ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΦΥΣΙΚΗΣ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΦΥΣΙΚΗΣ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΣΤΑΤΙΣΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΩΝ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΟΛΙΚΟΥ ΟΖΟΝΤΟΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΠΟΛΗ ΤΗΣ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΣΦΑΤΟΣ ΑΘΑΝΑΣΙΟΣ ΑΕΜ: ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 2012

2 Πρόλογος Η πτυχιακή εργασία που ακολουθεί πραγματοποιήθηκε το ακαδημαϊκό έτος στο Εργαστήριο Φυσικής της Ατμόσφαιρας του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης υπό την επίβλεψη της επίκουρης καθηγήτριας Χαρίκλειας Μελέτη, την οποία θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά για τη καθοδήγηση της και τις πολύτιμες συμβουλές της. Επίσης θερμές ευχαριστίες θα ήθελα να εκφράσω στους πολύ καλούς φίλους και συναδέλφους Αριστείδη Γεωργούλια και Γεωργία Αλεξανδρή για τη βοήθεια τους σε θέματα προγραμματισμού. Τέλος η εργασία αυτή αφιερώνεται στους γονείς για την αμέριστη ηθική και οικονομική στήριξη που μου παρείχαν σε όλη την περίοδο των σπουδών μου. 2

3 Περίληψη Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η στατιστική ανάλυση της ολικής στήλης του όζοντος για την πόλη της Θεσσαλονίκης. Η περίοδος μελέτης ξεκινά το Μάρτιο του 1982 έως το τέλος του Τα δεδομένα που χρησιμοποιήθηκαν προέρχονται από το φασματοφωτόμετρο Brewer του Εργαστηρίου Φυσικής της Ατμόσφαιρας του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης. Για την επεξεργασία των δεδομένων και εξαγωγή συμπερασμάτων υπολογίστηκε η κλιματολογία του όζοντος καθώς επίσης και μέσες τιμές για διάφορες χρονικές περιόδους (μηνιαίες, εποχιακές, ετήσιες). Στην εργασία υπολογίστηκε η καθαρή τάση του όζοντος απαλλαγμένη από τυχόν περιοδικότητες. Επίσης αναπτύχθηκε ένα απλό μοντέλο πρόγνωσης της ημερήσιας τιμής του όζοντος. Η ερμηνεία των συμπερασμάτων έγινε με βάση τη συμπεριφορά του όζοντος στα μέσα πλάτη και όπως αυτή καθορίζεται και επηρεάζεται από τις διάφορες δυναμικές διεργασίες της ατμόσφαιρας όπως η Σχεδόν-Διετής Κύμανση και η κυκλοφορία Brewer-Dobson αλλά και από χημικές αντιδράσεις παραγωγής ή καταστροφής του όζοντος. Abstract The aim of this work is the statistical analysis of the total column of ozone over the city of Thessaloniki. The data come from Brewer spectrophotometer which is located in the Laboratory of Atmospheric Physics of Aristotle University of Thessaloniki. The data cover the time period from March of 1982 to the end of Mean values (daily, monthly, annually) and trends of total ozone column were calculated. A simple forecast model for the daily value of ozone were developed. The results of the analysis were explained through the ozone behavior over the middle latitudes and the general circulation of atmosphere. 3

4 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Κεφάλαιο Το όζον Τροποσφαιρικό όζον Στρατοσφαιρικό όζον Καταστροφή του όζοντος Διανταλλαγή Τροπόσφαιρας- Στρατόσφαιρας Σχεδόν διετής κύμανση.15 Κεφάλαιο Μετρήσεις όζοντος Φασματοφωτόμετρο Brewer 19 Κεφάλαιο Μέση ετήσια πορεία του Όζοντος Διακυμάνσεις Όζοντος για την περίοδο Μηνιαίες Διακυμάνσεις Όζοντος για την περίοδο Ιανουάριος Φεβρουάριος Μάρτιος Απρίλιος Μάιος Ιούνιος Ιούλιος Αύγουστος

5 3.4.9 Σεπτέμβριος Οκτώβριος Νοέμβριος Δεκέμβριος Συχνοτική κατανομή της εποχιακής διακύμανσης Όζοντος για την περίοδο Προσομοίωση των χρονοσειρών όζοντος με πολυώνυμο δευτέρου βαθμού Μοντέλο Πρόγνωσης Όζοντος..47 Κεφάλαιο Συμπεράσματα..49 Βιβλιογραφία. 51 5

6 Κεφάλαιο Το όζον Το όζον (O3) είναι η αέρια χημική ένωση που αποτελείται από τρία άτομα οξυγόνου, αποτελεί ένα από τα βασικά συστατικά της γήινης ατμόσφαιρας. Παρότι οι συγκεντρώσεις του ατμοσφαιρικού όζοντος είναι πολύ μικρές σε σχέση με άλλα αέρια της ατμόσφαιρας, η παρουσία του διαδραματίζει καθοριστικό ρόλο στην διαμόρφωση του κλίματος. Αυτό συμβαίνει γιατί το όζον απορροφά έντονα την υπεριώδη ηλιακή ακτινοβολία στα μήκη κύματος από 2000Ǻ έως 3000Ǻ, οπότε στην ουσία προστατεύει τους ζωντανούς οργανισμούς από τις βλαβερές επιδράσεις της ισχυρής αυτής ακτινοβολίας. Επίσης η σημαντικότητα της παρουσίας του όζοντος έγκειται και στο γεγονός ότι αποτελεί τη βασική πηγή θέρμανσης της στρατόσφαιρας. Η κατακόρυφη κατανομή του όζοντος δεν είναι ομοιόμορφη, δηλαδή δεν παρουσιάζεται το ίδιο ποσοστό όζοντος σε όλα τα ύψη. Συγκεκριμένα το 90 % της ποσότητας του όζοντος βρίσκεται στη στρατόσφαιρα ενώ το 10% στην τροπόσφαιρα. Οι μεγαλύτερες συγκεντρώσεις του παρατηρούνται μεταξύ 15 και 30km, το λεγόμενο «στρώμα του όζοντος». Επίσης εκτός από την κατακόρυφη κατανομή του όζοντος καθοριστικό ρόλο παίζει και το γεγονός πως οι συγκεντρώσεις του όζοντος μεταβάλλονται ανάλογα και με το γεωγραφικό πλάτος. Αυτό οφείλεται στους μηχανισμούς δημιουργίας και μεταφοράς του όζοντος, οι οποίοι θα μελετηθούν αναλυτικά σε επόμενη παράγραφο. Στο επόμενο διάγραμμα παρουσιάζεται η κατακόρυφη κατανομή του όζοντος. 6

7 Σχήμα 1.1: Κατακόρυφη κατανομή του όζοντος στα μέσα γεωγραφικά πλάτη ( Επειδή το στρατοσφαιρικό όζον απορροφά πλήρως την υπεριώδη-γ ακτινοβολία ( nm) και σε μεγάλο βαθμό την υπεριώδη-β ακτινοβολία ( nm) που είναι επικίνδυνες για τον άνθρωπο (Σχήμα 1.2), χαρακτηρίζεται και ως «καλό όζον». Ενώ αντίθετα το τροποσφαιρικό όζον αποτελεί έναν από τους σημαντικότερους αέριους ρύπους, καθώς επηρεάζει την οξειδωτική συμπεριφορά της τροπόσφαιρας και έχει δυσμενείς συνέπειες για την υγεία του ανθρώπου και τα οικοσυστήματα καθώς επίσης απορροφά τη γήινη υπέρυθρη ακτινοβολία δρώντας ως θερμοκηπικό αέριο, για τους λόγους αυτούς πολλές φορές καλείται και «κακό όζον». Στο ακόλουθο σχήμα, φαίνονται οι περιοχές απορρόφησης του όζοντος. Φαίνεται η περιοχή απορρόφησης στην υπεριώδη (UV) περιοχή καθώς επίσης και στο υπέρυθρο (IF). 7

