ΠΑΓΚΟΣΜΙΕΣ ΜΕΤΑΒΟΛΕΣ ΤΗΣ ΗΛΙΑΚΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ ΛΟΓΩ ΑΕΡΟΛΥΜΑΤΩΝ

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΤΟΜΕΑΣ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΦΥΣΙΚΗΣ & ΦΥΣΙΚΗΣ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ ΠΑΓΚΟΣΜΙΕΣ ΜΕΤΑΒΟΛΕΣ ΤΗΣ ΗΛΙΑΚΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ ΛΟΓΩ ΑΕΡΟΛΥΜΑΤΩΝ ΤΖΕΛΗ ΦΩΤΕΙΝΗ ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ: ΜΠΑΛΗΣ ΔΗΜΗΤΡΙΟΣ ΙΟΥΝΙΟΣ 2011

2 Τίτλος: Παγκόσμιες μεταβολές της ηλιακής ακτινοβολίας λόγω αερολυμάτων Περίληψη Υπάρχουν όλο και περισσότερες ενδείξεις ότι το ποσό της ηλιακής ακτινοβολίας που προσπίπτει στην επιφάνεια της Γής δεν είναι σταθερό άλλα υφίσταται σημαντικές διακυμάνσεις. Έτσι, στη παρακάτω εργασία εξετάζεται το φαινόμενο συσκότισης, δηλαδή τη μείωση την ηλιακής ακτινοβολίας την περίοδο , που οφείλεται κυριώς στη νέφωση και στα αερολύματα και το φαινόμενο λάμπρυνση, δηλαδή τη βελτίωση της στο πρώτο μέρος του 20 ου αιώνα. Οι μεταβολές της ηλιακής ακτινοβολίας στην επιφάνεια της ατμόσφαιρας έρχονται σε συμφωνία με τις παρατηρήσεις της ηλιοφάνειας και της ανακλαστικότητας. Οι διακυμάνσεις αυτές διαφέρουν από περιοχή σε περιοχή και εξαρτώνται από το στρώμα της ατμόσφαιρας σε κάθε περιοχής. 2

3 Title: Global variability of solar radiation due to aerosols Abstract There is increasing evidence that the amount of solar radiation incident on the surface of the Earth is not constant but there is considerable variation. Thus, the following work examine the phenomenon dimming, the reducing of solar radiation in the period mainly due to cloud ness and aerosols and the improvement of brightening in the first part of the 20th century. Changes in solar radiation on the surface of the atmosphere coming into agreement with observations of sunshine and albedo. These variations differ from region to region and depend on the level of the atmosphere of each region. 3

4 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΕΙΣΑΓΩΓΗ Κεφάλαιο 1 ο :Η ηλιακή ακτινοβολία στην επιφάνεια της Γης Ατμοσφαιρικά αιωρήματα Αλληλεπίδραση αιωρούμενων σωματιδίων με τα σύννεφα για την εξέλιξη της επιφανειακής ηλιακής ακτινοβολίας (Surface Solar Radiation) Τρόποι μετρήσης της επιφανειακής ηλιακής ακτινοβολίας (Surface Solar Radiation) Πλανητικές μετρήσεις ανακλαστικότητας Ημερήσιο Εύρος θερμοκρασίας Διάρκεια Ηλιοφάνειας Τηγάνι εξάτμισης Κεφάλαιο 2 ο : Μακροχρόνιες μεταβολές σε παγκόσμια κλίμακα ( ) Περίοδος :συσκότιση (dimming) Μελέτες για την περίοδο μετά το 1990:λάμπρυνση(brightening) Ερμηνεία των παγκόσμιων μεταβολών της ηλιακής ακτινοβολίας από μετρήσεις της νέφωσης και των ατμοσφαιρικών αιωρημάτων Σύννεφα Ατμοσφαιρικά αιωρήματα.28 Κεφάλαιο 3 ο : Γεωγραφικές διαφορές της συσκότισης και λάμπρυνσης στην Κίνα και την Αρκτική Κίνα Αρκτική...31 Κεφάλαιο 4 ο : Παρατηρούμενες μεταβολές στον Ελλαδικό χώρο Τροποσφαιρικές μετρήσεις του οπτικού βάθους αερολυμάτων στα 550 nm πάνω από τη Θεσσαλονίκη (AERONET) Ροές ακτινοβολίας στην επιφάνεια (ISCCP-FD) Αερολυμάτων οπτικού βάθους στα 550 nm (MODIS / Terra) Αποτελέσματα Συμπέρασμα..38 Κεφάλαιο 5 ο : Συμπεράσματα..39 Βιβλιογραφία..40 4

5 Εισαγωγή Η ηλιακή ακτινοβολία είναι πάρα πολύ σημαντική πηγή ζωής για όλους τους οργανισμούς και καθορίζει σε μεγάλο βαθμό τις κλιματολογικές συνθήκες των περιοχών. Το ποσό της ηλιακής ακτινοβολίας που φτάνει στην επιφάνεια της Γής εξαρτάται από πάρα πολλούς παράγοντες όπως τη νεφοκάλυψη, τη ποσότητα των αερολυμάτων που υπάρχουν στην ατμόσφαιρα, την ανακλαστικότητα και άλλους πολλούς. Οι διακυμάνσεις του SSR (ηλιακή ακτινοβολία) μπορούν να μετρηθούν από έναν αριθμό ανεξάρτητων ποσοτήτων και από δορυφορικά δεδομένα. Η κύρια μείωση της ηλιακής ακτινοβολίας (dimming) παρατηρείται τη περίοδο ενώ η βελτίωση της (brightening) μετά το Επίσης θα εξετάσουμε δύο χαρακτηριστικά παραδείγματα περιοχών. Το ένα αναμενόμενο, η Κίνα και το άλλο παράδοξο, η Αρκτική. Τέλος θα αναφερθούμε στο φαινόμενο μέσω της Θεσσαλονίκης για να αναλύσουμε διεξοδικά τις διακυμάνσεις του SSR. 5

6 Κεφάλαιο 1 ο : Η ηλιακή ακτινοβολία στην επιφάνεια της Γής Ο ήλιος ενεργεί σχεδόν, ως μια τέλεια πηγή ακτινοβολίας σε μια θερμοκρασία κοντά στους Κ. Η προσπίπτουσα (κατά μέσο όρο) ροή ενέργειας πάνω σε μια μονάδα επιφάνειας κάθετη προς τη διεύθυνση της δέσμης έξω από τη γήινη ατμόσφαιρα είναι γνωστή ως η ηλιακή σταθερά: 1370 W/m2. Η ένταση της ακτινοβολίας, η ολοκληρωμένη σε μια χρονική περίοδο, ονομάζεται ηλιακή ακτινοβολία. Η ηλιακή ακτινοβολία που φθάνει στην επιφάνεια της γης, αποτελεί μικρό μόνο ποσοστό εκείνης που υπάρχει στο ανώτατο όριο της ατμόσφαιρας. Ένα μέρος της, προσπίπτουσας ενέργειας αφαιρείται λόγω της σκέδασης ή της απορρόφησης από τα μόρια του αέρα, τα σύννεφα και τα πιθανά αερολύματα που υπάρχουν στην ατμόσφαιρα. Η ακτινοβολία, η οποία δεν ανακλάται ή διασκορπίζεται και προσεγγίζει την επιφάνεια της γης άμεσα σε ευθεία γραμμή από τον ηλιακό δίσκο, ονομάζεται άμεση ή ακτινοβολία δέσμης. Η διασκορπισμένη ακτινοβολία η οποία προσεγγίζει το έδαφος ονομάζεται διάχυτη ακτινοβολία. Κάποια από τις ακτινοβολίες αυτές ίσως προσεγγίσει ένα δεκτή μετά την ανάκλαση της στο έδαφος, οπότε και ονομάζεται ανακλώμενη ισχύς από το έδαφος. Η ολική ακτινοβολία η οποία αποτελείται από αυτά τα τρία στοιχεία ονομάζεται σφαιρική. Γενικά η ακτινοβολία που προσπίπτει σ ένα σώμα (ολική ακτινοβολία ) αποτελείται από δύο συνιστώσες, την άμεση και τη διάχυτη. Η άμεση συνιστώσα αποτελείται από φωτόνια που προέρχονται κατ ευθείαν από την πηγή (ήλιος, σελήνη, τεχνητή πηγή ) και είναι στην πράξη μία δέσμη ακτινών. Η διάχυτη συνιστώσα απαρτίζεται από φωτόνια που προέρχονται από διάφορες κατευθύνσεις και είναι αποτέλεσμα σκέδασης από τα διάφορα συστατικά της ατμόσφαιρας (σωματίδια, μόρια ), ανάκλασης από διάφορα αντικείμενα (έδαφος, νερό, χιόνι, κτίρια), ή εκπομπής (π.χ. γήινη ακτινοβολία, φθορισμός, χημειοφωταύγεια ). Η ακτινοβολία της ατμόσφαιρας μπορεί να υποστεί σκέδαση, δηλαδή πρακτικά να εκτραπεί από τη διεύθυνση διάδοσης της προς μία άλλη. Για παράδειγμα, όταν μία δέσμη λευκού φωτός προσπίπτει σ ένα ποτήρι με γάλα, το φως θα διαχυθεί. Τα φωτόνια θα εξέλθουν από τη μάζα του γάλακτος προς διάφορες κατευθύνσεις, και παρατηρούμενο από οποιαδήποτε γωνία, το εξερχόμενο φως θα είναι λευκό. Αυτό οφείλεται στη σκέδαση των φωτονίων από μικροσκοπικά σφαιρίδια του λίπους που αιωρούνται μέσα στο γάλα. Ανάλογο φαινόμενο είναι η επίδραση των νεφών στην ακτινοβολία ( τα νέφη είναι ένα μέσο με πολλά αιωρούμενα μόρια νερού ), που έχει σαν αποτέλεσμα τα σύννεφα να εμφανίζονται λευκά. Η σκέδαση του φωτός από σωμάτια που είναι πολύ μεγαλύτερα από τα μόρια ονομάζεται σκέδαση Mie. Το φως μπορεί επίσης να εκτραπεί από μεμονωμένα μόρια, μέσω μιας διαδικασίας που ονομάζεται σκέδαση Rayleigh ( ή μοριακή σκέδαση ). Τα δύο είδη σκεδάσεων παρουσιάζουν αρκετές διαφορές μεταξύ τους για διάφορους λόγους. Αν υπάρχουν αρκετά συστατικά στην ατμόσφαιρα, η σκέδαση Mie έχει σαν αποτέλεσμα η εξερχόμενη ακτινοβολία να έχει περίπου την ίδια ένταση, ανεξάρτητα 6

