδίων της ατμόσφαιρας σε ύψος 20 km. Έκτοτε η ραγδαία ανάπτυξη στην τεχνολογία κατασκευής πηγών laser, επέτρεψε το σχεδιασμό και την υλοποίηση εξελιγμένων διατάξεων, οι οποίες βασίζονται στην μελέτη και καταγραφή της αλληλεπίδρασης του φωτός, που εκπέμπει μια πηγή laser με τα διάφορα συστατικά της ατμόσφαιρας, σαν συνάρτηση της απόστασης. Το lidar είναι ακρωνύμιο του όρου «light detection and ranging» και πρόκειται για ένα όργανο με το οποίο μετράμε το αποτέλεσμα της διαμόρφωσης της ακτινοβολίας από τα συστατικά της ατμόσφαιρας. Η τεχνική lidar βασίζεται στην εκπομπή ενός παλμού μονοχρωματικής ακτινοβολίας laser, στην μέτρηση της επανασκεδαζόμενης ακτινοβολίας από τα μόρια και τα σωματίδια της ατμόσφαιρας και στην καταγραφή του χρόνου που μεσολαβεί ανάμεσα στην εκπομπή και στη λήψη, η οποία αντιστοιχεί στην απόσταση των σκεδαστών από την πηγή laser. Στην συνέχεια θα περιγράψουμε εν συντομία τα βασικότερα οπτικά φαινόμενα αλληλεπίδρασης του φωτός με συστατικά της ατμόσφαιρας. Θα περιγράψουμε τις οπτικές ιδιότητες που μπορούν να μετρηθούν με ένα σύστημα lidar καθώς επίσης και τις μικροφυσικές ιδιότητες που μπορούμε να ανακτήσουμε από τα μετρούμενα οπτικά δεδομένα. Ακολούθως, θα αναπτύξουμε την δομή του επίγειου συστήματος lidar του ΕΦΑ, που χρησιμοποιήθηκε στην παρούσα μελέτη και θα αναφερθούμε στις αβεβαιότητες τόσο των οπτικών όσο και των μικροφυσικών ιδιοτήτων που

32 12 Κεφάλαιο 2: αναφέρονται στο συγκεκριμένο σύστημα. Τέλος, θα περιγράψουμε τα δορυφορικά συστήματα lidar που αναπτύχθηκαν μέχρι σήμερα Αρχή λειτουργίας της διάταξης lidar Τα τελευταία χρόνια έχουν αναπτυχθεί διάφορες τεχνικές lidar για την τηλεπισκόπηση ατμοσφαιρικών παραμέτρων, οι οποίες βασίζονται σε διαφορετικές αλληλεπιδράσεις της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας και των διαφόρων συστατικών της ατμόσφαιρας. Στον Πίνακα 1, περιγράφουμε εν συντομία τα βασικότερα φαινόμενα που λαμβάνουν χώρα κατά την αλληλεπίδραση μιας δέσμης laser και της ύλης που αυτή συναντά [Measures, 1984; Weitcamp, 2005]. Πίνακας 1: Φυσική περιγραφή οπτικών φαινομένων. Οπτικό φαινόμενο Φυσική περιγραφή Απορρόφηση Η αφαίρεση ενέργειας από μια δέσμη φωτός χωρίς επανεκπομπή. Πραγματοποιείται όταν το μήκος κύματος συμπίπτει με την ζώνη απορρόφησης του εν λόγω μορίου Φθορισμός Η αφαίρεση ενέργειας από μια δέσμη φωτός και στην συνέχεια η καθυστερημένη επανεκπομπή, συνήθως σε όλες τις κατευθύνσεις, στο αρχικό ή σε διαφορετικό [συνήθως μεγαλύτερο] μήκος κύματος Σκέδαση Η αλλαγή διεύθυνσης ενός φωτονίου ή μιας δέσμης φωτός Εξασθένηση Η αφαίρεση ενέργειας από μια δέσμη φωτός από το συνδυαστικό αποτέλεσμα της απορρόφησης, της σκέδασης και του φθορισμού Οπισθοσκέδαση Σκέδαση σε γωνία 180 ο σε σχέση με την προσπίπτουσα δέσμη φωτός Ελαστική σκέδαση Σκέδαση χωρίς αλλαγή στο