8 Σχήμα 1.2: Περιοχές απορρόφησης όζοντος Τροποσφαιρικό όζον Το τροποσφαιρικό όζον παράγεται στα κατώτερα στρώματα της τροπόσφαιρας μέσω φυσικών διαδικασιών και μέσω χημικών αντιδράσεων που οφείλονται στην παρουσία των αέριων ρύπων που παράγει ο άνθρωπος. Η παρουσία του όζοντος σε αυξημένα επίπεδα, είναι αρκετά επιβλαβής για τα οικοσυστήματα καθώς προκαλεί σοβαρά αναπνευστικά προβλήματα στον άνθρωπο και εμποδίζει την ανάπτυξη των φυτικών οργανισμών. Η σπουδαιότητα του τροποσφαιρικού όζοντος έγκειται και στο γεγονός ότι αποτελεί ένα από τα θερμοκηπικά αέρια τα οποία συμβάλλουν στην αύξηση της θερμοκρασίας της γης. Η αύξηση του επιφανειακού όζοντος στην τροπόσφαιρα τα τελευταία χρόνια, που οφείλεται σε ανθρώπινες δραστηριότητες, συμβάλλει στην παραπέρα απορρόφηση της εξερχόμενης γήινης (υπέρυθρη) ακτινοβολίας, που οδηγεί σε σταδιακή θέρμανση του πλανήτη. Εάν μεταβληθεί η συγκέντρωση ενός θερμοκηπικού αερίου στην ατμόσφαιρα, εμφανίζεται μία επαγόμενη μεταβολή στο ισοζύγιο της ακτινοβολίας. 8

9 Επίσης το τροποσφαιρικό όζον αποτελεί πηγή του πιο σημαντικού οξειδωτικού μέσου στην τροπόσφαιρα, της ελεύθερης ρίζας υδροξυλίου (ΟΗ), που προκαλεί την έναρξη αλυσιδωτών αντιδράσεων στην τροπόσφαιρα οξειδώνοντας διάφορα ιχνοστοιχεία που διαφορετικά θα δρούσαν ως θερμοκηπικά αέρια. Οι πηγές του τροποσφαιρικού όζοντος οφείλονται αφενός σε ροή από την στρατόσφαιρα και αφετέρου στη φωτοχημική παραγωγή του στην τροπόσφαιρα. Στο παρακάτω σχήμα παρουσιάζονται οι κυριότερες πηγές όζοντος στην τροπόσφαιρα. Σχήμα 1.3: Κυριότερες πηγές τροποσφαιρικού όζοντος. Οι διεισδύσεις όζοντος από τη στρατόσφαιρα παρατηρούνται κυρίως στα μεσαία και μεγάλα γεωγραφικά πλάτη κατά την περίοδο της άνοιξης. Η παραγωγή του όζοντος στην τροπόσφαιρα είναι πιο έντονη το καλοκαίρι, καθώς ευνοούνται οι φωτοχημικές αντιδράσεις των οξειδίων του αζώτου (ΝΟ Χ ) και του μονοξειδίου του άνθρακα (CO) από την παρουσία του φωτός. 9

10 1.1.2 Στρατοσφαιρικό όζον Το όζον στη στρατόσφαιρα δημιουργείται λόγω της φωτόλυσης του μοριακού οξυγόνου (Ο 2 ) από την έντονη ηλιακή ακτινοβολία, κυρίως την υπεριώδη, που επικρατεί. Η φωτοχημική παραγωγή του όζοντος στην ατμόσφαιρα πραγματοποιείται μέσω της αντίδρασης: O + O 2 + M O 3 + M Η διαφορά ανάμεσα στην παραγωγή όζοντος στην τροπόσφαιρα και τη στρατόσφαιρα είναι η πηγή του ατομικού O, που στην περίπτωση του στρατοσφαιρικού όζοντος παράγεται παρουσία ηλιακής ακτινοβολίας με μήκος κύματος < 242 nm: O 2 + hv O + O Η φωτοχημική παραγωγή όζοντος στην τροπόσφαιρα εξαρτάται από τα NOx (NO και NO 2 ). Το Ο παράγεται παρουσία ακτινοβολίας με μήκη κύματος < 424 nm: NO 2 + hv NO + O Το στρώμα του όζοντος αντανακλά και απορροφάει έντονα την υπεριώδη ακτινοβολία του ήλιου, η οποία είναι ιδιαίτερα βλαβερή για τους ζωντανούς οργανισμούς. Έτσι δικαιολογείται και η υψηλή θερμοκρασία του στρώματος της στρατόσφαιρας. 10

11 Σχήμα 1.4: Το όζον στην στρατόσφαιρα Καταστροφή του όζοντος Ο κύκλος δημιουργίας του όζοντος, διαταράσσεται από την παρουσία χλωροφθορανθράκων (CFC), οι οποίοι παράγονται από τον άνθρωπο. Ένα μόριο χλωροφθοράνθρακα απορροφά υπεριώδη ακτινοβολία και δίνει ένα άτομο χλωρίου. Το άτομο χλωρίου ενώνεται με ένα μόριο όζοντος και το διασπά σε ένα μόριο οξυγόνου και ένα μόριο μονοξειδίου του χλωρίου. Το μόριο μονοξειδίου του χλωρίου ενώνεται με ένα άτομο οξυγόνου και σχηματίζει ένα μόριο οξυγόνου και απελευθερώνεται το άτομο χλωρίου. Το άτομο χλωρίου είναι έτοιμο να επαναλάβει την ίδια διαδικασία πολλές φορές. Η καταστροφή του όζοντος έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση της προστασίας από την ηλιακή υπεριώδη ακτινοβολία Διανταλλαγή Τροπόσφαιρας- Στρατόσφαιρας Η συγκέντρωση του όζοντος δεν έχει την ίδια τιμή σε όλα τα γεωγραφικά μήκη και πλάτη της γης, αλλά ούτε σε όλα τα επίπεδα της ατμόσφαιρας. Οι 11

12 διαφορετικές τιμές οφείλονται τόσο σε δυναμικές διεργασίες της ατμόσφαιρας αλλά και σε χημικές αντιδράσεις παραγωγής ή καταστροφής του όζοντος. Μεταβολές παρατηρούνται εξαιτίας των στρατοσφαιρικών ανέμων μεταξύ περιοχών με διαφορετικά γεωγραφικά πλάτη στο ύψος της στρατόσφαιρας. Οι άνεμοι αυτοί, που ανήκουν στις φυσικές διαδικασίες της ατμόσφαιρας, μεταφέρουν το όζον από τα μικρά και μεσαία γεωγραφικά πλάτη προς τα μεγάλα, με αποτέλεσμα η συγκέντρωση πάνω από τους πόλους να είναι μεγαλύτερη. Οι ίδιες ατμοσφαιρικές διαδικασίες είναι υπεύθυνες και για το διαφορετικό πάχος του στρώματος του όζοντος μεταξύ πολικών και τροπικών περιοχών. Στους πόλους το στρώμα του όζοντος είναι μεγαλύτερο καθώς μεγαλύτερη είναι και η συγκέντρωση του όζοντος. Αντίθετα, στα μικρά και μεσαία γεωγραφικά πλάτη το πάχος του στρώματος και αντίστοιχα η συγκέντρωση του όζοντος είναι μικρότερα σε σχέση με τις πολικές περιοχές και καθοριστικό ρόλο σε αυτήν την μείωση παίζουν τα συστήματα καιρού της τροπόσφαιρας. Συγκεκριμένα, η διανταλλαγή αερίων μαζών ανάμεσα σε στρατόσφαιρα και τροπόσφαιρα, συμβαίνει όταν αέριες μάζες στρατοσφαιρικής προέλευσης καθιζάνουν στην τροπόσφαιρα μεταφέροντας όζον. Η γενική κυκλοφορία που διέπει τις διανταλλαγές ανάμεσα σε τροπόσφαιρα και στρατόσφαιρα προτάθηκε για πρώτη φορά από τον Alan Brewer στην προσπάθεια του να ερμηνεύσει τις χαμηλές αναλογίες μείγματος των υδρατμών στη στρατόσφαιρα και είναι γνωστή ως κυκλοφορία Brewer-Dobson (Brewer-Dobson Circulation). Πιο συγκεκριμένα, στην περιοχή των τροπικών εξαιτίας της έντονης θέρμανσης της επιφάνειας, παρατηρούνται ανοδικές κινήσεις μέχρι και τα όρια της στρατόσφαιρας. Κατόπιν μέσω μεσημβρινής κυκλοφορίας στην στρατόσφαιρα οι αέριες μάζες μεταφέρονται προς τους πόλους, ενώ καθοδικές κινήσεις που λαμβάνουν χώρα στα μεσαία και μεγάλα γεωγραφικά πλάτη μεταφέρουν σημαντικές ποσότητες όζοντος στην τροπόσφαιρα και στα κατώτερα στρώματα της στρατόσφαιρας. 12