7 από τη γωνία παρατήρησης ( π.χ. σύννεφα ). Η σκέδαση Rayleigh όμως παρουσιάζει πολύ ισχυρή εξάρτηση από τη γωνία παρατήρησης, και ο βαθμός αυτής της γωνιακής εξάρτησης εξαρτάται από το μήκος κύματος. Όσο μικρότερο είναι το μήκος κύματος ( π χ. όσο πιο μπλε είναι το φως στην ορατή περιοχή ), τόσο ισχυρότερη είναι η σκέδαση. Επειδή, η ατμόσφαιρα σκεδάζει και απορροφά την ηλιακή ακτινοβολία, μελετώντας την ακτινοβολία που φθάνει σε μια θέση στην επιφάνεια της γης, μπορούμε να αντλήσουμε πολλές πληροφορίες για τη χημική σύσταση της ατμόσφαιρας πάνω από τη συγκεκριμένη περιοχή. Το ηλιακό φως αποτελείται από ένα ευρύ φάσμα ακτινοβολιών με διαφορετικά μήκη κύματος. Οι ακτινοβολίες αυτές δεν φθάνουν όλες στον ίδιο βαθμό στην επιφάνεια της γης. Η ακτινοβολία που φθάνει τελικά στη γη είναι ένα μέρος της υπεριώδους ακτινοβολίας (UVC, UVB, UVA), της ορατής (VIS) και της υπέρυθρης (IR). Καθώς το φως του ήλιου περνά μέσα από την ατμόσφαιρα, μερικοί παράγοντες που επηρεάζουν την ηλιακή ακτινοβολία είναι οι παρακάτω: το όζον, τα ατμοσφαιρικά αιωρήματα, τα νέφη, το υψόμετρο, η ανακλαστικότητα του εδάφους και η κλίση των ηλιακών ακτινών. Το όζον απορροφά ισχυρά την ηλιακή ακτινοβολία κυρίως στη στρατόσφαιρα όπου παρουσιάζεται το μέγιστο της κατακόρυφης κατανομής του όζοντος όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα Σχήμα 1 :Κατακόρυφη κατανομή του όζοντος σε διάφορα γεωγραφικά πλάτη και για διάφορες εποχές του έτους. 7

8 Τα ατμοσφαιρικά αιωρήματα εξασθενούν την ηλιακή ακτινοβολία είτε λόγω σκέδασης είτε λόγω απορρόφησης και η παρουσία τους στην ατμόσφαιρα έχει σαν αποτέλεσμα η ακτινοβολία που φθάνει στο έδαφος να έχει διαφορετική γεωμετρία. Τα νέφη εξασθενίζουν την ηλιακή ακτινοβολία μέσω της σκέδασης Mie και ο ρόλος τους στη διαμόρφωση της ακτινοβολίας που φθάνει στο έδαφος είναι πολύ σημαντικός, εφόσον οπτικά πυκνά νέφη μπορούν να οδηγήσουν ακόμη και σε πρακτικά ολική εξασθένιση της ακτινοβολίας. Το παρακάτω σχήμα παρουσιάζει την ημερήσια διακύμανση της ηλιακής ακτινοβολίας σε μία ανέφελη μέρα και σε μία με σποραδική νεφοκάλυψη. Σχήμα 2 :Ημερήσια διακύμανση της ηλιακής ακτινοβολίας ( ολοφασματικής ) σε δύο γειτονικές ημέρες εκ των οποίων η μία ήταν ανέφελη ( παχιά γραμμή ) και η άλλη με σποραδική νεφοκάλυψη ( λεπτή γραμμή ). Η διακεκομμένη γραμμή παριστά τη μεταβολή της ζενίθειας γωνίας του ήλιου κατά τη διάρκεια της ημέρας. Το υψόμετρο επηρεάζει την πυκνότητα ροής της ηλιακής ακτινοβολίας που γίνεται μεγαλύτερη όσο απομακρυνόμαστε κατακόρυφα από την επιφάνεια της θάλασσας, επειδή η ποσότητα των συστατικών της ατμόσφαιρας που την απορροφούν ή την σκεδάζουν, ελαττώνεται με το ύψος. 8

9 Η ανακλαστικότητα του εδάφους εξαρτάται από το είδος του εδάφους και από το μήκος κύματος της ακτινοβολίας. Όταν ο ουρανός είναι καλυμμένος με νέφη, η ανακλαστικότητα του εδάφους οδηγεί σε ενίσχυση της ροής της ακτινοβολίας που φθάνει τελικά στο έδαφος, εφόσον μέρος της ανακλώμενης προς τα πάνω ακτινοβολίας όταν συναντήσει τα νέφη σκεδάζεται πάλι προς το έδαφος. Η κλίση των ηλιακών ακτινών εκφράζεται ποσοτικά από τη ζενίθια γωνία τη γωνία δηλαδή που σχηματίζει η διεύθυνση των ακτινών με την κατακόρυφο. Έτσι, σε μία ανέφελη ημέρα, η υπεριώδης ακτινοβολία είναι ισχυρότερη κατά τις μεσημεριανές από ότι κατά τις πρωινές ή απογευματινές ώρες. Όσο πιο ψηλά βρίσκεται ο ήλιος στον ουρανό, τόσο πιο έντονη είναι η ακτινοβολία ( μικρότερη κλίση των ηλιακών ακτινών ). Επίσης, η κλίση των ηλιακών ακτινών αυξάνεται όταν η διαδρομή που διανύει ένα φωτόνιο μέσα σ ένα ατμοσφαιρικό στρώμα επιμηκύνεται οπότε, αναμένουμε εξασθένιση μία δέσμης φωτονίων όταν η ζενίθια γωνία είναι μεγαλύτερη. Αυτό προκύπτει από τον νόμο των Beer-Lambert, που εκφράζει την εξασθένιση μιας δέσμης ακτινοβολίας όταν διέρχεται από ένα μέσο που απορροφά την ακτινοβολία: Ε ( λ ) = Ε ο ( λ ) exp [ - τ ( λ ) sec θ ] Όπου Ε ( λ ) η προσπίπτουσα ακτινοβολία Ε ο ( λ ) η εξερχόμενη ακτινοβολία τ ( λ ) το οπτικό βάθος μας δείχνει πόσο ελαττώνεται η ακτινοβολία όσο κατεβαίνουμε μέσα στην ατμόσφαιρα θ η γωνία πρόσπτωσης της δέσμης 9

10 Στο παρακάτω σχήμα παρατηρούμε την μεταβολή ροής της ακτινοβολίας σαν αποτέλεσμα της μεταβολής της κλίσης της προσπίπτουσας δέσμης. Σχήμα 3 :Μεταβολή της πυκνότητας ροής της ακτινοβολίας που δέχεται μία επιφάνεια σαν αποτέλεσμα της μεταβολής της κλίσης της προσπίπτουσας δέσμης της ακτινοβολίας. Τα σύννεφα και τα ατμοσφαιρικά αιωρήματα είναι οι πιο πιθανοί παράγοντες ελάττωσης της ηλιακής ακτινοβολίας και γι αυτό θα γίνει διεξοδική αναφορά σε αυτούς. Υπάρχουν όλο και περισσότερες ενδείξεις ότι το ποσό της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας που πέφτει στην επιφάνεια της γης δεν είναι σταθερό κατά το πέρασμα των ετών αλλά αντίθετα υφίστανται σημαντικές διακυμάνσεις. Το ποσοστό της ολικής (άμεση + διάχυτη) ηλιακή ακτινοβολία που προσπίπτει στην επιφάνεια της γης το συμβολίζουμε με SSR (Surface Solar Radiation ). Όταν το SSR μειώνεται λόγω σύννεφων ή ρύπων στην ατμόσφαιρα ή άλλων παραγόντων παρουσιάζεται συσκότιση δηλαδή dimming.ενώ, όταν το SSR αυξάνεται παρουσιάζεται στην περιοχή λάμπρυνση δηλαδή brightening. Ωστόσο, οι αλλαγές στις διακυμάνσεις του SSR μπορεί να οφείλεται είτε σε εξωτερικές μεταβολές στο ποσοστό της ηλιακής ακτινοβολίας που φτάνει στο ανώτατο όριο της ατμόσφαιρας είτε σε εσωτερικές αλλαγές στο κλιματικό σύστημα του πλανήτη. Οι εξωτερικές αλλαγές εξαρτώνται από τις τροχιακές παραμέτρους της Γής και από την ηλιακή παραγωγή. Από την άλλη πλευρά, οι εσωτερικές μεταβολές συνδέονται με την διαφάνεια της ατμόσφαιρας που έχει τη δυνατότητα να τροποποιήσει την ηλιακή ακτίνα που βρίσκεται καθ οδό προς την επιφάνεια της Γης. Οι αλλαγές στην ατμοσφαιρική διαφάνεια εξαρτώνται από : 10

11 μεταβολές στα χαρακτηριστικά των σύννεφων δηλαδή ύπαρξη ή όχι νεφοκάλυψης και αλλαγές στις οπτικές ιδιότητες τους. μεταβολές των αερίων που υπάρχουν στην ατμόσφαιρα όπως είναι οι υδρατμοί που έχουν τη δυνατότητα να απορροφούν μεγάλη ποσότητα ηλιακής ακτινοβολίας. μεταβολές στην ποσότητα και τις οπτικές ιδιότητες των αιωρούμενων σωματιδίων ( aerosols ) τα οποία διασκορπίζουν ή απορροφούν την ηλιακή ακτινοβολία ανάλογα με τη σύνθεση τους, τις φυσικές και τις χημικές τους ιδιότητες. Σχετικά, με τις τροχιακές παραμέτρους της Γης μπορούν να εξηγήσουν τους κύκλους εποχής των παγετώνων αλλά με τις δεκαετιών χρονικές κλίμακες που εξετάζουμε, θεωρούνται αμελητέες. Οι μεταβολές στην ηλιακή παραγωγή μπόρεσαν και υπολογίστηκαν άμεσα μέσου δορυφορικών αποστολών από τις αρχές της δεκαετίας του Έτσι, οι εκτιμήσεις για την ηλιακή παραγωγή είναι τουλάχιστον μία τάξη μεγέθους μικρότερη από τις αλλαγές στις διακυμάνσεις του SSR που παρατηρήθηκαν. Διαπιστώνουμε, λοιπόν, ότι το φαινόμενο του dimming και brightening οφείλεται καθαρά στις αλλαγές και διεργασίες που διεξάγονται στο κλιματικό σύστημα της ατμόσφαιρας. Από τα αέρια συστατικά της ατμόσφαιρας, οι υδρατμοί έχουν τη μεγαλύτερη δυνατότητα τροποποίησης της ηλιακής ακτινοβολίας. Επομένως, οι μελέτες που σχετίζονται με τα μοντέλα μεταφοράς ακτινοβολίας δείχνουν ότι σημαντικές αλλαγές στην ποσότητα των υδρατμών μπορούν να εξηγήσουν τις διακυμάνσεις του SSR. Για παράδειγμα, αύξηση 10% της ατμοσφαιρικής περιεκτικότητας των υδρατμών ισοδυναμεί με μείωση της ηλιακής ακτινοβολίας λιγότερο από 0.5%. Η εκτιμώμενη αύξηση των ατμοσφαιρικών υδρατμών κατά τις τελευταίες δεκαετίες όπως εκτιμήθηκε από το IPCC ( Intergovernmental Panel on Climate Change ) είναι γύρω στο 5% ανά 1 ο C. Λαμβάνοντας υπόψη, μία αύξηση της θερμοκρασίας της Γης κατά 0.8 ο C μεταξύ 1960 και 2000 ισοδυναμεί με μία αύξηση των υδρατμών κατά 4%, που αυτό με τη σειρά του ισοδυναμεί με μία μείωση του SSR κατά 0.05% περίπου. Επομένως, οι ατμοσφαιρικοί υδρατμοί δεν συμβάλουν σημαντικά στις διακυμάνσεις του SSR. Αντίθετα, παρατηρήθηκε μείωση του SSR λόγω των διακυμάνσεων των ατμοσφαιρικών συγκεντρώσεων του ΝΟ 2, Η 2 Ο, CH 4, CO 2 και του ατμοσφαιρικού όζοντος. Σύμφωνα, λοιπόν, με τα παραπάνω τα ατμοσφαιρικά αιωρήματα και τα σύννεφα είναι οι κύριοι υποψήφιοι παράγοντες για την εξήγηση του dimming και brightening. Φυσικά, οι δύο αυτοί παράγοντες συνδέονται μεταξύ τους όπως θα δούμε παρακάτω. 11