μήκος κύματος μεταξύ προσπίπτουσας και σκεδαζόμενης ακτινοβολίας: Άθροισμα της σκέδασης Mie και Rayleigh Σκέδαση Mie Ελαστική σκέδαση από αιωρούμενα σωματίδια και σταγόνες νεφών στα μήκη κύματος που αναφερόμαστε [355 και 532 nm] Σκέδαση Rayleigh Ελαστική σκέδαση από ατμοσφαιρικά μόρια στα μήκη κύματος που αναφερόμαστε [355 και 532 nm] Σκέδαση Raman Μη ελαστική σκέδαση που συμπεριλαμβάνει την αλλαγή του επιπέδου ενέργειας περιστροφής/ταλάντωσης του μορίου. Η αλλαγή της συχνότητας της σκεδαζόμενης ακτινοβολίας αντιστοιχεί στην διαφορά ενέργειας μεταξύ της αρχικής και τελικής κατάστασης του μορίου. Αποπόλωση Η μερική οπισθοσκέδαση γραμμικά πολωμένης δέσμης φωτός σε ένα επίπεδο πόλωσης [κάθετο ή παράλληλο] στην διεύθυνση διάδοσης της δέσμης Αναλυτικότερα, θα εξετάσουμε τους ορισμούς της σκέδασης Rayleigh, Mie και Raman γιατί πάνω σε αυτές τις φυσικές διεργασίες αναπτύχθηκε το σύστημα

33 Τηλεπισκόπηση της ατμόσφαιρας με την τεχνική lidar 13 lidar του ΕΦΑ. Η σκέδαση Rayleigh είναι η ελαστική σκέδαση από σωματίδια που είναι σχετικά μικρά συγκρινόμενα με το μήκος κύματος της σκεδαζόμενης ακτινοβολίας. Στην συνέχεια η σκέδαση Rayleigh χρησιμοποιείται ως συνώνυμο της σκέδασης από τα μόρια της ατμόσφαιρας. Η γήινη ατμόσφαιρα αποτελείται κατά 99% από άζωτο και οξυγόνο και για αυτόν τον λόγο θεωρούμε αυτά τα δύο αέρια σαν πηγή της σκέδασης Rayleigh. Η ένταση της σκεδαζόμενης ακτινοβολίας Rayleigh είναι αντιστρόφως ανάλογη της τέταρτης δύναμης του μήκους κύματος της ακτινοβολίας [Rayleigh, 1871]. Επίσης ως σκέδαση Rayleigh ορίζεται η ελαστική σκέδαση της ακτινοβολίας χωρίς την αλλαγή της κβαντικής κατάστασης των μορίων, δηλαδή της ενέργειας ταλάντωσης και της ενέργειας δόνησης. Ο όρος σκέδαση Mie αναπτύχθηκε από τον Gustav Mie [Mie, 1908] και δίνει την αναλυτική επίλυση της σκέδασης της ακτινοβολίας οποιουδήποτε μήκους κύματος από μια σφαίρα οποιασδήποτε ακτίνας και με οποιοδήποτε μιγαδικό δείκτη διάθλασης. Έτσι, η σκέδαση Mie δεν περιορίζεται σε ένα συγκεκριμένο μέγεθος σκεδαστών, καθώς συμπεριλαμβάνει ακόμα και την σκέδαση Rayleigh. Παρόλα αυτά, ο όρος χρησιμοποιείται για να περιγράψει την σκέδαση από σωματίδια με μέγεθος συγκρινόμενο με το μήκος κύματος της ακτινοβολίας, ή και μεγαλύτερα. Η φασματική εξάρτηση του σκεδαζόμενου φωτός είναι συνάρτηση της ακτίνας του σωματιδίου σε σχέση με το μήκος κύματος και του μιγαδικού δείκτη διάθλασης. Οι «μικροί» [Rayleigh] σκεδαστές όπως αναφέραμε δείχνουν την λ -4 εξάρτηση. Η σκέδαση από πολύ μεγάλα σωματίδια δεν εξαρτάται από το μήκος κύματος της ακτινοβολίας. Στην περιοχή εκείνη όπου το μέγεθος των σωματιδίων και το μήκος κύματος της ακτινοβολίας είναι παρόμοιας τάξης μεγέθους, η φασματική εξάρτηση της έντασης της σκεδαζόμενης ακτινοβολίας ποικίλει. Για αυτό τον λόγο η φασματική εξάρτηση της