13 Σχήμα 1.4: Μεταφορά αερίων μαζών από την τροπόσφαιρα στην στρατόσφαιρα: Η κυκλοφορία Brewer-Dobson οφείλεται κυρίως σε δυναμικές διεργασίες που έχουν σχέση με την κατακόρυφη διάδοση των πλανητικών κυμάτων από την τροπόσφαιρα στην στρατόσφαιρα. Τα πλανητικά κύματα διαδίδονται στην τροπόσφαιρα ανοδικά αυξάνοντας το ύψος τους και σπάνε στη μέση ατμόσφαιρα απελευθερώνοντας ενέργεια και ορμή, και προκαλώντας μια εκτροπή στη διεύθυνση της γεωστροφικής ζωνικής ροής. Ιδιαίτερα κατά τη χειμερινή περίοδο εξαιτίας του σπασίματος των πλανητικών κυμάτων που φτάνουν στη στρατόσφαιρα, προκαλείται μια εκτροπή στη διεύθυνση των αερίων μαζών προς τα βόρεια, που έχει ως αποτέλεσμα τη δημιουργία της μεσημβρινής κυκλοφορίας στη στρατόσφαιρα. Η κυκλοφορία Brewer-Dobson παρατηρείται και στα δυο ημισφαίρια με αυτήν όμως του Βορείου Ημισφαιρίου να είναι εντονότερη εξαιτίας της διαφορετικής κατανομής ξηράς και θάλασσας. Η μεταβολή στην συγκέντρωση του όζοντος είναι και χρονική. Το όζον της στρατόσφαιρας μεταβάλλεται σε ημερήσια, εποχική, ετήσια ή και σε ακόμα μεγαλύτερης διάρκειας βάση. Η μεγαλύτερης διάρκειας μεταβολή πιο πιθανό είναι 13

14 να συνδέεται με την αλλαγή στην εισερχόμενη ηλιακή ακτινοβολία εξαιτίας του ενδεκαετή κύκλου στην ηλιακή δραστηριότητα. Οι χημικές αντιδράσεις παραγωγής και καταστροφής του όζοντος είναι φωτοχημικές αντιδράσεις γιατί πραγματοποιούνται με την παρουσία υπεριώδους ηλιακής ακτινοβολίας. Ωστόσο, όλες οι χρονικές μεταβολές στην συγκέντρωση του όζοντος, ημερήσια, εποχική και ετήσια, οφείλονται κατά κύριο λόγο στην μεταβολή της εισερχόμενης ηλιακής ακτινοβολίας. Με βάση αυτή τη μεσημβρινή κυκλοφορία που επικρατεί στη στρατόσφαιρα κατάφεραν να εξηγηθούν οι μεγαλύτερες συγκεντρώσεις όζοντος στους πόλους, από ότι στους τροπικούς, όπου και ευνοείται η φωτοχημική παραγωγή του. Στο σχήμα που ακολουθεί παρουσιάζεται η μεταφορά όζοντος από τον ισημερινό στα μεγάλα γεωγραφικά πλάτη. Σχήμα 1.5: Μεταφορά όζοντος από τον ισημερινό στους πόλους: Η πλειοψηφία των αποκομμένων χαμηλών, δημιουργείται κυρίως κατά τους καλοκαιρινούς μήνες και έχει διάρκεια μερικών ημερών. Γενικώς, τα αποκομμένα 14

15 χαμηλά σχηματίζονται κατά την παραμόρφωση του αεροχειμάρρου, εξαιτίας της προέκτασης ενός αυλών κατά τη μεσημβρινή διεύθυνση. Καθώς λοιπόν αυτό το χαμηλό σύστημα γίνεται αποκομμένο, εγκλωβίζει ποσότητα αέρα πολικής προέλευσης με χαρακτηριστικά όπως χαμηλές θερμοκρασίες, μεγάλες τιμές δυνητικού στροβιλισμού και μεγάλες συγκεντρώσεις όζοντος. Προφανώς ο παραπάνω μηχανισμός αναφέρεται σε οριζόντια μεταφορά όζοντος, αποτελεί όμως μια διαδικασία που μπορεί να οδηγήσει με έμμεσο τρόπο σε ανταλλαγή αέρα μεταξύ τροπόσφαιρας και στρατόσφαιρας. Σε τέτοιου είδους συστήματα, αναπτύσσονται νέφη κατακόρυφης ανάπτυξης που μπορούν κάποιες φορές να διαπεράσουν την τροπόπαυση και μέσω των ανοδικών κινήσεων να οδηγήσουν σε ανάμειξη τροποσφαιρικού και στρατοσφαιρικού αέρα Σχεδόν διετής κύμανση Η κυκλοφορία της ατμόσφαιρας επηρεάζει τη μεταφορά του όζοντος, μια τέτοια κίνηση της ατμόσφαιρας είναι η «σχεδόν διετής κύμανση». Η Σχεδόν-Διετής Κύμανση (quasi-biennial oscillation, QBO) είναι ένα φαινόμενο που λαμβάνει χώρα στην τροπική στρατόσφαιρα, δηλαδή σε μικρά γεωγραφικά πλάτη αλλά σε μεγάλο ύψος (25Km). Ονομάζουμε Σχεδόν-Διετή Κύμανση την ταλάντωση του ζωνικού ανέμου μεταξύ δύο φάσεων, της ανατολικής και της δυτικής με περίοδο εναλλαγής του ανέμου μεταξύ 22 και 34 μηνών, με μέση περίοδο περίπου 27 μήνες. Κατά την δυτική φάση του φαινομένου, ο ζωνικός άνεμος πνέει από τα δυτικά και κατά την ανατολική φάση από τα ανατολικά. Στο φαινόμενο συμπεριλαμβάνονται διακυμάνσεις στην θερμοκρασία και στα επίπεδα του όζοντος. Η QBO είναι ένα φαινόμενο που εκδηλώνεται στην περιοχή των τροπικών. Ωστόσο, επηρεάζει σημαντικά και περιοχές σε μεγαλύτερα πλάτη αποτελώντας σημαντικό ρυθμιστικό παράγοντα της ατμοσφαιρικής κυκλοφορίας τόσο στην στρατόσφαιρα όσο και στην τροπόσφαιρα. Σύμφωνα με τους [Baldwin et al, 2001] η QBO επιδρά σημαντικά στην κατανομή και μεταφορά ατμοσφαιρικών συστατικών, 15

16 όπως το όζον μέσω της μεταβολής στους ανέμους, τις θερμοκρασίες, τα κύματα των μεσαίων πλατών και την μεσημβρινή κυκλοφορία. Στην Εικόνα 1.6, που ακολουθεί απεικονίζεται η χρονική μεταβολή του φαινομένου και η εμφάνιση της ανατολικής φάσης καθώς η δυτική φάση ολισθαίνει σε μικρότερα ύψη. Ένα άλλο χαρακτηριστικό είναι ότι οι δυτικοί άνεμοι κινούνται προς τα κάτω με μεγαλύτερες ταχύτητες από ότι οι ανατολικοί άνεμοι, οι οποίοι όμως είναι ισχυρότεροι (30-35m/s) από τους δυτικούς (15-20m/s). Σχήμα 1.6: Μέση ζωνική μηνιαία ροή ανέμου στον ισημερινό στους πόλους: : Η Σχεδόν-Διετής Κύμανση των ανέμων της ισημερινής στρατόσφαιρας καταγράφηκε και προσδιορίστηκε ως μια επιπλέον κύμανση για πρώτη φορά και σχεδόν ταυτόχρονα το 1961 από τις ερευνητικές ομάδες των [Reed et al.,1961] και [Veryard and Ebdon, 1961 ]. Αρχικά οι μετρήσεις του μέσου μηνιαίου ζωνικού ανέμου στην στρατόσφαιρα γίνονταν από 3 σταθμούς (Canton Island, Gan/Maledive Islands, Singapore) και σε 7 διαφορετικά ύψη μεταξύ 18 και 30Km, που προσδιορίζονταν από την ατμοσφαιρική πίεση (70, 50, 40, 30, 20, 15 και 10 hpa). Η QBO δεν μεταβάλλεται σημαντικά κατά μήκος του γεωγραφικού μήκους, οπότε η 16