12 1.1 Ατμοσφαιρικά αιωρήματα Οι εκπομπές των μικροσκοπικών σωματιδίων, που ονομάζονται αερολύματα, στην ατμόσφαιρά διαταράσσουν το κλίμα μας. Τα αερολύματα προέρχονται τόσο από φυσικές πηγές (όπως οι θύελλες σκόνης, εκρήξεις ηφαιστείων, και πυρκαγιές) όσο και από ανθρωπογενείς πηγές (κυρίως με καύση άνθρακα σε μονάδες ηλεκτροπαραγωγής και κινητήρες εσωτερικής καύσης σε αυτοκίνητα και φορτηγά).τα αερολύματα τροποποιούν τον προϋπολογισμό της ενέργειας της Γης (περίπου σκέδασης ή αντανακλούν το φως, ενώ άλλοι είναι ισχυροί απορροφητές της ηλιακής ενέργειας) και μπορούν να προκαλέσουν αλλαγές στον κύκλο του νερού (αεροζόλ διαδραματίζουν έναν κρίσιμο ρόλο στο σχηματισμό των νεφών και σταγόνα βροχής). Οι συνολικές επιπτώσεις των αιωρούμενων σωματιδίων είναι πολύπλοκες, γιατί υπάρχουν πολλά διαφορετικά είδη που επηρεάζουν διάφορες πτυχές της αλλαγής του κλίματος με διάφορους τρόπους. Τα αερολύματα είναι μικρά σωματίδια που παρασύρονται ψηλά στην ατμόσφαιρα. Τα αερολύματα δεν είναι αέρια. Τα αερολύματα είναι συνήθως στερεά, αν και μερικά είναι μικροσκοπικά σταγονίδια υγρού. Ορισμένα αερολύματα παραμένουν υψηλά για λίγες ώρες, ενώ άλλα μπορούν να μείνουν αερομεταφερόμενα για χρόνια. Κυμαίνονται σε μέγεθος από περίπου 10 νανόμετρα έως 100 μικρόμετρα σε διάμετρο. Τα μικρότερα σωματίδια είναι μόνο μερικά μόρια, ενώ το μεγαλύτερο είναι περίπου το ίδιο πλάτος με ένα σκέλος της ανθρώπινης τρίχας. Μια τυπική σταγόνα βροχής είναι περίπου 2 χιλιοστά (2.000 μικρά) σε διάμετρο, ενώ ένα τυπικό σταγονίδιο σύννεφου είναι περίπου 20 μικρά ( βλέπε σχήμα 4 ο ) Σχήμα 4 : Μέγεθος αιωρούμενου σωματιδίου 12

13 Πρώτα ας δούμε τις κυριότερες πηγές των αερολυμάτων. Τα αερολύματα παράγονται τόσο φυσικά όσο και ως αποτέλεσμα ανθρώπινων δραστηριοτήτων. Η σκόνη, ως επί το πλείστον με τη μορφή λεπτών σωματιδίων ορυκτών, είναι η πιο διαδεδομένη φυσική πηγή των αερολυμάτων. Μεγάλες ανεμοθύελλες πάνω από ερήμους και άλλες άνυδρες περιοχές μπορούν να σηκώσουν τα σωματίδια σκόνης ψηλά στην ατμόσφαιρα, επιτρέποντάς τους να παρασύρονται κατά εκατοντάδες χιλιόμετρα μακριά από την πηγή τους. Η θάλασσα χαρακτηρίζεται σαν τη δεύτερη πιο συχνή φυσική πηγή των αερολυμάτων με τη μορφή διαφόρων αλάτων. Αυτά τα αερολύματα ως επί το πλείστον πέφτουν πίσω στον ωκεανό, κοντά στον τόπο όπου έχουν εκπεμφθεί. Οι μεγάλες ηφαιστειακές εκρήξεις διασκορπίζουν τεράστια νέφη των λεπτών σωματιδίων τέφρας στην ατμόσφαιρα, μερικές φορές φθάνοντας μέχρι και ως τη στρατόσφαιρα. Στάχτη από πολύ μεγάλες εκρήξεις μπορεί να μείνει ψηλά για μήνες έως μερικά χρόνια, και μπορεί να εξαπλωθεί σε όλο τον κόσμο. Δασικών και χορτολιβαδικών πυρκαγιές δημιουργούν τα σωματίδια αιθάλης, ως μέρος του καπνού που εκπέμπουν. Θαλάσσιο φυτοπλαγκτόν είναι επίσης υπεύθυνο, εμμέσως, για την παραγωγή μεγάλων ποσοτήτων των αερολυμάτων. Θα το εξηγήσουμε αυτό περισσότερο, όταν περιγράφουμε τις εκπομπές πρωτογενών και δευτερογενών εκπομπές των αιωρούμενων σωματιδίων. Ομοίως, η ξηρά βλάστηση εκπέμπει αέρια, όπως πτητικές οργανικές ενώσεις (ΠΟΕ), που συμβάλλουν στην δευτερεύουσα εκπομπή των αερολυμάτων. Ανθρωπογενείς (ανθρώπινα παράγονται) αερολύματα αποτελούν περίπου το 10% του ποσού των αερολυμάτων στην ατμόσφαιρα. Μικροσκοπικά σωματίδια μαύρο άνθρακα, είτε αιθάλη, αποτελούν ένα σημαντικό συστατικό του καπνού που παράγεται από πολλά είδη καύσης. Καύσης άνθρακα από εργοστάσια ηλεκτροπαραγωγής παράγουν μεγάλες ποσότητες μαύρου άνθρακα και συχνά φτάνουν σε μεγάλο ύψος μέσα στην ατμόσφαιρα οι εκπομπές από τα ψηλά φουγάρα. Κινητήρες εσωτερικής καύσης σε αυτοκίνητα, φορτηγά και χωματουργικά οχήματα εκπέμπουν άφθονο μαύρο άνθρακα. Οι κινητήρες ντίζελ είναι ιδιαίτερα παραγωγικές σ αυτού του τύπου αεροζόλ. Οι ανθρώπινες δραστηριότητες έχουν αυξήσει επίσης, αισθητά την ποσότητα της παραγωγής αερολυμάτων ορυκτών σκόνης. Απερήμωσης, την απομάκρυνση των εγκαταστάσεων που βοηθούν στην πρόληψη αιολικής διάβρωσης των εδαφών, καθώς και μεγάλα εργοτάξια είναι οι σημαντικότερες ανθρωπογενείς πηγές των αιωρούμενων σωματιδίων σκόνης. Τέλος, ρυπογόνα αέρια όπως τα οξείδια του θείου και τα οξείδια του αζώτου, τα οποία εκπέμπονται από την καύση ορυκτών καυσίμων καθώς και μια ποικιλία από βιομηχανικές διεργασίες, μπορούν να δημιουργήσουν δευτερεύουσες εκπομπές αερολυμάτων ως αποτέλεσμα των χημικών αντιδράσεων στην ατμόσφαιρα. Ποια είναι η έννοια της πρωτοβάθμιας εκπομπής έναντι δευτερεύουσας εκπομπής αερολυμάτων; Όπως μπορείτε να μαντέψετε, πρωτογενείς πηγές εκπομπές αερολυμάτων εξέχουν άμεσα σωματίδια αερολυμάτων στην ατμόσφαιρα. Η σκόνη, ηφαιστειακή στάχτη, και ο μαύρος άνθρακα από τα διάφορα είδη της καύσης είναι όλα παραδείγματα των πρωτογενών εκπομπών. Οι δευτεροβάθμιες εκπομπές αναφέρονται σε ουσίες που δεν είναι αερολύματα όταν αρχικά εκπέμπονται, αλλά αργότερα υποβάλλονται σε κάποια χημική αντίδραση στην ατμόσφαιρα, που τις μετατρέπει σε αερολύματα. Για παράδειγμα, το διοξείδιο του θείου (SO2) που εκπέμπεται από τα ηφαίστεια, δασικές 13

14 πυρκαγιές, καύσης άνθρακα σε σταθμούς παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, αποτέφρωση, καθώς και άλλες πηγές. Στην ατμόσφαιρα, οι χημικές αντιδράσεις και σε συνδυασμό με το νερό μπορούν να μετατρέψουν το διοξείδιο του θείου σε σταγονίδια θειικού οξέος, ένα υγρό αερόλυμα που βοηθά τη δημιουργία της όξινης βροχής. Το θειικό οξέος μπορεί επίσης να συνδυαστεί με αέριο αμμωνίας (NH3) και να σχηματίσουν μια σταθερή ποσότητα αμμωνίου, θειικό αμμώνιο ([NH4] 2 [SO4]). Έτσι, οι εκπομπές των αερίων του διοξειδίου του θείου μπορούν να παράγουν τελικά πολλαπλά αερολύματα, σε υγρή και στερεά μορφή. Οξείδιο του θείου και του αζώτου των αερίων του αζώτου, που δημιουργούνται από φυσικές και ανθρωπογενείς διεργασίες, είναι οι πιο διαδεδομένες πηγές των δευτερογενών εκπομπών αεροζόλ. Η έκθεση σε ηλιακή ακτινοβολία, συχνά με τη μορφή υπεριώδη, και μερικές φορές σε μεγάλα υψόμετρα, είναι συχνό φαινόμενο η μετατροπή των αερίων αυτών σε αερολύματα. Η παρουσία των αιωρούμενων σωματιδίων στην ατμόσφαιρα της Γης επηρεάζει το κλίμα σε τρεις βασικούς τρόπους. Τα αερολύματα μεταβάλλουν την ανακλαστικότητα, αλλάζοντας το ποσό της ηλιακής ενέργειας που φθάνει στην επιφάνεια του πλανήτη και το ποσό που απορροφάται σε διάφορα επίπεδα στην ατμόσφαιρα. Τα αερολύματα παίζουν επίσης σημαντικό ρόλο στο σχηματισμό των νεφών, διαφόρων τύπων και σε διάφορα υψόμετρα. Τέλος, τα αερολύματα συμβάλουν στην ενίσχυση ή την καταστολή των διαφόρων τύπων χημικών αντιδράσεων στην ατμόσφαιρα, παράγοντας σημαντικές, αλλά είναι δύσκολο να μελετηθούν, επιπτώσεις στο κλίμα εξαιτίας της ύπαρξης των πολλών ενώσεων στην ατμόσφαιρα. Διαφορετικά αερολύματα αλληλεπιδρούν με το ηλιακό φως (και άλλα με την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία), με διάφορους τρόπους. Το θαλασσινό αλάτι δεν απορροφά το φως του ήλιου, αλλά η σκόνη ορυκτών το απορροφά. Ο μαύρος άνθρακας, όπως μπορείτε να μαντέψετε, είναι ισχυρός απορροφητής του φωτός. Όλα τα αερολύματα, όπως θειικά και νιτρικά αερολύματα, προκαλούν διάχυση του φωτός σε κάποιο βαθμό. Αερολύματα διαφορετικών τύπων μπορούν και επηρεάζουν το κλίμα με έναν ή περισσότερους τρόπους. Πολλά αερολύματα αντανακλούν την εισερχόμενη ηλιακή ακτινοβολία πίσω στο διάστημα, αυξάνοντας αποτελεσματικά την ανακλαστικότητα της Γης με αποτέλεσμα να ενισχυθεί η ψύξη στον πλανήτη. Ωστόσο, τα αερολύματα που απορροφούν το φως του ήλιου, (ειδικά ο μαύρος άνθρακας), αυξάνουν αποτελεσματικά την ανακλαστικότητα της ατμόσφαιρας που βρίσκεται κοντά τους, όταν αντανακλούν την απορροφημένη ενέργεια στο υπέρυθρο τμήμα του φάσματος. Σημειώστε ότι αυτή η απορρόφηση και θέρμανση μπορεί να συμβεί κοντά στην επιφάνεια της Γης ή πάνω από την στρατόσφαιρα, και ότι η θέρμανση αυτή μπορεί να επιδράσει καταλυτικά το κλίμα. Τα αερολύματα διαδραματίζουν έναν κρίσιμο ρόλο στο σχηματισμό των νεφών. Σύννεφα μεταφέρουν δροσερό αέρα και οι υδρατμοί τους συμπυκνώνονται, σχηματίζοντας μικρά υγρά σταγονίδια του νερού. Ωστόσο, υπό κανονικές συνθήκες, αυτά τα σταγονίδια σχηματίζονται μόνο όταν υπάρχει κάποια «διαταραχή» στον κατά τα άλλα "καθαρό" αέρα. Τα σωματίδια γύρω από κάποιο σύννεφο που περιέχει τα παραπάνω σταγονίδια ενώνονται και σχηματίζουν τους πυρήνες συμπύκνωσης 14

