Μεταπτυχιακό Φυσικής Περιβάλλοντος Τμήμα Φυσικής, ΑΠΘ Έτος 2011

Transcript

1 Μεταπτυχιακό Φυσικής Περιβάλλοντος Τμήμα Φυσικής, ΑΠΘ Έτος επτ επτ. 21 Διπλωματική Εργασία της φοιτήτριας Σαρηγιαννίδου Βαρβάρα Με θέμα «Συμβολή στη μελέτη της ανάκαμψης της ολικής στήλης όζοντος για το διάστημα » Επιβλέπων Καθηγητής, Επ. Καθ. Π. Ζάνης 1

2 2 Αφιερωμένη στον σύζυγο μου, Βαγγέλη. 2

3 3 ΠΕΡΙΕΦΟΜΕΝΑ Περίληψη (ελληνική & αγγλική) 1. τρατοσφαιρικό όζον 1.1. ημασία 1.2. Φημικές αντιδράσεις παραγωγής και καταστροφής του όζοντος 1.3. Υυσικές μεταβολές του όζοντος 1.4. Μονάδες μέτρησης του όζοντος 1.5. Σεχνικές μέτρησης του όζοντος 2. Δεδομένα 2.1. Μετρήσεις ολικής στήλης όζοντος (Merged Ozone Data) 2.2. Παράμετροι Ηλιακή δραστηριότητα (Lf17) χεδόν Διετής Κύμανση (QΒΟ1, QΒΟ3) Eliassen-Palm flux (E-P flux) Σηλεσυνδέσεις Βορείου Ημισφαιρείου 2.3. Πρόγραμμα στατιστικής επεξεργασίας R-project 2.4. Βιβλιογραφική επισκόπηση του θέματος 3. Αποτελέσματα 3.1. Μεθοδολογία 3.2. Σάση όζοντος: Περιγραφή της διαδικασίας υπολογισμού 3.3. Αποτελέσματα-Διαγράμματα 3.4. χόλια-υμπεράσματα 4. Βιβλιογραφία 3

4 4 ΚΕΥΑΛΑΙΟ 1-Εισαγωγή Περίληψη Σο τόσο πολύτιμο ατμοσφαιρικό στοιχείο, το όζον, που προστατεύει όλα τα έμβια όντα και τα φυτά από την από την καταστροφή του DNA τους και από εγκαύματα, μειώνεται ραγδαία τις τελευταίες δεκαετίες. υστηματικές μετρήσεις επιβεβαίωσαν την μείωση η οποία άγγιξε το ακρότατο των 73 DU τον επτέμβρη του 1994 πάνω από τον Νότιο Πόλο. Η περιοχή της ατμόσφαιρας με χαμηλή συγκέντρωση του όζοντος σε μια έκταση εκατομμυρίων τετραγωνικών χιλιομέτρων (όσο η έκταση της Ευρώπης) ονομάστηκε τρύπα του όζοντος. Η ολική στήλη του όζοντος παρακολουθείται συνεχώς τόσο με επίγειες όσο και με δορυφορικές μετρήσεις. Για 15 χρόνια ( ) η τάση της ολικής στήλης του όζοντος υπολογίζεται αρνητική και η συγκέντρωση του όζοντος συνεχώς μειώνεται. Ψστόσο, τα τελευταία χρόνια αρχίζει να φαίνεται παύση ή σταδιακά αναστροφή της αρνητικής τάσης προς θετική. Παράλληλα, αναζητούνται τα αίτια που οδήγησαν στην τρύπα του όζοντος και κατά πόσον αυτά ήτανε φυσικά (ηλιακή δραστηριότητα, δυναμικές διεργασίες της ατμοσφαίρας) ή ανθρωπογενή (χημικές ουσίες που εκλύονται από την ανθρώπινη δραστηριότητα). την παρούσα εργασία μελετάται η αρνητική τάση της ολικής στήλης όζοντος στο διάστημα Παράλληλα εξετάζεται η θετική τάση της ολικής στήλης όζοντος στο διάστημα έχοντας ως ημερομηνία αναστροφής της τάσης τον Δεκέμβριο του Ψς παράμετροι της τάσης λαμβάνονται οι δυναμικές διεργασίες της ατμόσφαιρας (QBO1, QBO3, E-P flux), η ηλιακή δραστηριότητα (Lf1.7) και οι τηλεσυνδέσεις του Βορείου Ημισφαιρίου (NAO, AO, WP, EP/NP, PNA, EA/WR, SCA, TNH, POL, PT). ύμφωνα με την υπόθεση της γραμμικής παρεμβολής, με την οποία μελετάται η γραμμική τάση της ολικής στήλης όζοντος, φαίνεται ότι οι δυναμικές διεργασίες της ατμόσφαιρας δεν μπορούν να εξηγήσουν μέρος της ανάκαμψης της ολικής στήλης όζοντος. υνεπώς υπάρχουν και άλλοι παράγοντες που συμβάλλουν στο φαινόμενο αυτό. 4