17 επιλογή 3 σταθμών θεωρήθηκε αρκετή και τα δεδομένα από αυτούς αντιπροσωπευτικά για το φαινόμενο. Από το 1987 ξεκίνησε ένα νέο σετ μετρήσεων στην Σιγκαπούρη με την ημερήσια κατακόρυφη κατανομή του ανέμου για να μελετηθεί με μεγαλύτερη ακρίβεια το κατακόρυφο προφίλ του φαινομένου. Σε αυτό το σετ περιλαμβάνονται μέσες μηνιαίες τιμές των συνιστωσών του ζωνικού ανέμου στην Σιγκαπούρη από το 1987 μέχρι σήμερα και για τα ύψη ατμοσφαιρικής πίεσης 100 (από το 1997), 90, 80, 70, 60, 50, 45, 40, 35, 30, 25, 20, 15, 12 και 10hPa. Αναλυτικά όλες οι πληροφορίες για το φαινόμενο, με την δυναμική του, τις παγκόσμιες επιδράσεις του και εκτενής βιβλιογραφία μπορούν να βρεθούν στην εργασία του Baldwin et al. [2001]. 17

18 Κεφάλαιο Μετρήσεις όζοντος Όπως αναφέρθηκε και στην προηγούμενη παράγραφο, ο υπολογισμός της κατακόρυφης στήλης του όζοντος είναι πολύ σημαντικός εξαιτίας του καθοριστικού ρόλου που διαδραματίζει το στρώμα του στη διατήρηση της ζωής στον πλανήτη. Οι μέθοδοι που αναπτύχθηκαν για την μέτρησή του είναι αρκετοί, κάποιοι από αυτούς παρουσιάζονται στο σχήμα 2.1, που ακολουθεί. Σχήμα 2.1: Όργανα μέτρησης όζοντος. Στην συγκεκριμένη εργασία θα μελετηθούν οι διακυμάνσεις της ολικής στήλης του όζοντος για την περιοχή της Θεσσαλονίκης. Τα δεδομένα της ολικής στήλης όζοντος προήλθαν από το φασματοφωτόμετρο Brewer του Εργαστηρίου Φυσικής της Ατμόσφαιρας του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης. 18

19 2.2 Φασματοφωτόμετρο Brewer Το φασματοφωτόμετρο Brewer χρησιμοποιείται για μετρήσεις της ολικής ροής της ηλιακής ακτινοβολίας που φτάνει στο έδαφος. Η λειτουργία του βασίζεται στην μέτρηση του αριθμού των φωτονίων που φτάνουν στο όργανο, από επιλεγμένα μήκη κύματος του ηλιακού φάσματος. Από αυτές τις μετρήσεις προκύπτουν οι τιμές της ολικής στήλης του όζοντος, του διοξειδίου του αζώτου και του διοξειδίου του θείου. Η λειτουργία του οργάνου είναι πλήρως αυτοματοποιημένη. Το όργανο είναι τοποθετημένο πάνω σε ένα αυτόματο σύστημα το οποίο παρακολουθεί την πορεία του ήλιου (tracker), το οποίο είναι απαραίτητο για την περίπτωση των φασματικών μετρήσεων της απευθείας ηλιακής ακτινοβολίας και της συγκέντρωσης του όζοντος. Το όργανο είναι συνδεδεμένο με ένα υπολογιστή όπου μπορούν να προγραμματιστούν το είδος και η ακριβής στιγμή της επιθυμητής μέτρησης. Οι μετρήσεις της ολικής ροής της ακτινοβολίας πραγματοποιούνται μέσω ενός πλακιδίου διάχυσης κατασκευασμένο από τέφλον. Η ολική ροή της υπεριώδους ηλιακής ακτινοβολίας, προσπίπτει στο πλακίδιο διάχυσης και στη συνέχεια με τη βοήθεια ενός πρώτου πρίσματος εισόδου μικρής απορροφητικότητας, κατευθύνεται σε ένα δεύτερο περιστρεφόμενο πρίσμα. Το πρίσμα αυτό μπορεί επίσης να στραφεί προς την διεύθυνση του ηλιακού δίσκου ή προς το ζενίθ του ουρανού κατά τις μετρήσεις της απευθείας ακτινοβολίας ή της ακτινοβολίας που προέρχεται από το ζενίθ. Επίσης οι μετρήσεις της απευθείας ηλιακής ακτινοβολίας ή της ακτινοβολίας που προέρχεται από το ζενίθ του ουρανού πραγματοποιούνται μέσω ενός παραθύρου από quartz η επιφάνεια του οποίου σχηματίζει γωνία 45 ο με το οριζόντιο επίπεδο. Οι μετρήσεις αυτές χρησιμοποιούνται στον υπολογισμό της κατακόρυφης στήλης του όζοντος (Brewer, 1973). Στο πάνω μέρος του 19

20 οργάνου υπάρχει ένα παράθυρο παρατήρησης το οποίο δίνει την δυνατότητα στους χειριστές του οργάνου να μπορούν να ελέγχουν ανά πάσα στιγμή αν οι ρυθμίσεις που έχουν προγραμματιστεί μέσω του υπολογιστή είναι οι κατάλληλες για το κάθε είδος μέτρησης. Το φασματοφωτόμετρο Brewer είναι μία μετατροπή του τύπου Ebert με εστιακή απόσταση 16 cm, πλάτος 11cm και διάφραγμα φακού f/6. Διάφοροι φακοί είναι τοποθετημένοι μεταξύ της σχισμής εισόδου και του καθρέπτη ευθυγράμμισης. Το στοιχείο διανομής είναι ένα ολογραφικό φράγμα με 1800 γραμμές/mm που χρησιμοποιείται σε δεύτερο βαθμό και ο δέκτης είναι ένας φωτοπολλαπλασιαστής ευαίσθητος στην υπεριώδη ακτινοβολία. Μπροστά από τον φωτοπολλαπλασιαστή βρίσκεται ένα σύστημα με 6 σχισμές, ένα τέτοιο σύστημα παρουσιάζεται στο σχήμα 2.1 Σχήμα 2.2: Σχισμές φασματοφωτόμετρου Brewer πριν τον φωτοπολλαπλασιαστή. Η πρώτη χρησιμοποιείται για την βαθμονόμηση του οργάνου στα 302 nm, ενώ οι υπόλοιπες 5 για την λειτουργία του οργάνου στα μήκη κύματος 306,3 nm, 310,0 nm, 313,5 nm, 316,8 nm και 320,0 nm. 20

21 Τα φασματοφωτόμετρα προσφέρουν τη δυνατότητα λεπτομερών μετρήσεων της ηλιακής ακτινοβολίας σε διάφορες φασματικές περιοχές που μπορεί να είναι τόσο στενές ώστε να μπορούμε να αναφερόμαστε σε μετρήσεις σχεδόν μονοχρωματικών ακτινοβολιών. Μια σχηματική παράσταση η οποία, απεικονίζει το εσωτερικό τμήμα του οργάνου δίνεται στο Σχήμα 2.3 Σχήμα 2.3: Σχηματική παράσταση φασματοφωτομέτρου Brewer. Ο υπολογισμός της ολικής στήλης του Όζοντος υπολογίζεται με τη βοήθεια των ακολούθων σχέσεων: Όπου MS9=MS5-O.5MS6-1.7MS7 με MS5, MS6, MS7, είναι η μετρούμενη ένταση της ακτινοβολίας στα αντίστοιχα μήκη κύματος, (όπου οι λόγοι των μηκών κύματος MS5: 306.3/316.8, MS6:310.1/316.8, MS:7320.1/316.8). Ενώ Μ2 είναι η αέρια μάζα που δίνεται από τη σχέση: 21

22 Όπου R=6370km(ακτίνα γης) SZA=ηλιακή ζενίθια γωνία B1= σταθερά που εξαρτάται από το μήκος κύματος της ακτινοβολίας που χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό του όζοντος, στο όριο της ατμόσφαιρας Α1= συντελεστής διαφορικής απορρόφησης όζοντος Οι Α1 και Β1 είναι σταθερές του οργάνου που υπολογίζονται από τη σύγκρισή του με ένα πρότυπο όργανο. 22