15 νεφών CCN (Cloud Condensation Nuclei ). Έτσι, σε όλες σχεδόν τις περιπτώσεις, τα αερολύματα παίζουν καθοριστικό ρόλο στο σχηματισμό των νεφών. Όπως είδαμε, δεν είναι όλα τα αερολύματα ίδια. Όπως μπορείτε να φανταστείτε, διαφορετικά αερολύματα παίζουν διαφορετικούς ρόλους στο σχηματισμό των νεφών. Αερολύματα διατίθενται σε διαφορετικά μεγέθη και είναι ελαφρύτερα σε διαφορετικά ύψη στην ατμόσφαιρα. Διαφορετικοί τύποι των νεφών υπάρχουν σε διαφορετικά ύψη. Ορισμένα σύννεφα έχουν μικρότερα σταγονίδια από άλλα? Σύννεφα με μικρότερα σταγονίδια έχουν υψηλότερη ανακλαστικότητα, ενώ σύννεφα με μεγαλύτερα σταγονίδια είναι πιο επιρρεπή σε παραγωγή καθίζησης. Η θερμοκρασία και η υγρασία παίζουν βασικό ρόλο στον προσδιορισμό των τύπων των νεφών που σχηματίζονται σε μια δεδομένη τοποθεσία, αλλά το ίδιο συμβαίνει και με τα αερολύματα. Η αφθονία, τα μεγέθη, και τα είδη των αερολυμάτων αποτελούν σημαντικοί παράγοντες στο σχηματισμό των νεφών. Κάθε διαταραχή στην κανονική σύνθεση των αερολυμάτων, είτε από φυσικά φαινόμενα όπως εκρήξεις ηφαιστείων ή πυρκαγιές, είτε από ανθρωπογενείς αιτίες, όπως οι εκπομπές από την καύση ορυκτών καυσίμων, τείνει να αλλάξει το είδος και τον αριθμό των νεφών που εμφανίζονται σε αυτή την περιοχή. Αλλαγές στη σύνθεση των σύννεφων προκαλεί αλλαγή στην ηλιακή ενέργεια εισόδου, στην ανακλαστικότητα και να αλλάξει την τυπολογία των ατμοσφαιρικών κατακρημνισμάτων. Οι αλλαγές αυτές επηρεάζουν μεγάλες εκτάσεις, αλλά δεν είναι ομοιόμορφη σε παγκόσμια κλίμακα. Μία περιοχή ενδέχεται να εμφανίζει περισσότερα σύννεφα, μία άλλη λιγότερα, και άλλη σύννεφα που βρίσκονται σε πολύ μεγάλο υψόμετρο. Τέτοιες περιπτώσεις προκαλούν έντονες κλιματικές επιπτώσεις (βλ.σχήμα5). Τέλος, οι χημικές ιδιότητες των αερολυμάτων μπορούν να διαδραματίσουν σημαντικό ρόλο στις ικανότητές τους να επηρεάζουν το κλίμα. Ορισμένα αερολύματα είναι σχετικά αδρανή, άλλα είναι πολύ δραστικά και μερικά αντιδρούν έντονα μόνο με ορισμένες ουσίες. Χημικές αντιδράσεις που περιλαμβάνουν τα αερολύματα μπορούν να δημιουργήσουν νέες ουσίες που επηρεάζουν το κλίμα, ή μπορούν να μειώσουν τα ποσά ορισμένων άλλων χημικών ουσιών στην ατμόσφαιρα, και πάλι, να τροποποιήσουν την υφιστάμενη ισορροπία. Οι αντιδράσεις αυτές μπορεί να προκαλέσουν αύξηση του μεγέθους των αερολυμάτων, μεταβάλλοντας την ικανότητά τους να απορροφούν ή να σκεδάζουν το φως. Αερολύματα μπορεί επίσης να χρησιμεύουν ως πλατφόρμα πάνω στην οποία συσσωρεύονται με άλλες ουσίες, με αποτέλεσμα να αυξάνουν το ποσοστό ορισμένων χημικών αντιδράσεων οι οποίες, διαφορετικά θα ήταν πολύ σπάνιο να εμφανιστούν λόγω των χαμηλών ποσοστών των μοριακών συγκρούσεων. Οι λεπτομέρειες της ατμοσφαιρικής χημείας, που περιλαμβάνουν τα αερολύματα είναι πολύπλοκες, και οι επιστήμονες ερευνούν ενεργά αυτόν τον τομέα σήμερα. 15

16 Σχήμα 5 : Γραφική παράσταση της μείωσης της ηλιακής ακτινοβολίας ή της αύξησης των αερολυμάτων συναρτήσει του γεωγραφικού πλάτους. 16

17 1.2 Αλληλεπίδραση αιωρούμενων σωματιδίων με τα σύννεφα για την εξέλιξη της επιφανειακής ηλιακής ακτινοβολίας (Surface Solar Radiation) Οι διακυμάνσεις του SSR καθορίζονται σε μεγάλο βαθμό από τη διαφάνεια της ατμόσφαιρας και από τις αλλαγές των σύννεφων και των αερολυμάτων. Αν και συνδέονται πολύ στενά μεταξύ τους τα σύννεφα και τα ατμοσφαιρικά αιωρήματα οι διακυμάνσεις που προκαλούν στο SSR έχουν διαφορετική σημασία για το κάθε ένα. Ιδιαίτερα, τα αερολύματα μπορούν να επηρεάσουν τα σύννεφα με διάφορους τρόπους ανάλογα με τα επίπεδα ρύπανσης που παρουσιάζει η κάθε περιοχή. Έτσι, για ένα συγκεκριμένο τύπο αερολύματος το CCN τα σύννεφα παρουσιάζουν μία λογαριθμική ευαισθησία και αυτό ερμηνεύεται ως εξής: μικρές αλλαγές στη ποσότητα του CCN είναι δυνατόν να επηρεάσουν σημαντικά τις οπτικές ιδιότητες και το σχηματισμό των σύννεφων σε μια παρθένα περιοχή σε σχέση με μια μολυσμένη. Από την άλλη πλευρά, το ποσοστό απορρόφησης της ηλιακής ακτινοβολίας από τα ατμοσφαιρικά αιωρήματα εξαρτάται από το οπτικό πάχος τους. Καταλαβαίνουμε, λοιπόν, ότι οι αλλαγές στα σύννεφα επηρεάζουν σημαντικά τις παρθένες περιοχές ενώ τα αερολύματα επηρεάζουν άμεσα τις ρυπογόνος περιοχές. Όλα τα παραπάνω προκαλούν μείωση του SSR και ενισχύουν το dimming ( θαλερότητα ). Να επισημάνουμε ότι σε μια παρθένα περιοχή εάν εκτός από τα σύννεφα υπάρχουν και αιωρούμενα σωματίδια τότε το φαινόμενο dimming ενισχύεται περισσότερο με αποτέλεσμα το SSR να παρουσιάζει δραματική μείωση. Ωστόσο, σε ορισμένες μολυσμένες περιοχές δεν είναι δυνατόν να σχηματιστούν σύννεφα λόγω της θερμότητας που απορροφούν τα αερολύματα με αποτέλεσμα να σταθεροποιούν την ατμόσφαιρα, ενώ, το μειωμένο SSR λόγω της υψηλής ποσότητας ρύπανσης μειώνει τη διαθέσιμη ενέργεια για εξάτμιση. Αυτό συνέβη στην Κίνα το 1960 έως τη δεκαετία του 1990 που λόγω των υψηλών επιπέδων ρύπανσης, το SSR μειώθηκε χωρίς την παρουσία σύννεφων. Επομένως, η μειωμένη ποσότητα σύννεφων συνδέεται με την αυξημένη μείωση των αερολυμάτων και προκαλεί τη μετάβαση του φαινομένου dimming ( θαλερότητα ) σε brightening ( λάμπρυνση ). 1.3 Τρόποι μέτρησης της επιφανειακής ηλιακής ακτινοβολίας (Surface Solar Radiation) Το SSR μελετήθηκε, αρχικά, στις αρχές του 1980 μέσω δορυφόρων που είχαν γίνει διαθέσιμοι. Την περίοδο το SSR μετρήθηκε με τη χρήση φυσικών ακτινοβολιών μαζί με τα δορυφορικά δεδομένα. Στη συνέχεια ένας αριθμός ανεξάρτητων ποσοτήτων μέτρησης μπορεί να προσφέρει σε κάποιο βαθμό πληροφορίες για τις διακυμάνσεις του SSR. Μερικές από αυτές είναι οι πλανητικές παρατηρήσεις ανακλαστικότητας, το ημερήσιο εύρος θερμοκρασιών, η διάρκεια ηλιοφάνειας και το τηγάνι εξάτμισης. 17