5 5 Summary One of the most valuable elements in the earth s atmosphere is ozone, because its role is very important in the protection of life on Earth. The ozone layer absorbs the dangerous ultraviolet radiation that would otherwise penetrate Earth s atmosphere and cause serious damages on the DNA of the various life forms on Earth. During the past decades numerous studies of trend characteristics of atmospheric ozone have concluded that the concentration of ozone in atmosphere has been reduced and has reached the lowest level of 73DU in September 1994 over South Pole. The area where the total ozone amount is less than the characteristic value of 22 Dobson Units is defined geographically as the ozone hole. The ozone hole has steadily grown in size (up to 27 million sq. Km) and length of existence (from August through early December) over the past two decades. The total column ozone is constantly measured by terrestrial and satellite measurements. For the last 15 years the ozone trend is found to be negative leading to further ozone depletion. This documented stratospheric ozone decline was attributed to human emissions of ozone depleting substances, which led to the successful implementation of the Montreal Protocol and its amendments. However, previous decreases in ozone have started to lessen and turn around as a recovery of ozone. In the mean time, more studies are still being carried out on the causes of the ozone depletion and whether they are human (ozone depletion chemicals) or natural (solar flux, dynamical procedures of the atmosphere). In this thesis we investigate the negative trend of the total column ozone between 1979 and 29. Additionally, the positive trend of the total column ozone is examined between 1994 and 29, while December 1993 is specified as the date of change on trend. The parameters that are included are the dynamical variability of the atmosphere (Quasi-Biennal Oscillation and Eliassen-Palm flux), the solar cycle variability (Lf1.7cm) and the teleconnections of the Northern Hemisphere (NAO, AO, WP, EP/NP, PNA, EA/WR, SCA, TNH, POL, PT). According to the hypothesis of the linear trend model, the dynamical procedures don t seem to play a critical role either in the negative or the positive trend of stratospheric ozone. That leads to the conclusion that other factors affect the ozone depletion in the atmosphere and these factors may be responsible for the turn around in the ozone concentration. 5

6 6 1.1 Σημασία Σο μεγαλύτερο ποσοστό του όζοντος της ατμόσφαιρας (9%) βρίσκεται συγκεντρωμένο σε ένα σφαιρικό φλοιό που περιβάλει την γη ομοιόμορφα σε ένα ύψος 2-3Km. Σο στρώμα αυτό χαρακτηρίζεται ως στρώμα του όζοντος και απορροφώντας την βλαβερή υπεριώδη ακτινοβολία του ήλιου προστατεύει τα έμβια όντα της γης και τα φυτά από την καταστροφή του DNA τους. Μέχρι το 1979, η συγκέντρωση του όζοντος στο στρώμα αυτό κυμαινόταν στην περιοχή των 22 Dobson Units. Σο 198, όμως, τόσο επίγειες όσο και δορυφορικές μετρήσεις κατέγραψαν για πρώτη φορά συγκέντρωση όζοντος κάτω από την χαρακτηριστική τιμή και άρχισαν να φαίνονται τα πρώτα σημάδια ανησυχίας από την επιστημονική κοινότητα ότι το φυσικό αντιηλιακό της γης φθίνει. Η μείωση παρατηρήθηκε πάνω από το Νότιο Πόλο του μήνες Αύγουστο, επτέμβριο, Οκτώβριο (άνοιξη Νοτίου Ημισφαιρίου) και ονομάστηκε τρύπα του όζοντος καθώς επέτρεπε σαν άνοιγμα την διέλευση μεγάλου μέρους των βλαβερών ακτινών του ήλιου. την πραγματικότητα, σε καμία περιοχή η συγκέντρωση του όζοντος δεν είναι μηδενική. Ο όρος τρύπα χρησιμοποιείται μεταφορικά για να χαρακτηρίσει την περιοχή όπου η συγκέντρωση του όζοντος πέφτει κάτω από την ιστορική τιμή των 22 DU. Δηθόλα 1, Καηαθόξπθε θαηαλνκή ηνπ όδνληνο πάλσ από ηνλ Νόηην Πόιν. Με κπιε γξακκή θαίλεηαη ε θαηαλνκή ηνπ όδνληνο πξηλ ην Με θόθθηλν ρξώκα θαίλεηαη ε θαηαλνκή ηνπ όδνληνο ιόγσ ηεο ηξύπαο ηνπ όδνληνο. Με πξάζηλν ρξώκα θαίλεηαη ε θαηαθόξπθε θαηαλνκή ηεο ζεξκνθξαζίαο. Από το 1979, που παρατηρήθηκε το ελάχιστο των 194 DU, και για αρκετά χρόνια η τρύπα του όζοντος παρέμενε σε χαμηλά επίπεδα (~19DU). Σα έτη 1982, 1983 και 1985 μετρήθηκαν ακόμη πιο χαμηλές τιμές (173, 154 και 124 DU αντίστοιχα), ενώ κάτω των 1 DU έπεσε για πρώτη φορά το Η μικρότερη τιμή που καταγράφηκε ποτέ ήταν στις 3 επτεμβρίου 1994και ήταν στα 73 DU. 6