23 Κεφάλαιο 3 0 Στατιστική Επεξεργασία των μετρήσεων της ολικής στήλης του Όζοντος Στο κεφάλαιο αυτό παρουσιάζονται τα αποτελέσματα από την στατιστική επεξεργασία των δεδομένων όζοντος από το φασματοφωτόμετρο Brewer για την περιοχή της Θεσσαλονίκης. Η περίοδος μελέτης ξεκινά τον Μάρτιο του 1982 έως τέλος του Τα δεδομένα περιελάμβαναν περισσότερες από μία μετρήσεις την ημέρα. Για τους σκοπούς της μελέτης υπολογίστηκε για την κάθε μέρα της περιόδου η μέση τιμή του όζοντος. 3.1 Μέση ετήσια πορεία του Όζοντος Κατά τη διάρκεια ενός έτους η ποσότητα του όζοντος μεταβάλλεται. Η μέση ετήσια πορεία του όζοντος για την περιοχή της Θεσσαλονίκης υπολογίστε με 2 διαφορετικούς τρόπους: Α. Με μέσες ημερήσιες τιμές (Μέση τιμή της κάθε Ιουλιανής μέρας της χρονικής περιόδου μελέτης). Β. Με μέσες μηνιαίες τιμές (Μέση τιμή του κάθε μήνα της χρονικής περιόδου μελέτης). Όπως προέκυψε από τη στατιστική ανάλυση το μέγιστο του όζοντος για την περιοχή μελέτης παρουσιάζεται την Άνοιξη και συγκεκριμένα τέλη Μαρτίου- αρχές Απρίλιου. Επίσης την ίδια περίοδο συναντάται η μεγαλύτερη απόκλιση από την μέση τιμή. Η ελάχιστη τιμή παρατηρείται το φθινόπωρο, και συγκεκριμένα τον Οκτώβριο. Η περίοδος που παρατηρείται η μέγιστη και ελάχιστη τιμή είναι αναμενόμενη σύμφωνα με τη θεωρία, αφού η Θεσσαλονίκη ανήκει στα μέσα πλάτη του Βόρειου Ημισφαιρίου. Κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού εμφανίζονται οι μικρότερες αποκλίσεις από τη μέση τιμή 23

24 του όζοντος. Στη συνέχεια παρουσιάζονται τα διαγράμματα της μέσης ετήσιας πορείας Διάγραμμα 3.1.1: Ετήσια πορεία του όζοντος με ημερήσιες τιμές Διάγραμμα 3.1.2: Ετήσια πορεία του όζοντος με μηνιαίες τιμές 24

25 3.2 Διακυμάνσεις Όζοντος για την περίοδο Στη συνέχεια παρουσιάζονται τα διαγράμματα της πορείας του όζοντος για την περίοδο Όπως προέκυψε από τη στατιστική ανάλυση, οι τιμές της ολικής στήλης του όζοντος παρουσιάζουν φθίνουσα πορεία (εξίσωση τάσης πάνω στο διάγραμμα). Η μέγιστη τιμή του όζοντος καταγράφηκε κατά το έτος 1987 ενώ ελάχιστη παρατηρείται το καλοκαίρι του διαφορετικούς τρόπους: Η πορεία παρατίθεται με δύο Α. Με ημερήσιες μέσες τιμές. Β. Με ετήσιες μέσες τιμές. Διάγραμμα 3.2.1: Διακύμανση όζοντος για την περίοδο με βάση τις ημερήσιες τιμές. 25

26 Διάγραμμα 3.2.2: Διακύμανση όζοντος για την περίοδο με βάση τις ετήσιες τιμές. Η ελάχιστη τιμή του όζοντος που παρατηρείται το 1993 πιθανόν οφείλεται στη έκρηξη του ηφαιστείου Pinatubo που έλαβε χώρα το 1991 στις Φιλιππίνες. Οι εκρήξεις ηφαιστείων επηρεάζουν έμμεσα την στήλη του όζοντος. Τα ηφαιστειακά σωματίδια και αερολύματα δεν καταστρέφουν το όζον από μόνα τους, αλλά λειτουργούν ως καταλύτες παρέχοντας τη απαραίτητη επιφάνεια πάνω στη οποία θα γίνουν οι αντιδράσεις των χλωροφορανθράκων με το όζον. Ευτυχώς όμως τα σωματίδια αυτά κατακάθονται μετά από 2 έως 3 χρόνια, και έτσι οι επιπτώσεις των ηφαιστειακών εκρήξεων είναι σύντομες. Γενικά η τιμή της ολικής στήλης του όζοντος δείχνει να μειώνεται. Πιο έντονη μείωση παρουσιάζεται την περίοδο Ενώ από το 1993 και μετά παρατηρείται αύξηση της ολικής στήλης όζοντος γεγονός που οφείλεται κυρίως στην ενημέρωση και ευαισθητοποίηση της κοινής γνώμης για τους παράγοντες που επιδρούν στην καταστροφή του όζοντος. 26

27 3.3 Μηνιαίες Διακυμάνσεις Όζοντος για την περίοδο Γνωρίζουμε πως η τιμή της ολικής στήλης του όζον μεταβάλλεται στη διάρκεια του έτους. Σε αυτή την παράγραφο μελετάται η μεταβολή της μέση μηνιαίας τιμής του όζοντος για κάθε μήνα ξεχωριστά. Δηλαδή παρατηρείται η πορεία της μέσης μηνιαίας τιμής της ολικής στήλης στη διάρκεια των 28 χρόνων Ιανουάριος Στο διάγραμμα παρουσιάζεται η διακύμανση της μέσης μηνιαίας τιμής της ολικής στήλης του όζοντος για τον μήνα Ιανουάριο για την περίοδο Εύκολα παρατηρείται από το διάγραμμα πως τον ο Γενάρης του 1986 είχε τη μέγιστη τιμή Ο3 σε σχέση με του υπόλοιπους Γενάρηδες, η τιμή αυτή είναι περίπου 380 DU. Τον Γενάρη του 1993 η τιμή του όζοντος ήταν μικρότερη από 300 DU (περίπου 290DU) και αποτελεί την ελάχιστη τιμή της χρονοσειράς των Γενάρηδων. Εντονότερη διακύμανση στις τιμές παρατηρείται για την περίοδο 1983 έως 1992 ενώ η μικρότερη διακύμανση εμφανίζεται την περίοδο

28 Διάγραμμα 3.3.1: Διακύμανση όζοντος για τον μήνα Ιανουάριο για την περίοδο Φεβρουάριος Στο διάγραμμα παρουσιάζεται η πορεία της μέσης τιμής της ολικής στήλης όζοντος για το μήνα Φεβρουάριο για την περίοδο Οι διακυμάνσεις της μελετώμενης τιμής είναι πολύ έντονες από χρονιά σε χρονιά. Το Φεβρουάριο του 1986, του 1991, του 1999 και του 2003 οι τιμές είναι αρκετά υψηλές (περίπου στα 390 DU). Ενώ τον Φεβρουάριο του 1995 και του 2002 παρατηρούνται οι ελάχιστες τιμές (περίπου 315 DU). Η τάση στις τιμές όζοντος του για τον Φεβρουάριο είναι αυξητική για την περίοδο μελέτης. 28

29 Διάγραμμα 3.3.2: Διακύμανση όζοντος για τον μήνα Φεβρουάριο για την περίοδο Μάρτιος Στο διάγραμμα παρουσιάζεται η πορεία της μέσης τιμής της ολικής στήλης όζοντος για τον μήνα Μάρτιο για την περίοδο Το έτος 1984 και 1987 παρατηρούνται οι μέγιστες τιμές της ολικής στήλης του όζοντος (περίπου 410 DU). Η μικρότερη τιμή του όζοντος εμφανίζεται το 1983 (~330 DU). Οι διακυμάνσεις είναι εντονότερες κατά την περίοδο ενώ την περίοδο η διακύμανση ήταν ανεπαίσθητη. Η τάση του όζοντος για τον μήνα Μάρτη για την περίοδο μελέτης είναι πτωτική. 29

30 Διάγραμμα 3.3.3: Διακύμανση όζοντος για τον μήνα Μάρτιο για την περίοδο Απρίλιος Στο διάγραμμα παρουσιάζεται η πορεία της μέσης τιμής της ολικής στήλης του όζοντος για το μήνα Απρίλιο για την περίοδο Το έτος 1984 και 1987 παρατηρούνται οι μέγιστες τιμές της ολικής στήλης του όζοντος (περίπου 410 DU). Η μικρότερη τιμή του όζοντος εμφανίζεται τα έτη1985, 1989, 1993 και 2000 (~340 DU). Η πορεία των Απρίληδων είναι ίδιας μορφής με την πορεία του Μαρτίου για την ίδια περίοδο. Οι διακυμάνσεις είναι εντονότερες κατά την περίοδο ενώ την περίοδο η διακύμανση ήταν ανεπαίσθητη. Η τάση του όζοντος για τον μήνα Απρίλη για την περίοδο μελέτης είναι μειωτική. 30