18 1.3.1 Πλανητικές παρατηρήσεις ανακλαστικότητας Το καθαρό ποσοστό απορρόφησης της ηλιακής ακτινοβολίας προκαλεί αλλαγές στην πλανητική ανακλαστικότητα και κατ επέκταση και στο κλίμα. Επομένως, αυτές οι αλλαγές μπορούν να δώσουν τις πρώτες εκτιμήσεις για τις διακυμάνσεις του SSR. Αλλά οι πλανητικές αλλαγές της ανακλαστικότητας που οφείλονται στις αλλαγές της σκέδασης στο διάστημα είναι ενδεικτικές των αντίστοιχων διακυμάνσεων του SSR αλλά δεν είναι ενδεικτικές όταν οι πλανητικές αλλαγές εξαρτώνται από την απορρόφηση εντός της ατμόσφαιρας. Σε αντίθεση με το SSR, η πλανητική ανακλαστικότητα μπορεί να μετρηθεί άμεσα από τη διαστημική πλατφόρμα. Ωστόσο, οι παρατηρήσεις των δορυφορικών ευρυζωνικών βραχέων κυμάτων δηλαδή, οι μετρήσεις που καλύπτουν την πλήρη φασματική περιοχή της ηλιακής ακτινοβολίας και όχι μόνο επιλεγμένα κανάλια σε διακριτά μήκη κύματος, ήταν σε μεγάλο βαθμό ασυνεχείς μέχρι το Και παρόλο που κάλυπταν ολόκληρο τον πλανήτη ήταν διαθέσιμες μόνο μεταξύ , 1994/1995 για 11 μήνες και 1998/1999 για 5 μήνες. Επομένως, δεν έχουμε πληροφορίες σχετικά με τις διακυμάνσεις της παγκόσμιας πλανητικής ανακλαστικότητας από τα ευρυζωνικά κύματα ακόμα και στην εποχή του δορυφόρου Οι μόνες συνεχείς ευρυζωνικές παρατηρήσεις είναι μέσου του δορυφόρου ERBS που βρισκόταν σε λειτουργία από τα μέσα του 1980 μέχρι τα τέλη της δεκαετίας του 1990 καλύπτοντας τα κάτω γεωγραφικά πλάτη. Οι παρατηρήσεις αυτές επέτρεψαν την ανάλυση των δεκαετιών διακυμάνσεων της πλανητικής ανακλαστικότητας πάνω από τους τροπικούς. Με την αλλαγή της χιλιετίας, νέα προγράμματα μέσω δορυφόρου έκαναν την εμφάνιση τους παρέχοντας έναν πλούτο πληροφοριών για την ατμόσφαιρα, όπως για τη ροή της ακτινοβολίας και των αιωρούμενων σωματιδίων ( aerosols ) καθώς και για τις ιδιότητες των σύννεφων. Μετά το 2000 δεν προέκυψαν διακριτές διακυμάνσεις στην παγκόσμια πλανητική ανακλαστικότητα, έτσι, χρησιμοποιήθηκε μία εναλλακτική προσέγγιση για να προσδιοριστούν οι μεταβολές της, η μέθοδος Earthshine. Με αυτή τη μέθοδο, οι αλλαγές στην ακτινοβολία του ήλιου αντανακλούνται από τη Γη πάνω στην σκοτεινή πλευρά του φεγγαριού και έτσι, ελέγχονται οι διακυμάνσεις της πλανητικής ανακλαστικότητας. Οι συνεχείς μετρήσεις με τη μέθοδο Earthshine ξεκίνησαν το 1999 και τα αποτελέσματα της συγκρίθηκαν με αυτά από το ISCCP ( International Satellite Cloud Climatology Project ) κατά την περίοδο Παρατήρησαν μείωση της πλανητικής ανακλαστικότητας, σύμφωνα με το ISCCP, δηλαδή αύξηση του SSR. Ενώ, την περίοδο , η πλανητική ανακλαστικότητα αυξήθηκε με βάση τη μέθοδο Earthshine, δηλαδή το SSR μειώθηκε, αλλά μειώθηκε με βάση των μετρήσεων του ISCCP. Αυτή η διαφορά αντιμετωπίστηκε για να προκύψει μία συγκεκριμένη διακύμανση της πλανητικής ανακλαστικότητας και κατ επέκταση και του SSR την περίοδο του 20 ου αιώνα. Τέλος, λόγω έλλειψης αποδεικτικών στοιχείων για τη διακύμανση της πλανητικής ανακλαστικότητας μετά το 2000, δεν γνωρίζουμε ούτε τη διακύμανση του SSR σ αυτή την περίοδο (βλ.χάρτη 1 ). 18

19 Χάρτης 1: Ανακλαστικότητα της γήινης ακτινοβολίας της Γης Ανακλαστικότητα της γήινης ακτινοβολίας της Γης, όπως μετρήθηκε από το δορυφόρο TERRA. Τα δεδομένα συλλέχτηκαν από την περίοδο 7 με 22 Απρίλιος (Πηγή: NASA Earth Observatory ) Ημερήσιο εύρος θερμοκρασίας Το ημερήσιο εύρος θερμοκρασιών, δηλαδή η διαφορά μεταξύ των καθημερινών μεγίστων και ελαχίστων 2m πάνω από την επιφάνεια, είναι μία καλή ανεξάρτητη ποσότητα μέτρησης που μπορεί να μας δώσει πληροφορίες για τις διακυμάνσεις του SSR. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι το ημερήσιο εύρος θερμοκρασίας επιτρέπει τον διαχωρισμό της ακτινοβολίας σε θερμική και ηλιακή διαμορφώνοντας το ξεχωριστά η κάθε μία με ποικίλους τρόπους. Δεδομένου ότι η ηλιακή ακτινοβολία είναι παρόν μόνο κατά τη διάρκεια της ημέρας, επηρεάζει τη μέγιστη ημερήσια θερμοκρασία περισσότερο σε σχέση με την ελάχιστη. Από την άλλη πλευρά, η ελάχιστη θερμοκρασία της νύχτας επηρεάζεται κυρίως από τη θερμική ακτινοβολία. Έτσι, μετά την αφαίρεση της ελάχιστης θερμοκρασίας από τη μέγιστη, οι θερμικές επιδράσεις έχουν σε μεγάλο βαθμό εξαλειφθεί αφήνοντας μόνο τις ηλιακές επιρροές να επηρεάζουν το ημερήσιο εύρος θερμοκρασίας. Αυτό συμβαίνει κυρίως σε μεγάλες επιφάνειες και έχει παρατηρηθεί συσχέτιση του SSR με το ημερήσιο εύρος θερμοκρασιών. Σε σύγκριση με τις άμεσες μετρήσεις του SSR, το ημερήσιο εύρος θερμοκρασιών μετριέται σ ένα δίκτυο πολύ υψηλότερης πυκνότητας. Επομένως, εάν θελήσουμε ένα χρήσιμο στοιχείο για τις διακυμάνσεις του SSR, μπορούν τα αρχεία του ημερήσιου εύρους θερμοκρασίας να καλύψουν τα κενά της χωρικής και χρονικής κατανομής των παρατηρήσεων του SSR. Σύμφωνα με τα στοιχεία της Ερευνητικής Μονάδας Κλίματος ( Climate Research Unit ) του Πανεπιστημίου της Ανατολικής Anglia σημειώθηκαν σημαντικές μεταβολές στις διακυμάνσεις του ημερήσιου εύρους 19

20 θερμοκρασιών κατά τη διάρκεια των δεκαετιών για τις παγκόσμιες χερσαίες επιφάνειες. Συγκεκριμένα, παρατηρείται μία σημαντική μείωση του ημερήσιου εύρους θερμοκρασιών από τα τέλη του 1950 και τη δεκαετία του 1980, καθώς και μια αξιοσημείωτη σταθεροποίηση του από τα μέσα του 1980 έως το 2000, ενδεικτικής μία σημαντικής αλλαγής στην κλίμακα της έντασης της ακτινοβολίας. Οι παρατηρήσεις αυτές έρχονται σε πλήρη συμφωνία με τις αντίστοιχες διακυμάνσεις του SSR, δηλαδή μείωση και έπειτα αύξηση του, στις ίδιες χρονικές περιόδους. Αυτό αποτελεί μία παραπάνω απόδειξη ότι το dimming ( συσκότιση ) και το brightening ( λάμπρυνση ) έχουν μία μεγαλύτερης κλίμακας διάσταση, δεδομένου ότι η εξέλιξη τους αντανακλάται στο ημερήσιο εύρος θερμοκρασιών για τις παγκόσμιες χερσαίες επιφάνειες. Η στενή συσχέτιση του ημερήσιου εύρους θερμοκρασιών με το SSR μας διευκόλυνε για συλλογή πληροφοριών για την διακύμανση του SSR από τις παρατηρήσεις του ημερήσιου εύρους θερμοκρασιών που ήταν άφθονες κατά την πρώτη περίοδο του 20 ου αιώνα παρόλο που υπήρχε έλλειψη στις μετρήσεις της ακτινοβολίας. Αυτό τουλάχιστον ήταν εφικτό για τις περιοχές του βόρειου ημισφαιρίου σε σχέση με του νότιου, όπως παρατηρούμε στο παρακάτω σχήμα 6 που απεικονίζει την ετήσια μέση εξέλιξη του ημερήσιου εύρους θερμοκρασιών κατά τη διάρκεια του 20 ου αιώνα. Ειδικότερα, παρατηρούμε μία πτωτική τάση του ημερήσιου εύρους θερμοκρασιών κατά τη διάρκεια του 1950 και 1980 και μία ελαφριά ανοδική τάση κατά το 1930 με Επομένως, επαγωγικά με το σχήμα η κατάσταση της ατμόσφαιρας βελτιώθηκε δηλαδή, το SSR αυξήθηκε ( brightening ), την περίοδο και στα τέλη του 20 ου αιώνα. Παρόλα αυτά παρατηρούμε μείωση του SSR ( dimming ) για περίπου χρόνια κατά τη διάρκεια του 20 ου αιώνα. Σχήμα 6 ο :Η ετήσια μέση εξέλιξη του ημερήσιου εύρους θερμοκρασιών κατά μέσο όρο πάνω από τις επιφάνειες του Βόρειου Ημισφαιρίου κατά την περίοδο 1900 έως

21 1.3.3 Διάρκεια ηλιοφάνειας Η πραγματική ηλιοφάνεια είναι το συνολικό χρονικό διάστημα που ο ήλιος είναι ορατός σ ένα τόπο που χαρακτηρίζεται από το ανάγλυφο που τον περιβάλει και τη νέφωση που επικρατεί. Ο προσδιορισμό της γίνεται αθροίζοντας όλα τα χρονικά διαστήματα που ο ήλιος βρίσκεται πάνω από τον πραγματικό ορίζοντα του τόπου ενώ ταυτόχρονα δεν αποκρύπτεται από τα υπάρχοντα νέφη. Τα αρχεία των μετρήσεων της ηλιοφάνειας είναι τα πιο παλιά και η ηλιοφάνεια είναι μία ισχυρή ποσότητα μέτρησης της ακτινοβολίας. Οι μετρήσεις της άρχισαν κατά τα τέλη του 19 ου αιώνα. Έχει διαπιστωθεί ότι υπάρχει άμεση σχέση της ηλιοφάνειας με το SSR και πιο συγκεκριμένα, όταν η ηλιοφάνεια σε μια περιοχή λόγου χάρη στην Ιβηρική χερσόνησο κατά το τέλη του 20 ου αιώνα αυξήθηκε, παρατηρήθηκε αύξηση του SSR ( brightening ) ενώ, όταν μειώθηκε, το , παρατηρήθηκε μείωση του SSR ( dimming ). Η μέτρηση της πραγματοποιείται με ειδικά όργανα όπως παρατηρούμε στην παρακάτω εικόνα (βλ.εικόνα 1). Εικόνα 1: Όργανο μέτρησης της ηλιοφάνειας 21

22 1.3.4 Τηγάνι εξάτμισης Το SSR αποτελεί σημαντικό παράγοντα της εξάτμισης σε περιβάλλον περιορισμένης ενέργειας. Η δυνητική εξάτμιση παρουσιάζει υψηλό βαθμό συσχέτισης με το SSR και μπορεί να θεωρηθεί μία σημαντική ποσότητα που μας δίνει πληροφορίες για τις διακυμάνσεις του. Ειδικότερα, παρατήρησαν την περίοδο 1960 με 1990 στις επιφάνειες των χερσαίων τμημάτων της Γης και σε άλλα μέρη την μείωση της εξάτμισης που αυτό συνεπάγει μείωση του SSR ( dimming ). Πρέπει να σημειώσουμε όμως ότι η εξάτμιση στις διάφορες περιοχές επηρεάζεται όχι μόνο από την ακτινοβολία της ενέργειας αλλά και από την ταχύτητα του ανέμου. Οπότε, η ανάλυση της επίδρασης της στις διακυμάνσεις του SSR πρέπει να γίνεται με προσοχή. Μία συσκευή τηγανιού εξατμίσεως φαίνεται στη παρακάτω εικόνα (βλ.εικόνα 2). Εικόνα 2: Συσκευή τηγανιού εξάτμισης 22