έντασης του σκεδαζόμενου φωτός μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να αντλήσουμε πληροφορίες για το μέγεθος και άλλες παραμέτρους ατμοσφαιρικών συστατικών για σωματίδια από 50 nm μέχρι και μερικά μm. Η εφαρμογή αυτών των τεχνικών απαιτεί την εκπομπή διαφόρων μηκών κύματος και τον ανεξάρτητο προσδιορισμό των συντελεστών οπισθοσκέδασης και εξασθένησης. Από την άλλη μεριά τα σωματίδια στην ατμόσφαιρα κάθε άλλο παρά τέλειες σφαίρες είναι και επομένως η προσέγγιση της θεωρίας Mie δεν

34 14 Κεφάλαιο 2: περιγράφει ικανοποιητικά τα αιωρούμενα σωματίδια. Πιο συγκεκριμένα, όσο τα σωματίδια είναι μικρά, συγκρινόμενα με το μήκος κύματος της ακτινοβολίας που αλληλεπιδρούν, το σχήμα τους δεν παίζει σημαντικό ρόλο στις σκεδαστικές διαδικασίες. Εάν όμως τα σωματίδια είναι μεγάλα και μησφαιρικά, όπως οι παγοκρύσταλοι, η σκόνη από τις ερήμους, ή τα θαλάσσια σωματίδια, δεν μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε την θεωρία της σκέδασης Mie. Το lidar ελαστικής οπισθοσκέδασης είναι η πιο συνήθης μορφή lidar, συχνά δε ονομάζεται και Rayleigh-Mie lidar, μιας και η αρχή λειτουργίας του στηρίζεται στις θεωρίες Mie και Rayleigh [Kovalev et al., 2004]. Η σκέδαση Raman είναι η διαδικασία ανελαστικής σκέδασης η οποία περιλαμβάνει την αλλαγή στην ενέργεια ταλάντωσης-δόνησης του μορίου [Raman et al., 1928]. Η συχνότητα αλλαγής της σκεδαζόμενης ακτινοβολίας αντιστοιχεί στην ενεργειακή διαφορά μεταξύ της αρχικής και της τελικής κατάστασης του μορίου και επομένως είναι συγκεκριμένη για κάθε μόριο. Η αλλαγή του ενεργειακού επίπεδου ταλάντωσης των μορίων αντιστοιχεί σε αλλαγή της συχνότητας από μερικές εκατοντάδες μέχρι μερικές χιλιάδες κυματάριθμους ανάλογα με το μόριο που υφίσταται τη σκέδαση Raman. Η φασματική ανάλυση της οπισθοσκεδαζόμενης ακτινοβολίας οδηγεί στην ανίχνευση πλήθους ατμοσφαιρικών συστατικών. Μέχρι τώρα θεωρήσαμε ότι κάθε φωτόνιο που ανιχνεύεται στο σύστημα lidar προκύπτει από πρώτης τάξεως σκέδασης. Ωστόσο, εάν η συγκέντρωση των σωματιδίων είναι υψηλή και ειδικότερα εάν τα σωματίδια είναι μεγάλα, όπως συμβαίνει στην περίπτωση των νεφών, ένα φωτόνιο μπορεί να σκεδαστεί περισσότερες από μία φορές πριν φθάσει στο τηλεσκόπιο του συστήματος lidar [Starkov et al., 1995; Liou and Scotland, 1971; Samokhvalov, 1979; Eloranta and Shipley, 1982; Wandinger, 1998]. Και σε αυτήν την περίπτωση, το μέγεθος των σωματιδίων παίζει σημαντικό ρόλο. Τα μεγάλα σωματίδια έχουν μια ισχυρή εμπρόσθια σκέδαση λόγω της διάθλασης του φωτός [= light diffraction]. Τα φωτόνια που σκεδάζονται σε γωνία κοντά στις 0 ο παραμένουν στο οπτικό πεδίο του τηλεσκοπίου και μπορούν να οπισθοσκεδαστούν [ή το φωτόνιο μπορεί να οπισθοσκεδαστεί και στην συνέχεια υφίσταται πολλαπλής τάξης εμπρόσθια σκέδαση πριν να φθάσει το τηλεσκόπιο του συστήματος