31 Διάγραμμα 3.3.4: Διακύμανση όζοντος για τον μήνα Απρίλιο για την περίοδο Μάιος Στο διάγραμμα παρουσιάζεται η πορεία της μέσης τιμής της ολικής στήλης του όζοντος για το μήνα Μάιο για την περίοδο Το έτος 1987 παρατηρούνται οι μέγιστες τιμές της ολικής στήλης του όζοντος (περίπου 390 DU). Η μικρότερη τιμή του όζοντος εμφανίζεται το 1997 (~340 DU). Οι διακυμάνσεις είναι δεν είναι ιδιαίτερα έντονες. Η τάση του όζοντος για τον μήνα Μάη για την περίοδο μελέτης είναι έντονα πτωτική. 31

32 Διάγραμμα 3.3.5: Διακύμανση όζοντος για τον μήνα Μάιο για την περίοδο Ιούνιος Στο διάγραμμα παρουσιάζεται η πορεία της μέσης τιμής της ολικής στήλης του όζοντος για το μήνα Μάιο για την περίοδο Το έτος 1987 παρατηρούνται οι μέγιστες τιμές της ολικής στήλης του όζοντος (περίπου 360 DU). Η μικρότερη τιμή του όζοντος εμφανίζεται το 2000 (~320 DU). Οι διακυμάνσεις είναι δεν είναι ιδιαίτερα έντονες. Η τάση του όζοντος για τον μήνα Ιούνιο για την περίοδο μελέτης είναι φθίνουσα, συγκεκριμένα είναι η πιο έντονα πτωτική πορεία σε σχέση με όλους τους υπόλοιπους μήνες. 32

33 Διάγραμμα 3.3.6: Διακύμανση όζοντος για τον μήνα Ιούνιο για την περίοδο Ιούλιος Στο διάγραμμα παρουσιάζεται η πορεία της μέσης τιμής της ολικής στήλης του όζοντος για το μήνα Ιούλιο για την περίοδο Το έτος 1991 παρατηρούνται οι μέγιστες τιμές της ολικής στήλης του όζοντος (περίπου 330 DU). Η μικρότερη τιμή του όζοντος εμφανίζεται το 2000 (~310 DU). Οι διακυμάνσεις είναι δεν είναι ιδιαίτερα έντονες. Η τάση του όζοντος για τον μήνα Ιούλιο για την περίοδο μελέτης είναι αρνητική. 33

34 Διάγραμμα 3.3.7: Διακύμανση όζοντος για τον μήνα Ιούλιο για την περίοδο Αύγουστος Στο διάγραμμα παρουσιάζεται η πορεία της μέσης τιμής της ολικής στήλης του όζοντος για το μήνα Αύγουστο για την περίοδο Το έτος 1984 παρατηρούνται οι μέγιστες τιμές της ολικής στήλης του όζοντος (περίπου 330 DU). Η μικρότερη τιμή του όζοντος εμφανίζεται το 2008 (~300 DU). Οι διακυμάνσεις είναι δεν είναι ιδιαίτερα έντονες, το εύρος των τιμών είναι περίπου από 300 έως 330 DU. Η τάση του όζοντος για τον μήνα Αύγουστο για την περίοδο μελέτης είναι ισχυρά αρνητική. 34

35 Διάγραμμα 3.3.8: Διακύμανση όζοντος για τον μήνα Αύγουστο για την περίοδο Σεπτέμβριος Στο διάγραμμα παρουσιάζεται η πορεία της μέσης τιμής της ολικής στήλης του όζοντος για το μήνα Σεπτέμβριο για την περίοδο Το έτος 1998 παρατηρούνται οι μέγιστες τιμές της ολικής στήλης του όζοντος (περίπου 315 DU). Η μικρότερη τιμή του όζοντος εμφανίζεται το 1993 (περίπου 290 DU). Οι διακυμάνσεις είναι δεν είναι ιδιαίτερα έντονες, το εύρος των τιμών είναι περίπου από 290 έως 315 DU. Η τάση του όζοντος για τον μήνα Σεπτέμβριο για την περίοδο μελέτης είναι ασθενώς αρνητική. 35

36 Διάγραμμα 3.3.9: Διακύμανση όζοντος για τον μήνα Σεπτέμβριο για την περίοδο Οκτώβριος Στο διάγραμμα παρουσιάζεται η πορεία της μέσης τιμής της ολικής στήλης του όζοντος για το μήνα Οκτώβριος για την περίοδο Το έτος 1989 παρατηρούνται οι μέγιστες τιμές της ολικής στήλης του όζοντος (περίπου 305 DU). Η μικρότερη τιμή του όζοντος εμφανίζεται το 1993 (περίπου 270 DU). Οι διακυμάνσεις είναι δεν είναι ιδιαίτερα έντονες, το εύρος των τιμών είναι περίπου από 270 έως 305 DU. Η τάση του όζοντος για τον μήνα Οκτώβριο για την περίοδο μελέτης είναι μειωτική. 36

37 Διάγραμμα : Διακύμανση όζοντος για τον μήνα Οκτώβριο για την περίοδο Νοέμβριος Στο διάγραμμα παρουσιάζεται η πορεία της μέσης τιμής της ολικής στήλης του όζοντος για το μήνα Νοέμβριος για την περίοδο Το έτος 1995 παρατηρούνται οι μέγιστες τιμές της ολικής στήλης του όζοντος (περίπου 310 DU). Η μικρότερη τιμή του όζοντος εμφανίζεται το 1992 (περίπου 280 DU). Οι διακυμάνσεις και πάλι δεν είναι ιδιαίτερα έντονες, ενώ στην περίπτωση αυτή το εύρος των τιμών είναι περίπου από 280 έως 310 DU. Η τάση του όζοντος για τον μήνα Νοέμβριο για την περίοδο μελέτης είναι πτωτική. 37

38 Διάγραμμα : Διακύμανση όζοντος για τον μήνα Νοέμβριο για την περίοδο Δεκέμβριος Στο διάγραμμα παρουσιάζεται η πορεία της μέσης τιμής της ολικής στήλης του όζοντος για το μήνα Δεκέμβριο για την περίοδο Το έτος 1995 παρατηρούνται οι μέγιστες τιμές της ολικής στήλης του όζοντος (περίπου 310 DU). Η μικρότερη τιμή του όζοντος εμφανίζεται το 1992 (περίπου 280 DU). Οι διακυμάνσεις και πάλι δεν είναι ιδιαίτερα έντονες, ενώ στην περίπτωση αυτή το εύρος των τιμών είναι περίπου από 280 έως 310 DU. Η τάση του όζοντος για τον μήνα Δεκέμβριο για την περίοδο μελέτης είναι πτωτική. 38

39 Διάγραμμα : Διακύμανση όζοντος για τον μήνα Δεκέμβριο για την περίοδο

40 3.5 Συχνοτική κατανομή της εποχιακής διακύμανσης Όζοντος για την περίοδο Από τα δεδομένα που χρησιμοποιήθηκαν στην παρούσα μελέτη δημιουργήθηκαν διαγράμματα συχνοτικής κατανομής των εποχιακών τιμών της ολικής στήλης του όζοντος πάνω από τη Θεσσαλονίκη. Από τα παρακάτω διαγράμματα προκύπτει πως το εύρος των τιμών της συχνοτικής κατανομής είναι μεγαλύτερο το χειμώνα και την άνοιξη και μικρότερο το καλοκαίρι και φθινόπωρο. Αυτό οφείλεται κυρίως στο μηχανισμό δημιουργίας και μεταφοράς του όζοντος Στο διάγραμμα παρουσιάζεται η διακύμανση της τιμής του όζοντος για την άνοιξη για την περίοδο Όπως φαίνεται και στο διάγραμμα η πιο συχνά παρατηρούμενη μέση εποχιακή τιμή του όζοντος για την άνοιξη είναι τα 350 DU παρατηρείται συνολικά σχεδόν τα 14% των ετών της περιόδου, ενώ οι αμέσως επόμενες πιο συχνά παρατηρούμενες τιμές είναι τα 330, 340 και 360 DU, περίπου στο 12% των ετών. Ενώ οι σπάνια παρατηρούμενες τιμές είναι οι μικρότερες των 300 και μεγαλύτερες των 410 DU. 40