7 Δύο είναι οι παράμετροι που χαρακτηρίζουν την τρύπα του όζοντος, το βάθος (η συγκέντρωση του όζοντος) και η έκταση της. Σόσο η μια όσο και η άλλη παράμετρος μεγάλωναν σημαντικά και παράλληλα την δεκαετία του 198. Οι ετήσιες διακυμάνσεις στις δύο παραμέτρους οφείλονται στις μεταβολές της θερμοκρασίας και της κυκλοφορίας της στρατόσφαιρας. Χυχρότερες συνθήκες οδηγούν σε μεγαλύτερες τιμές στο βάθος και στην έκταση της τρύπας. Η τρύπα του όζοντος στην Ανταρκτική είναι ένα φαινόμενο στη δημιουργία του οποίου σημαντικό ρόλο παίζουν: η ακτινοβολία, οι χημικές αντιδράσεις και οι δυναμικές διαδικασίες της στρατόσφαιρας. Με τη μεταφορά που συμβαίνει λόγω δυναμικών αιτιών αέριες μάζες μετακινούνται από τα μικρά και μέσα γεωγραφικά πλάτη προς τα μεγάλα γεωγραφικά πλάτη. Με τη διαδικασία αυτή μεταφέρονται από τις βιομηχανικές περιοχές προς τη στρατόσφαιρα της Ανταρκτικής διάφορες χημικές ενώσεις. Κατά τη διάρκεια του χειμώνα, ο ασύμμετρος κυκλωνικός στρόβιλος του νότιου πόλου διαταράσσεται λιγότερο από τη δράση των κυμάτων Rossby σε σχέση με τον ασύμμετρο κυκλωνικό στρόβιλο του βορείου πόλου με αποτέλεσμα την εντονότερη ψύξη λόγω ακτινοβολίας (η θερμοκρασία πάνω από το νότιο πόλο είναι της τάξεως - 8 ο C, περίπου κατά 2 ο C μικρότερη από την αντίστοιχη θερμοκρασία του βόρειου πόλου). ε αυτές τις πολύ χαμηλές θερμοκρασίες, παρά τις γενικά χαμηλές συγκεντρώσεις σε υδρατμούς στη πολική στρατόσφαιρα, μπορούν να σχηματιστούν πολικά στρατοσφαιρικά νέφη (Polar Stratospheric Clouds - PCSs), στο εσωτερικό των οποίων λαμβάνουν χώρα κρίσιμες χημικές αντιδράσεις που παράγουν τις καταστροφικές για το όζον ενώσεις του χλωρίου. Οι αντιδράσεις αυτές, εφόσον χρειάζονται την παρουσία ηλιακής ακτινοβολίας για την πραγματοποίηση τους, συμβαίνουν κατά το τέλος του χειμώνα και στην αρχή της άνοιξης του Νοτίου Ημισφαιρίου (Αύγουστος, επτέμβριος, Οκτώβριος), διότι τότε μόλις φτάνει το πρώτο ηλιακό φως στο Νότιο Πόλο. Σην περίοδο αυτή η υπεριώδης ακτινοβολία από τον ήλιο που φθάνει στο νότιο ημισφαίριο είναι ισχυρή και επομένως ικανή να διασπάσει του χλωροφθοράνθρακες σε άτομα χλωρίου (Cl) και βρωμίου. Από τα μέσα της άνοιξης, ο πολικός στρόβιλος διαλύεται και, με τη μεσημβρινή στρατοσφαιρική κυκλοφορία που αναπτύσσεται, αέρας φτωχός σε όζον μεταφέρεται προς τα μικρότερα γεωγραφικά πλάτη και έτσι οδηγούμαστε στην ελάττωση του στρατοσφαιρικού όζοντος σε ευρύτερες περιοχές. Σα καταστροφικά για το όζον αέρια είναι αέρια που προέρχονται είτε από φυσικές πηγές είτε από τις δραστηριότητες του ανθρώπου. Μπορούν να μείνουν για μεγάλα χρονικά διαστήματα στην ατμόσφαιρα, οπότε προλαβαίνουν να μεταφερθούν στις πολικές περιοχές και να αντιδράσουν μέσα στο πολικά στρατοσφαιρικά νέφη, ή να μείνουν για μικρούς χρόνους, οπότε η δράση τους περιορίζεται στην τροπόσφαιρα των μικρών και μεσαίων γεωγραφικών πλατών. Είναι χημικές ενώσεις του χλωρίου και του βρωμίου, οι οποίες μέχρι να ελευθερώσουν τα άτομα του χλωρίου και του βρωμίου δεν προκαλούν καμία καταστροφή στο όζον. Σα πιο σημαντικά ανθρωπογενή αέρια από άποψη συμμετοχής στην καταστροφή του όζοντος είναι η ομάδα των χλωροφθορανθράκων (CFCs), ο τετραχλωρικός άνθρακας (CCl4) και το μεθυλο-χλωροφόρμιο (CH3CCl3). Οι χλωροφθοράνθρακες είναι χημικές ενώσεις που περιέχουν άτομα άνθρακα, χλωρίου 7 7