23 Κεφάλαιο 2 ο : Μακροχρόνιες μεταβολές σε παγκόσμια κλίμακα ( ) Οι πρώτες μελέτες που πραγματοποιήθηκαν για την παρατήρηση των επιπέδων της ηλιακής ακτινοβολίας ( SSR ) άρχισαν στα τέλη του 1980 και αρχές της δεκαετίας του Οι συγκεκριμένες πρωτοποριακές μελέτες παρουσίασαν την πρώτη απόδειξη ότι το ποσοστό της ηλιακής ακτινοβολίας που δέχεται η επιφάνεια της Γης το χρόνο δεν είναι σταθερό αλλά υφίστανται σημαντικές διακυμάνσεις. Συγκεκριμένα, αναφέρουν μείωση του SSR από τη δεκαετία του 1950 ως το τέλος της δεκαετίας του Αναλυτικότερα, αναφέρουν τη συνολική μείωση του SSR από τα αρχεία 13 περιοχών στην Ευρώπη και κυρίως στις ηπειρωτικές χώρες. Μεταξύ αυτών των χωρών, η Ζυρίχη παρουσίασε μείωση του SSR κατά 20%. Επίσης, παρατήρησαν μείωση του στην περιοχή της Εσθονίας κατά 6.8% ανάμεσα στο 1955 και 1986 (σχήμα 7 ο ) και σε τρεις περιοχές γύρω από τη Βαλτική Θάλασσα κατά 11% με 12% ανάμεσα στο 1964 και Αλλά και στο νότιο πόλο παρατήρησαν μείωση του SSR μεταξύ 1976 και 1987 που έγινε ιδιαίτερα αισθητή στα τέλη του καλοκαιριού. Άλλες περιοχές που διαπίστωσαν μείωση του ποσοστού της ηλιακής ακτινοβολίας (SSR ) είναι 8 περιοχές της Γερμανίας στα μέσα του 1950 και τέλη της δεκαετίας του 1980 και σε 160 σταθμούς της πρώην Σοβιετικής Ένωσης την περίοδο 1960 με (βλ.χάρτη 2). Χάρτης 2: Διακύμανση της ηλιακής ακτινοβολίας (SSR) Wild et al., 2005, Science

24 2.1 Περίοδος : συσκότιση (dimming) Χαρακτηριστικό παράδειγμα σημαντικής μείωσης των επιπέδων του SSR είναι το Χονγκ Κονγκ το Άλλο παράδειγμα περιοχής που παρατηρήθηκε μείωση του SSR είναι οι πολικές περιοχές. Συγκεκριμένα, παρατήρησαν μείωση της ηλιακής ακτινοβολίας σε 22 τοποθεσίες του Αρκτικού Κύκλου την περίοδο Το ίδιο παρατήρησαν και σε 12 τοποθεσίες της Ανταρκτικής την περίοδο 1950 έως τα τέλη της δεκαετίας του Επίσης, πολλές μελέτες επικεντρώθηκαν στην Ανατολική Μεσόγειο και ειδικότερα, σε 34 τοποθεσίες στην Τουρκία το 1960 με 1994 που παρατηρήθηκε μείωση του SSR κατά 3.4% περίπου, αλλά όχι από άμεσες παρατηρήσεις των διακυμάνσεων του SSR, αλλά από τη διάρκεια της ηλιοφάνειας. Προσθετικά, διαπίστωσαν μείωση του ποσοστού της ηλιακής ακτινοβολίας σε 2 τοποθεσίες στο Ισραήλ κατά 20% ανάμεσα στο 1954 με 1994 αλλά και σε 3 τοποθεσίες στην Αίγυπτο ανάμεσα στο 1968 με 1994, το μεγαλύτερο χρονικό διάστημα. Την περίοδο μελέτησαν 8 τοποθεσίες στην Νότια Αφρική και 2 στη Ναμίμπια και διαπίστωσαν μείωση των επιπέδων του SSR σε 8 από αυτές ( και οι 6 από αυτές σημαντικές από στατιστικής απόψεως ). Έντονο dimming παρουσιάστηκε σε 7 τοποθεσίες στη Καναδική Prairie. Επίσης, σημαντική μείωση της ηλιακής ακτινοβολίας παρουσιάστηκε στο Νότιο Ημισφαίριο, σε 4 τοποθεσίες της Νέας Ζηλανδίας και σε 30 τοποθεσίες της Καραϊβικής που διαπιστώθηκε μείωση του SSR σε 20 από αυτές την περίοδο Επομένως, από τις λίγες μελέτες που πραγματοποιήθηκαν την περίοδο έδειξαν έντονο dimming και το αποτέλεσμα αυτό βασίζεται σε δεδομένα που προέρχονται από την Αυστραλία. Όλα τα παραπάνω που αναφέρθηκαν, εστίασαν σε συγκεκριμένες περιοχές του κόσμου. Σε παγκόσμιο όμως επίπεδο η διακύμανση του SSR διαπιστώθηκε συλλέγοντας πολυάριθμα στοιχεία που έδειξαν μείωση της ηλιακής ακτινοβολίας στην Αφρική, Ασία, Βόρεια Αμερική και Ευρώπη π.χ. Εσθονία (βλ.σχήμα 7) κατά 2% την περίοδο Έτσι, το παγκόσμιο dimming είναι γεγονός και είναι ακόμα πιο έντονο στις πυκνοκατοικημένες περιοχές του κόσμου(βλ.χάρτη 3). Σχήμα 7: Η διακύμανση της ηλιακή ακτινοβολία στην Εσθονία. 24

25 Χάρτης 3: Περίοδος dimming : Μελέτες για την περίοδο μετά το 1990 : λάμπρυνση (brightening) Οι μελέτες που πραγματοποιήθηκαν μετά το 1990 έδειξαν την αύξηση των επιπέδων του SSR σε 300 τοποθεσίες της Ευρώπης, που βελτιώνονται τα επίπεδα του κατά την ανοιξιάτικη με καλοκαιρινή περίοδο, σε 85 της Ιαπωνίας καθώς και μερικές περιοχές της Αυστραλίας. Στην Εσθονία τη δεκαετία του 1980 έγινε η μετάβαση από το dimming σε brightening. Επίσης, εξετάστηκαν οι διακυμάνσεις του στις Ηνωμένες Πολιτείες Αμερικής και διαπιστώθηκε η αύξηση του κυρίως στις ηπειρωτικές περιοχές τις την περίοδο καθώς και σε 3 περιοχές του Όρεγκον το Προσθετικά, παρατηρήσαμε ανάκαμψη από το dimming σε 4 τοποθεσίες του Νότιου Ημισφαιρίου και στη Νέα Ζηλανδία την περίοδο Από την άλλη πλευρά, στην Ινδία παρατηρήθηκε συνεχόμενο dimming την περίοδο , στην Καναδέζικη Prairie το καθώς και σε τοποθεσίες της Ζιμπάμπουε την ίδια περίοδο. Γενικά, διαπιστώθηκε συνεχόμενη βελτίωση των επιπέδων του SSR κοντά στο 2000 σε πολυάριθμους σταθμούς στην Ευρώπη, στις Ηνωμένες Πολιτείες και σε διάφορα τμήματα της Ανατολικής Ασίας. Ωστόσο, στην Ιαπωνία και την Ανταρκτική η βελτίωση πραγματοποιήθηκε μετά το

26 Στο παρακάτω διάγραμμα καταγράφεται η διακύμανση το SSR στην Στοκχόλμη, που παρατηρείται αύξηση του το 1930 με 1940, μείωση του το 1950 με 1980 και βελτίωση του ξανά τις τελευταίες δεκαετίες του 20 ου αιώνα.( βλέπε σχήμα 8 ο ) Σχήμα 8 ο : Διακύμανση του SSR στην Στοκχόλμη Χάρτης 4: περίοδος brightening

27 2.3 Ερμηνεία των παγκόσμιων μεταβολών της ηλιακής ακτινοβολίας από μετρήσεις των σύννεφων και των ατμοσφαιρικών αιωρημάτων Σύννεφα Οι πληροφορίες είναι συνοπτικές για την ποσότητα των σύννεφων κατά τη διάρκεια του 20 ου αιώνα και συγκεκριμένα είναι αυτές που συλλέχτηκαν από την επιθεώρηση του ουρανού με γυμνό μάτι. Επομένως οι αβεβαιότητες στις πληροφορίες είναι σημαντικές. Αλλά μια σειρά μελετών μας έδωσαν κάποιες πληροφορίες. Έτσι, παρατήρησαν αύξηση των σύννεφων στις ηπειρωτικές περιοχές καθώς και στις Ηνωμένες Πολιτείες, στην πρώην Σοβιετική Ένωση, στη Δυτική Ευρώπη, στον Καναδά και την Αυστραλία κατά το δεύτερο μισό του 20 ου αιώνα. Ενώ, μείωση παρατήρησαν στην Κίνα, στην Ιταλία και στην Κεντρική Ευρώπη. Αυτές οι μελέτες έρχονται σε πλήρη συμφωνία με τις διακυμάνσεις του SSR που κατέγραψαν κυρίως μείωση της ηλιακής ακτινοβολίας κατά το μεγαλύτερο μέρος του αιώνα. Πρέπει να επισημάνουμε ότι δεν έχουν διεξαχθεί μελέτες για την ποσότητα των σύννεφων σε ευρεία κλίμακα αλλά μόνο σε επιλεγμένες τοποθεσίες. Για παράδειγμα οι διακυμάνσεις του SSR στην Ευρώπη κατά τη χειμερινή περίοδο του 1953 και 1990 μπορούν να αποδοθούν στην αύξηση του οπτικού πάχους των σύννεφων και έτσι διαπιστώθηκε μείωση του SSR στη Γερμανία και το Αμβούργο. Το ίδιο παρατηρήθηκε και στις Ηνωμένες Πολιτείες Αμερικής την ίδια χρονική περίοδο. Στη Νέα Ζηλανδία παρατηρήθηκε το φαινόμενο dimming και brightening και υποστήριξαν ότι η διάρκεια ηλιοφάνειας δηλαδή η αύξηση ή η μείωση των σύννεφων είναι υπεύθυνη. Αντίθετα, στην Κίνα παρατηρήθηκε μείωση των σύννεφων και μείωση του SSR την περίοδο και το ίδιο και στην Ευρώπη το 1971 έως το Γενικά, σύμφωνα, με όλα τα παραπάνω παρατηρούμε μία αύξηση των σύννεφων την περίοδο 1983 έως τα τέλη της δεκαετίας του 1980 και στη συνέχεια μία μείωση τους μέχρι το Αυτό έρχεται σε πλήρη συμφωνία με τις διακυμάνσεις του SSR κατά τις παραπάνω περιόδους δηλαδή μείωση και στη συνέχεια αύξηση του (βλ.σχήμα9 ). 27

28 Σχήμα 9 ο : Διακύμανση του ποσοστού των σύννεφων ανά έτος Ατμοσφαιρικά Αιωρήματα ( AEROSOLS ) Τα ατμοσφαιρικά αιωρήματα μπορούν να τροποποιήσουν άμεσα τα επίπεδα του SSR με διασπορά ή απορρόφηση της ηλιακής ακτινοβολίας ανάλογα με τη σύνθεση τους ή έμμεσα μέσω της ικανότητας τους να δρουν ως συμπυκνωμένοι πυρήνες με αποτέλεσμα να μεταβάλουν το πάχος, τις οπτικές ιδιότητες και τη διάρκεια ζωής των σύννεφων. Περαιτέρω, υπάρχουν σε μεγάλο βαθμό αιωρούμενα σωματίδια ( αερολύματα ) σε κάποιες μολυσμένες περιοχές τα οποία μπορούν ακόμα και να εμποδίσουν τον σχηματισμό σύννεφων ή να διαλύσουν τα υπάρχοντα. Όλες οι παραπάνω περιπτώσεις οδηγούν στη μείωση των επιπέδων του SSR. Η πρώτη παρατήρηση για τη σχέση ανάμεσα στη μείωση του SSR και τη διακύμανση των αερολυμάτων έγινε το 1958 και Δήλωναν τότε ότι μια αύξηση των βιομηχανικών αερολυμάτων των αστικών περιοχών συνεπάγει σε μείωση των επιπέδων του SSR ( dimming ). Συγκεκριμένα, παρατήρησαν ότι τα ανθρωπογενή αερολύματα μπορούν να μειώσουν δραματικά τα επίπεδα του SSR. Παρατηρήθηκε, δηλαδή, μείωση του SSR σε κάποιες περιοχές χωρίς καμία αλλαγή στην πυκνότητα των σύννεφων αλλά είχαμε αύξηση του αριθμού των αυτοκινήτων στους αυτοκινητόδρομους. Επίσης, βρήκαν συσχέτιση της μείωσης των επιπέδων SSR με τη ρύπανση που παρουσιάζουν οι αστικές πυκνοκατοικημένες περιοχές. Όλα τα παραπάνω μας δείχνουν πόσο τα ανθρωπογενή αερολύματα μπορούν να τροποποιήσουν τα επίπεδα του SSR. Η ιστορική εξέλιξη των ατμοσφαιρικών αιωρημάτων σε σχέση με τις διακυμάνσεις του SSR ξεκίνησαν τη δεκαετία του 1960 με 1980, οπότε είναι δύσκολο να επαληθευθεί επειδή βασιζόμαστε κυρίως σε εικασίες και έμμεσα αποδεικτικά στοιχεία εκείνης της περιόδου. Η πρόσφατη μελέτη που πραγματοποιήθηκε για την επίδραση των 28