41 Διάγραμμα 3.5.1: Συχνοτική διακύμανση όζοντος για την άνοιξη για την περίοδο Στο διάγραμμα παρουσιάζεται η διακύμανση της τιμής του όζοντος για το καλοκαίρι για την περίοδο Είναι εμφανές από το διάγραμμα η πιο συχνά παρατηρούμενη μέση εποχιακή τιμή του όζοντος για το καλοκαίρι είναι τα 310 DU παρατηρείται συνολικά σχεδόν στο 19% των ετών της περιόδου, ενώ οι αμέσως επόμενες πιο συχνά παρατηρούμενες τιμές είναι τα 300, 320 DU, περίπου στο 16% και 18% των ετών αντίστοιχα. Ενώ οι πιο σπάνια παρατηρούμενες τιμές είναι οι μικρότερες των 280 και μεγαλύτερες των 350 DU. Διάγραμμα 3.5.2: Συχνοτική διακύμανση όζοντος για το καλοκαίρι για την περίοδο Στο διάγραμμα παρουσιάζεται η διακύμανση της τιμής του όζοντος για το φθινόπωρο για την περίοδο Όπως φαίνεται και στο διάγραμμα η πιο συχνά παρατηρούμενη μέση εποχιακή τιμή του όζοντος για το φθινόπωρο είναι τα 300 DU παρατηρείται συνολικά σχεδόν στο 22% των ετών της περιόδου, ενώ οι αμέσως επόμενες πιο συχνά παρατηρούμενες τιμές είναι 290 DU, περίπου στο 21%. 41

42 Ενώ οι πιο σπάνια παρατηρούμενες τιμές είναι οι μικρότερες των 260 και μεγαλύτερες των 320 DU. Διάγραμμα 3.5.3: Συχνοτική διακύμανση όζοντος για το φθινόπωρο για την περίοδο Στο διάγραμμα παρουσιάζεται η διακύμανση της τιμής του όζοντος για το χειμώνα για την περίοδο Όπως φαίνεται και στο διάγραμμα η πιο συχνά παρατηρούμενη μέση εποχιακή τιμή του όζοντος για το χειμώνα είναι τα 310 DU παρατηρείται συνολικά σχεδόν στο 12% των ετών της περιόδου, ενώ οι αμέσως επόμενες πιο συχνά παρατηρούμενες τιμές είναι 320 DU, περίπου στο 11.5%. Ενώ οι πιο σπάνια παρατηρούμενες τιμές είναι οι μικρότερες των 260 και μεγαλύτερες των 380 DU. 42

43 Διάγραμμα 3.5.4: Συχνοτική διακύμανση όζοντος για το χειμώνα για την περίοδο

44 Πτυχιακή Εργασία Σφάτος Αθανάσιος 3.6 Προσομοίωση των χρονοσειρών όζοντος με πολυώνυμο δευτέρου βαθμού Για την προσομοίωση των χρονοσειρών όζοντος χρησιμοποιήθηκε πολυώνυμο δεύτερου βαθμού. Η διαδικασία έγινε για τις ημερήσιες αλλά και για τις μηνιαίες τιμές όζοντος. Για την προσομοίωση με ημερήσιες τιμές η διαδικασία έγινε ως εξής: από την τιμή τις κάθε μέρας αφαιρέθηκε η αντίστοιχη μέση ημερήσια τιμή ( η οποία προέκυψε από τη μέση τιμή της κάθε μέρας από όλη τη χρονοσειρά). Στο αποτέλεσμα της αφαίρεσης εφαρμόστηκε πολυωνιμική εξίσωση δευτέρου βαθμού. Ο σκοπός για τον οποίο έγινε αυτή η διαδικασία είναι για να αφαιρεθούν από τη χρονοσειρά του όζοντος τυχόν περιοδικότητες και να φανεί η καθαρή τάση της ολικής στήλης του. Τα αποτελέσματα αυτής της διαδικασίας φαίνονται στα παρακάτω διαγράμματα. Τάση Όζοντος Υ= Χ Όζον Χρόνος Διάγραμμα 3.6.1: Τάση του όζοντος (από ημερήσιες τιμές) για την περίοδο

45 Σχετική μεταβολή Όζοντος % Πτυχιακή Εργασία Σφάτος Αθανάσιος 50 Τάση Όζοντος % Υ=-0.043Χ+0, Χρόνος Διάγραμμα 3.6.2: Σχετική τάση του όζοντος (από ημερήσιες τιμές) για την περίοδο Όπως παρατηρείται στα παραπάνω διαγράμματα το όζον παρουσιάζει τάση μείωσης για την περίοδο για τη περιοχή της Θεσσαλονίκης. Η τάση αυτή είναι 0.14 DU ανά έτος ή αλλιώς είναι 0.043% ανά έτος. Η διαδικασία αυτή πραγματοποιήθηκε και για τις μέσες μηνιαίες τιμές. Τα αποτελέσματα που προέκυψαν φαίνονται στα δύο επόμενα διαγράμματα. 45

46 Σχετική ετήσια μεταβολή Όζοντος % Mεταβολή Όζοντος Πτυχιακή Εργασία Σφάτος Αθανάσιος 75 Τάση Όζοντος Υ= Χ Χρόνος Διάγραμμα 3.6.3: Τάση του όζοντος (από μηνιαίες τιμές) για την περίοδο ,4 Τάση Όζοντος % Υ=-0.001Χ+2.2 0,2 0,0-0,2-0, Χρόνος Διάγραμμα 3.6.4: Σχετική τάση του όζοντος (από μηνιαίες τιμές) για την περίοδο

47 Στα δυο τελευταία διαγράμματα παρατηρείται και πάλι πτωτική τάση στην ολική στήλη του όζοντος. Συγκεκριμένα σημειώνεται μείωση DU ανά έτος ή αλλιώς 0.001% ανά έτος. 3.7 Μοντέλο Πρόγνωσης Όζοντος Στη συνέχεια παρουσιάζεται ένα απλό μοντέλο πρόγνωσης του όζοντος. Το μοντέλο αυτό βασίζεται σε μια πολυωνιμική προσομοίωση στην κλιματολογία της ημερήσιας τιμής του όζοντος. Συγκεκριμένα έγινε προσέγγιση με πολυώνυμο 3 ου βαθμού της μέσης ημερήσιας τιμής του όζοντος επίσης η ίδια προσέγγιση έγινε και στα μεγέθη Α και Β. Όπου Α,Β είναι «μέση ημερήσια τιμή του όζοντος ± 2*τυπική απόκλιση της μέσης τιμής του όζοντος» αντίστοιχα. Οι εξισώσεις που παράχθηκαν δίνουν την προβλεπόμενη τιμή του όζοντος για κάθε μέρα του έτους καθώς και την απόκλιση από την προβλεπόμενη τιμή. Η εξίσωση που προβλέπει την τιμή του όζοντος είναι η εξής: (3.7.1) Ενώ η απόκλιση πάνω από τη μέση τιμή δίνεται από την εξίσωση: (3.7.2) Ενώ η απόκλιση κάτω από τη μέση τιμή δίνεται από την εξίσωση: (3.7.3) Στη συνέχεια παρουσιάζεται το διάγραμμα με την προσομοίωση στην μέση τιμή του όζοντος καθώς και η προσομοίωση στα μεγέθη Α και Β 47

48 Διάγραμμα 3.7: Εφαρμογή πολυωνύμου 3ου βαθμού στην μέση τιμή της ολικής στήλης του όζοντος (μπλε) του μεγέθους Α (πράσινο) και του μεγέθους Β(κόκκινο). 48