29 αερολυμάτων στη μετάβαση από dimming ( θαλερότητα ) σε brightening ( λάμπρυνση ) σε πολλές περιοχές ανά τον κόσμο τη δεκαετία του 1990, είναι περισσότερη τεκμηριωμένη. Αυτή η βελτίωση του SSR οφείλεται στη μείωση των αερολυμάτων αλλά και στη καλυτέρευση της ποιότητας τους. Συγκεκριμένα, τα ατμοσφαιρικά αιωρήματα αρχικά, αποτελούνταν κυρίως από θείο και άνθρακα που η εκπομπή τους κορυφώθηκε το Στη συνέχεια, την περίοδο η εκπομπή τους μειώθηκε στις περισσότερες περιοχές του κόσμου. Έτσι, πραγματοποιήθηκε η μετάβαση από dimming σε brightening. Αυτό συνέβη για διάφορους λόγους. Πρώτον, άρχισε να εφαρμόζεται σε πολλές ανεπτυγμένες χώρες η νομοθεσία για τη μείωση της ατμοσφαιρικής ρύπανσης το 1980 περίπου. Δεύτερον, λόγω της οικονομικής κρίσης η Ανατολική Ευρώπη, η πρώην Σοβιετική Ένωση από τα τέλη του 1980 και η Ασία κατά τη δεκαετία του 1990, μείωσαν την εκπομπή αυτών των ρυπογόνων ουσιών. Λόγω των δύο παραπάνω λόγων μέσω δορυφορικών δεδομένων διαπιστώθηκε μείωση του οπτικού πάχους των αερολυμάτων με επακόλουθο να μειωθούν τα ποσοστά της ηλιακής ακτινοβολίας ( SSR ). Οι περιοχές γύρω από την Αραβική θάλασσα μέσω της Βόρειας Αφρικής, οι περιοχές στον τροπικό Ατλαντικό Ωκεανό καθώς και οι περιοχές στα βόρεια υψηλά γεωγραφικά πλάτη είναι μερικές από τις οποίες παρατηρήθηκε αύξηση της ηλιακής ακτινοβολίας λόγω της μείωσης των αερολυμάτων. Αντίθετα στις περιοχές της Ανατολικής Ασίας και του Νότιου Αμαζονίου παρατηρήθηκε μείωση του SSR λόγω της αύξησης της εκπομπής των ανθρωπογενών αερολυμάτων. Αξίζει να σημειωθεί ότι μια σειρά μελετών έδειξαν ότι η βελτίωση των συσκευών εκπομπής των αερολυμάτων είχε σαν αποτέλεσμα την αύξηση των ποσοστών του SSR σε όλο τον κόσμο. Ενδεικτικό παράδειγμα είναι η Ευρώπη και η Ιαπωνία που τη δεκαετία του 1950 μέχρι τη δεκαετία του 1980 το SSR παρουσιάζει πτωτική τάση και στη συνέχεια ανάκαμψη που οφείλεται στη βελτίωση και των συσκευών εκπομπής και της ποιότητας των αιωρούμενων σωματιδίων. Επίσης, η Ελβετία και η Βόρεια Γερμανία είναι ακόμα δύο παραδείγματα χωρών που παρουσίασαν μείωση των εκπομπών των αερολυμάτων μέχρι και 60% λόγω των καλύτερων συσκευών εκπομπής με αποτέλεσμα της σημαντικής αύξησης της ηλιακής ακτινοβολίας. Πρέπει ν αναφέρουμε ότι εκτός από τα ανθρωπογενή αερολύματα υπάρχουν και τα φυσικά αερολύματα όπως η σκόνη ορυκτών, οι βιογενείς εκπομπές, το θαλασσινό αλάτι, τα διμεθυλικά σουλφίδια, που έχουν τη δυνατότητα και αυτά να επηρεάσουν τα επίπεδα του SSR αλλά όχι σε τόσο μεγάλο βαθμό όπως τα ανθρωπογενή. 29

30 Κεφάλαιο 3 ο : Γεωγραφικές διαφορές της συσκότισης και λάμπρυνσης στην Κίνα και την Αρκτική Αναφέραμε ότι το ποσοστό της ηλιακής ακτινοβολίας που φτάνει στην επιφάνεια της Γης δεν είναι σταθερό αλλά υφίστανται έντονες διακυμάνσεις ανάλoγα με την περιοχή.παρακάτω εξετάζουμε την Κίνα, μία αναπτυσσόμενη χώρα και την Αρκτική μία απομονωμένη περιοχή. Δύο χαρακτηριστικά παραδείγματα εξέλιξης του SSR είναι η Κίνα και η Αρκτική. 3.1 Κίνα Η Κίνα είναι ένα αναμενόμενο παράδειγμα εξέλιξης της ηλιακής ακτινοβολίας όπως θα διαπιστώσουμε παρακάτω. Οι μελέτες που πραγματοποιήθηκαν μεταξύ έδειξαν μείωση των επιπέδων του SSR σε 64 τοποθεσίες της και μεταξύ σε 85 τοποθεσίες της παρατηρήθηκε έντονο dimming. Στη συνέχεια κατά τη διάρκεια του 1990 παρατηρήθηκε βελτίωση αυτού του έντονου dimming. Τέλος, μετά το 1990 παρατηρήθηκε ανανεωμένο dimming. Συγκεκριμένα, η ποσότητα των αερολυμάτων πάνω από την Κίνα την περίοδο 1950 με 1980 ήταν σταθερή και μετά το 1983 αυξήθηκε σημαντικά. Αυτό είχε σαν αποτέλεσμα να είναι λιγότερο απορροφητικά και έτσι, το SSR μεγαλύτερο. Αξίζει να σημειώσουμε ότι οποιαδήποτε αλλαγή στην ποιότητα ή το είδος των καυσίμων έχει σαν αποτέλεσμα τη βελτίωση ή όχι της ποιότητας των αερολυμάτων και κατ επέκταση και της ηλιακής ακτινοβολίας αντίστοιχα. Έπειτα, κατά τη διάρκεια της δεκαετίας του 1990 παρατηρήθηκε μείωση των εκπομπών από τα ορυκτά καύσιμα, γι αυτό σημειώθηκε βελτίωση της ηλιακής ακτινοβολίας. Να τονίσουμε σ αυτό το σημείο ότι την περίοδο που παρατηρήθηκε στην Κίνα έντονο dimming, δεν παρατηρήθηκε στην περιοχή καθόλου νεφοκάλυψη. Καταλαβαίνουμε, λοιπόν, ότι η μείωση του SSR οφειλόταν αποκλειστικά στα αερολύματα. Παρακάτω βλέπουμε την περιοχή της Κίνας σκεπασμένη με ομίχλη που αποτελείται από αερολύματα. Εικόνα 3: Η περιοχή της Κίνας από δορυφόρο Εικόνα 4: Η ομίχλη από αερολύματα στην Κίνα Εικόνα 5: Μία κακή και μία καλή μέρα στο Πεκίνο αντίστοιχα 30

31 Χάρτης 5: Απεικόνιση αεροζόλ θεϊικού άλατος Παρατηρώντας τον παραπάνω χάρτη βλέπουμε ότι η Κίνα έχει το μεγαλύτερο ποσοστό σε αιωρούμενα σωματιδίων θεϊικού άλατος.( Χάρτης 5) 3.2 Αρκτική Ένα μη αναμενώμενο παράδειγμα εξέλιξης του SSR είναι αυτό της Αρκτικής. Στην Αρκτική πριν από περίπου 50 χρόνια παρατηρήθηκε ομίχλη η οποία αυξάνεται τους ανοιξιάτικους μήνες, Μάρτιο και Απρίλιο, και συγκεκριμένα την περίοδο αυξήθηκε μέχρι και 50%. Αυτό συμβαίνει επειδή, έχουμε μεταφορά αερολυμάτων από την Ευρώπη, πρώην Σοβιετική Ένωση και Ανατολική Ασία και παγιδεύονται από τη μάζα του αέρα της Αρκτικής κατά τη διάρκεια του χειμώνα και νωρίς την άνοιξη. Συγκεκριμένα, η ομίχλη αποτελείται από μείγμα θεϊικού άλατος, αιωρούμενα σωματίδια διαμέτρου 0.2 μικρά ή και λιγότερο, αμμώνιο, νιτρικά άλατα, σκόνη και μαύρο άνθρακα. Αυτά τα σωματίδια έχουν τη δυνατότητα να σκεδάσουν την ορατή ακτινοβολία με σκέδαση Mie αλλά την απορροφούν ελάχιστα με συνέπεια να παρατηρείται μείωση της ορατότητας σε αποσταση μερικων χιλιομέτρων δηλαδή δημιουργείται dimming. Διαπιστώνουμε, λοιπόν, σύμφωνα με τα παραπάνω ότι η κατάλληλη ταχύτητα και κατεύθυνση του ανέμου μπορεί να μεταφέρει κάποια σωματίδια πολύ μικρής διαμέτρου σε μεγάλες αποστάσεις από το σημείο της εκπομπής τους, όπως συμβαίνει στην Αρκτική, να γίνει η εναπόθεση τους και η παραμονή τους να διαρκέσει από 15 με 30 ημέρες. Οι πρόσφατες μετρήσεις έδειξαν την εξέλιξη της θαλερότητας ( dimming ) από το Φεβρουάριο μέχρι το Μάϊο στην Αρκτική. Έτσι, αρχές Φεβρουαρίου η ομίχλη 31

32 παρατηρείται μόνο κοντά στην επιφάνεια ( < 2 χλμ ). Καθώς, προχωράει η σεζόν η ομίχλη εμφανίζεται σε μεγαλύτερο υψόμετρο ( μέχρι τουλάχιστον 8 χλμ. ). Από τις αρχές Απριλίου αρχίζει να διαλύεται κάτω από 3 χιλιόμετρα λόγω της ηλιακής θέρμανσης και την ανάμειξη κοντά στην επιφάνεια. Ωστόσο, η πιο σταθερή ισεντροπική μεταφορά εξακολουθεί να είναι στα μεγαλύτερα υψόμετρα. Μέχρι, τα τέλη Μαϊου, τόσο στα χαμηλότερα όσο και στα υψηλότερα υψόμετρα η ομίχλη διαλύεται αισθητά. (βλέπε σχήμα 10 ) Σχήμα 10 ο : Απεικόνιση του μεγέθους των αερολυμάτων συναρτήσει της συγκέντρωσης τους το Μάρτιο και Ιούνιο. Αξίζει να σημειώσουμε ότι η σχεδόν επιφανειακή συγκέντρωση αερολυμάτων στα περισσότερα μέρη της Αρκτικής είναι περίπου μία ταξη μεγέθους μικρότερη από εκείνες που βρέθηκαν στις πιο μολυσμένες βιομηχανικές περιοχές. Τέλος,η ομίχλη της Αρκτικής είναι αντικείμενο μελέτης για το λόγο ότι μπορεί ν αλλάξει την ισορροπία της ακτινοβολίας της, να επηρεάσει την ορατότητα και να προσφέρει μία πηγή ρύπων στο οικοσύστημα της. 32