49 Κεφάλαιο 4 0 Συμπεράσματα Το όζον αποτελεί ένα από τα σημαντικότερα αέρια της ατμόσφαιρας. Το όζον διασφαλίζει τη συνέχεια της ζωής στον πλανήτη, αυτό συμβαίνει γιατί απορροφά το μεγαλύτερο μέρος της υπεριώδους ακτινοβολίας, με αποτέλεσμα να προστατεύει τους οργανισμούς από τις βλαβερές ακτινοβολίες και να θερμαίνει την στρατόσφαιρα. Το μεγαλύτερο μέρος του όζοντος βρίσκεται στην στρατόσφαιρα και χαρακτηρίζεται ως «καλό» όζον. Ενώ ένα μικρό ποσοστό (περίπου 10%) βρίσκεται στην τροπόσφαιρα. Το τροποσφαιρικό όζον αποτελεί έναν από τους πιο βλαβερούς ρύπους, που προκαλεί πληθώρα προβλημάτων σε ανθρώπους και οικοσυστήματα, γι αυτό χαρακτηρίζεται ως «κακό» όζον. Το όζον δημιουργείται στον ισημερινό και μεταφέρεται στους πόλους, η μεταφορά εξαρτάται από την εποχή του έτους. Η μεταφορά του όζοντος γενικά εξαρτάται από την κυκλοφορία της ατμόσφαιρας, μια τέτοια κίνηση που το επηρεάζει είναι η σχεδόν διετής κύμανση, που έχει περίοδο 22 έως 34 μήνες. Η σχεδόν διετής κύμανση είναι ένα περιοδικό φαινόμενο, αφορά το ζωνικό άνεμο ο οποίος πνέει, κατά την δυτική του φάση από τα δυτικά και κατά την ανατολική του όζον. Ένα από τα βασικά επίγεια όργανα μέτρησης της ολικής στήλης του όζοντος είναι το φασματοφωτόμετρο Brewer. Η λειτουργία του βασίζεται στην μέτρηση του αριθμού των φωτονίων που φτάνουν στο όργανο, από επιλεγμένα μήκη κύματος του ηλιακού φάσματος. Από αυτές τις μετρήσεις και με τη βοήθεια συγκεκριμένων αλγορίθμων προκύπτουν οι τιμές της ολικής στήλης του όζοντος. Στην παρούσα διπλωματική εργασία μελετάται η μακροχρόνια διακύμανση των τιμών του όζοντος. Η μελέτη αυτή έγινε με τη χρήση δεδομένων ολικής στήλης του όζοντος από το φασματοφωτόμετρο Brewer που βρίσκεται στο εργαστήριο 49

50 Φυσικής της Ατμόσφαιρας του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης. Η περίοδος μελέτης ξεκινά από το Μάρτιο του 1982 έως το τέλος του Όπως προέκυψε από την στατιστική επεξεργασία των μετρήσεων οι τιμές του όζοντος μεταβάλλονται κατά τη διάρκεια του έτους. Οι μέγιστες τιμές του όζοντος παρατηρούνται κατά την Άνοιξη, τους μήνες Μάρτιο- Απρίλιο (Διάγραμμα και 3.1.2). Αυτό είναι αναμενόμενο γιατί η Θεσσαλονίκη βρίσκεται στα μέσα πλάτη του βορείου Ημισφαιρίου όπου κατά την άνοιξη παρουσιάζεται η μέγιστή μεταφορά όζοντος. Στην περίοδο μελέτης το όζον παρουσιάζει ελάχιστη τιμή το 1993 η οποία οφείλεται κυρίως στην επίδραση της έκρηξης του ηφαιστείου Pinatubo το καλοκαίρι του Η έκρηξη ήταν τόσο ισχυρή που επηρέασε το ισοζύγιο της ακτινοβολίας σε παγκόσμια κλίμακα το οποίο με τη σειρά του επέδρασε στην ποσότητα του όζοντος. Η μέγιστη τιμή του όζοντος παρουσιάζεται το Η τάση του όζοντος είναι μειωτική για τη περίοδο 1982 έως το 1993 ενώ το όζον φαίνεται να ανακάμπτει κατά την περίοδο , ενώ σχεδόν σταθερή παρουσιάζεται η πορεία του από το 1998 και έπειτα. Για να φανούν οι καθαρές τάσεις του όζοντος στην περίοδο μελέτης, έγινε μια προσπάθεια να αφαιρεθούν τυχόν περιοδικότητες που παρουσιάζονται. Για το σκοπό αυτό έγινε μια προσέγγιση της χρονοσειράς όζοντος με ένα πολυώνυμο 2 ου βαθμού. Το αποτέλεσμα της προσέγγισης αφαιρέθηκε από τις τιμές του όζοντος και έπειτα υπολογίστηκε η καθαρή τάση του. Το όζον φαίνεται να μειώνεται αυτήν την περίοδο (διάγραμμα έως 3.6.4). Επίσης στα πλαίσια της παρούσας διπλωματικής εργασίας έγινε προσπάθεια να δημιουργηθεί ένα απλό μοντέλο πρόβλεψης της τιμής του όζοντος. Το μοντέλο αυτό στηρίζεται σε ένα πολυώνυμο 3 ου βαθμού πάνω στη μέση ημερήσια τιμή του όζοντος. Η προβλεπόμενη τιμή καθώς και η απόκλιση από την προβλεπόμενη τιμή δίνεται από τις εξισώσεις 3.7. έως

51 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Anderson, J., J. M. Russell III, S. Solomon, and L. E. Deaver, 2000: Halogen Occultation Experiment confirmation of stratospheric chlorine decreases in accordance with the Montreal Protocol. Journal of Geophysical Research D: Atmospheres, 105, Baldwin, M. P. and Coauthors,, 2001: The quasi-biennial oscillation. Rev. Geophys., 39, Brasseur, G., and S. Solomon, 2005: Aeronomy of the Middle Atmopshere, Chemistry and Physics of the Stratosphere and Mesosphere. Springer, Hadjinicolaou, P., J. A. Pyle, and N. R. P. Harris, 2005: The recent turnaround in stratospheric ozone over northern middle latitudes: A dynamical modeling perspective. Geophys. Res. Lett., 32, 1-5. Labitzke, K., 1980: Climatology of the stratosphere and mesosphere. Philosophical Transactions of Royal Society, London, 7, 296. Montzka, S. A., J. H. Butler, J. W. Elkins, T. M. Thompson, A. D. Clarke, and L. T. Lock, 1999: Present and future trends in the atmospheric burden of ozone-depleting halogens. Nature, 398, Newchurch, M. J., E. -. Yang, D. M. Cunnold, G. C. Reinsel, J. M. Zawodny, and J. M. Russell III, 2003: Evidence for slowdown in stratospheric ozone loss: First stage of ozone recovery. Journal of Geophysical Research D: Atmospheres, 108, ACH ACH Reed, R. J., W. J. Campbell, L. A. Rasmusson, and D. G. Rogers, 1961: Evidence of a downward propagating annual wind reversal in the equatorial stratosphere. Journal of Geophysical Research, 66, 813. Reinsel, G. C., E. C. Weatherhead, G. C. Tiao, A. J. Miller, R. M. Nagatani, D. J. Wuebbles, and L. E. Flynn, 2002: On detection of turnaround and recovery in trend for ozone. Journal of Geophysical Research D: Atmospheres, 107, 1-1. Rinsland, C. P. and Coauthors,, 2003: Long-term trends of inorganic chlorine from ground-based infrared solar spectra: Past increases and evidence for stabilization. Journal of Geophysical Research D: Atmospheres, 108, ACH ACH Schnadt, C., and M. Dameris, 2003: Relationship between North Atlantic Oscillation changes and stratospheric ozone recovery in the Northern Hemisphere in a chemistry-climate model. Geophys. Res. Lett., 30, Shindell, D. T., and V. Grewe, 2002: Separating the influence of halogen and climate changes on ozone recovery in the upper stratosphere. Journal of Geophysical Research D: Atmospheres, 107, ACL ACL Shindell, D. T., D. Rind, and P. Lonergan, 1998: Increased polar stratospheric ozone losses and delayed eventual recovery owing to increasing greenhouse-gas concentrations. Nature, 392, Veryand, R. G., and R. A. Ebdon, 1961: Fluctuations in tropical stratospheric winds. Meteorol Mag, 90, 125. Wallace, J., and P. hobbs, 2006: Atmospheric Science - An Introductory Survey. 2nd ed. Elsevier, Weatherhead, E. C., and S. B. Andersen, 2006: The search for signs of recovery of the ozone layer. Nature, 441, World Meteorological Organization, Scientific Assessment of Ozone Depletion: 1994, Rep. 37, Global Ozone Res. and Monit. Proj., Geneva,

52 World Meteorological Organization, Scientific Assessment of Ozone Depletion: 1998, Rep. 44, Global Ozone Res. and Monit. Proj., Geneva, World Meteorological Organization, Scientific assessment of ozone depletion 2002, Rep. 47, World Meteorol. Organ., Geneva, Switzerland, EARTH OBSERVATORY, NASA Alfred Wegener Institute Climate Prediction Center, National Oceanic and Atmospheric Administration Atmospheric Chemistry and Dynamics Branch, NASA National Geophysical Data Center, National Oceanic and Atmospheric Administration Climate Prediction Center - Northern Hemisphere Teleconnection Patterns Department of Earth Sciences 52