33 Στον παρακάτω χάρτη βλεπουμε την περιοχή που ονομάζουμε Αρκτική οροιοθετημένη. Χάρτης 6: Η περιοχή της Αρκτικής Παρακάτω παρατηρούμε μερικές εικόνες από την ομίχλη της Αρκτικής. Εικόνες 6 και 7: Η ομίχλη στην περιοχή της Αρκτικής 33

34 Κεφάλαιο 4 ο : Παρατηρούμενες μεταβολές στον Ελλαδικό χώρο Κατά την τελευταία δεκαετία, η μείωση της συνολικής ηλιακής ακτινοβολίας που φτάνει την επιφάνεια του εδάφους κάτω από συνθήκες χωρίς σύννεφα, που ονομάζεται «global dimming», αποδόθηκε στην αύξηση των ανθρωπογενών αερολυμάτων, φαινόμενο που μεταβάλλεται από περιοχή σε περιοχή. Επιπλέον, μελέτες έχουν δείξει ότι πάνω από την Ευρώπη και Βόρεια Αμερική, η ηλιακή ακτινοβολία έχει αντιστρέψει τα σημάδια στη δεκαετία του 1990, πιθανόν ως αποτέλεσμα της βελτίωσης της ποιότητας του αέρα, ένα φαινόμενο το οποίο ονομάστηκε «global brightening».εμείς θα εξετάσουμε ειδικότερα τη Θεσσαλονίκη. Η βόρεια Ελλάδα έχει επιλεγεί διότι είναι γνωστό ότι βρίσκεται στο σταυροδρόμι των αερολυμάτων και διαφόρων μονοπατιών ρύπων προερχόμενα από την Κεντρική και Ανατολική Ευρώπη. Η Θεσσαλονίκη, βρίσκεται κατά μήκος της εξόδου του αέρα ρύπων από την Ευρώπη, στις τροχιές του μεγάλου εύρους μεταφορών LRT ( Long Range Transport ) καθώς κινούμαστε από την Κεντρική και Ανατολική Ευρώπη προς τη Μεσόγειο. Η ακτινοβολία UV παρακολουθείται συνεχώς στο Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης,(40,6 Ν, 22,9 E), με το μηχάνημα Eppley Ultraviolet Radiometer ( nm) από το Το όργανο βρίσκεται στην οροφή του Τμήματος Φυσικής, και βαθμονομείται τακτικά μέσω ενός πρότυπου ραδιόμετρου του ίδιου τύπου. Ένα δεύτερο ραδιόμετρο τύπου ΕΚΟ MS-210A ( nm) που βρίσκεται στην ίδια στέγη άρχισε να λειτουργεί το φθινόπωρο του Το σύνολο των στοιχείων καλύπτει την περίοδο Σεπτεμβρίου 1984 έως Σεπτεμβρίου Μετρήσεις του ολικού διοξειδίου του θείου (SO2) έχουν διεξαχθεί στο Εργαστήριο Ατμοσφαιρικής Φυσική από το Μάρτιο του 1982, από τις οποίες η μεγαλύτερη χρονολογική σειρά σε στήλες SO2 υπό σχεδόν καθαρό ουρανό είναι διαθέσιμη. Και οι κιονοειδής και οι επιφανειακές μετρήσεις SO2 για το κέντρο της πόλης της Θεσσαλονίκης δείχνουν ότι η συγκέντρωση του αερίου είναι σε καθοδική πορεία από τη δεκαετία του 1990 λόγω των πολιτικών ελέγχου του θείου από την Ευρωπαϊκή Ένωση (ΕΕ) και λόγω της οικονομικής κρίσης στην Ανατολική Ευρώπη στη δεκαετία του 1990, όπου η βιομηχανική δραστηριότητα υποχώρησε και πολλές αναποτελεσματικές μονάδες έκλεισαν ή εκσυγχρονίσθηκαν. Κάποιοι σταθμοί ηλεκτροπαραγωγής με καύση άνθρακα της Ανατολικής Γερμανίας έπρεπε να κλείσουν και αν εκ νέου άνοιγαν το 1994, επειδή έπρεπε να ακολουθήσουν την αυστηρή γερμανική νομοθεσία. Εξάλλου, τα δύο, Ηνωμένων Εθνών για την μεγάλης ακτίνας Διασυνοριακή Ατμοσφαιρική Ρύπανση σε θείο, πρωτόκολλα διαδραμάτισαν σημαντικό ρόλο στη μείωση της μετάδοσης φορτίου θειούχων ενώσεων στον αέρα (ΟΗΕ LRTAP, 1984, 1985). Στη Θεσσαλονίκη, το εκτιμώμενο ποσοστό της μείωσης της μέσης μηνιαίας SO2 συνόλου της στήλης είναι περίπου 0,02 atm μ cm yr-1 για την περίοδο μεταξύ Μαρτίου 1982 και Μαρτίου Τροποσφαιρικές μετρήσεις του οπτικού βάθους αερολυμάτων στα 550 nm πάνω από τη Θεσσαλονίκη (AERONET). Οι μετρήσεις AERONET στη Θεσσαλονίκη καλύπτουν το χρονικό διάστημα από Σεπτέμβριο 2005-Μάιο O σταθμός της AERONET στη Θεσσαλονίκη είναι στεγασμένος στον ίδιο χώρο με αυτόν που περιγράφηκαν προηγουμένως οι φασματοφωτομετρικές επιτόπιες μετρήσεις στο Εργαστήριο Φυσικής της Ατμόσφαιρας του Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης. 34

35 4.2 Ροές ακτινοβολίας στην επιφάνεια (ISCCP-FD). Τα επί 23 - χρόνια ( ) δεδομένα ροής δορυφορικής ακτινοβολίας έχουν χρησιμοποιηθεί στη παρούσα μελέτη. Βραχυπρόθεσμα και μεγάλου μήκους κύματα ροών ακτινοβολίας προφίλ υπολογίστηκαν χρησιμοποιώντας τις ιδιότητες των νεφών και επιφάνειας που προέρχονται από το International Satellite Cloud Climatology Project (ISCCP) σύνολο δεδομένων. Η ανάλυση λαμβάνει υπόψη τα σύννεφα, οπτικό πάχος και μέγιστη θερμοκρασία/πίεση μαζί με επιφάνεια ορατής ανακλαστικότητας και τη θερμοκρασία του δέρματος, της ατμοσφαιρικής θερμοκρασίας και της υγρασίας, προφίλ παρμένα από τον TIROS Operational Vertical Sounder (TOVS). Επίσης, η διαφορετική κλιματολογία του νέφους-σωματιδίων μεγέθους και οι κάθετες διανομές στρωμάτων, καθώς και ο χρόνος και ο χώρος διαφοροποιούν την κλιματολογία της τροπόσφαιρας και της στρατόσφαιρας αερολυμάτων. Όλα αυτά τα σύνολα δεδομένων προβλήθηκαν σε μια κοινή, παγκόσμια, ίση περιοχή πλέγματος και εισάγεται στην NASA-GISS GC Mradiative μοντέλο μεταφοράς. Τα αποτελέσματα παρέχουν φυσική συνεπή επιφάνεια και μέγιστο βαθμό συλλιπασμάτων ακτινοβολίας στην ατμόσφαιρα, τα οποία έχουν χρησιμοποιηθεί για να δείξουν τις αλλαγές που οφείλονται σε φυσικές μεταβλητότητες, όπως ετήσιες αλλαγές στη νεφοκάλυψη, ιδίως στους τροπικούς και αναγκαστικών ανθρωπογενών μεταβολών στο κλίμα οφειλόμενο στα αέρια του θερμοκηπίου και τα αερολύματα. 4.3 Αερολυμάτων οπτικού βάθους στα 550 nm (MODIS / Terra). Προϊόντα σε μορφή αερολύματος από τη μέτρια ανάλυση απεικόνιση του αισθητήρα φασματοφωτομέτρου που βρίσκεται στο δορυφόρο Terra (MODIS / Terra) εργάζονταν για την ανάλυση των χρονικών και χωρικών διακυμάνσεων των αερολυμάτων πάνω από την Θεσσαλονίκη και κάποιες άλλες περιοχές στη Νότια Περιοχή των Βαλκανίων. Χρησιμοποιώντας MODIS AOD μηνιαία στοιχεία, έχουμε υπολογίσει τη καθημερινή UV-A ακτινοβολία του καθαρού ουρανού, ( nm) για τη Θεσσαλονίκη. Η οπτική εξάρτηση του μήκους κύματος βάθους των αερολυμάτων ελήφθη υπόψη χρησιμοποιώντας το MODIS AOD στα 550 nm με σταθερό εκθέτη Angstrom (Å= 1.4). 4.4 Αποτελέσματα Αρκετοί ατμοσφαιρικοί ρύποι επιβλαβείς για την ανθρώπινη υγεία έχουν στοχοποιηθεί από τις οδηγίες της ΕΕ, τις διεθνείς συμβάσεις και τα πρωτόκολλα που ακολούθησαν όπως η Σύμβαση για την μεγάλης διασυνοριακής ακτίνας ατμοσφαιρικής ρύπανσης. Παρόλη την επικύρωση και την εφαρμογή ενός μεγάλου αριθμού των οδηγιών της ΕΕ, σε συνδυασμό με την παρατηρούμενη αποβιομηχάνιση κομητειών της ανατολικής Ευρώπης είχε βελτιωθεί η ποιότητα του αέρα σε μεγάλες περιοχές της Ευρώπης, αλλά αυτό δεν συμβαίνει απαραίτητα και σε άλλα τμήματα του κόσμου, όπου τα μέτρα καταπολέμησης της ρύπανσης ελήφθησαν αργότερα. Αυτό δεν σημαίνει επίσης ότι όλες οι αναπτυσσόμενες χώρες πρέπει να λάβουν αυστηρά μέτρα, ούτε ότι όλες οι αναπτυσσόμενες χώρες είναι ρυπογόνες. 35

36 Το παραπάνω σχήμα 11 δείχνει ένα παράδειγμα της εποχιακής διακύμανση των στήλες SO2 ποσών στη Θεσσαλονίκη από τις κύριες πηγές του SO2 στην Κεντρική και Ανατολική Ευρώπη Λόγω των μέτρων καταπολέμησης που λαμβάνονται κατά τη δεκαετία του 1980 τα δεδομένα κορυφής χειμώνα που εμφανίζονται κατά τη διάρκεια έχουν μειωθεί κατά την περίοδο κατά περίπου 40%. Η αιχμή του καλοκαιριού, κυρίως από την LRT, μειώθηκε επίσης κατά περίπου 20%. Τα δεδομένα αεροζόλ οπτικού βάθους στα 320 nm (Σχ. 11b) παρουσιάζουν παρόμοια μείωση στην δεκαετία του 1990 και του 2000, της τάξεως του 25%. 36

37 Σχήμα 12: Η απεικόνιση της μακροπρόθεσμης αλλαγής στις στήλες του SO2 πάνω από τη Θεσσαλονίκη 37