8 και φθορίου και χρησιμοποιούνται από τον άνθρωπο από το 192 στα ψυγεία ως ψυκτικά μέσα, στα σπρέι, στα κλιματιστικά χώρου, στον καθαρισμό μετάλλων και ηλεκτρονικών στοιχείων. Οι χλωροφθοράνθρακες, εκτός από την καταστροφή που προκαλούν στο όζον της στρατόσφαιρας, ανήκουν ταυτόχρονα και στην κατηγορία των θερμοκηπικών αερίων. Σα τελευταία χρόνια έχουν αποσυρθεί από την αγορά, αλλά πολλά από τα αέρια που τους αντικατέστησαν συμβάλλουν επίσης στην υπερθέρμανση του πλανήτη. Άλλα αέρια καταστροφής του όζοντος είναι τα «halons» και το μεθυλοβρωμίδιο (CH3Br) και αποτελούν τις σημαντικότερες πηγές ατόμων βρωμίου στην ατμόσφαιρα. Ta halons είναι αλογονομένοι υδρογονάνθρακες και χρησιμοποιούνταν αρχικά στην πυρόσβεση και μετά για την προστασία μεγάλων ηλεκτρονικών υπολογιστών, στρατιωτικών ηλεκτρονικών διατάξεων και στις μηχανές των αεροσκαφών. Σο μεθυλοβρωμίδιο χρησιμοποιούνταν ως καπνογόνο στην γεωργία. Όλα τα παραπάνω αέρια έχουν το χαρακτηριστικό ότι δεν είναι υδατοδιαλυτά οπότε δεν αποπλένονται από την ατμόσφαιρα με την βροχή. Ψς αποτέλεσμα μεταφέρονται στην στρατόσφαιρα και μετά παρασυρμένα από την ατμοσφαιρική κυκλοφορία μεταφέρονται στους πόλους. Εκεί, συγκεντρώνονται στα πολικά στρατοσφαιρικά νέφη και με την παρουσία ορατής ηλιακής ακτινοβολίας αντιδρούν σύμφωνα με τους προαναφερθέντες κύκλους αντιδράσεων 2 και 3. Άλλες πηγές χημικών ενώσεων του χλωρίου και του βρωμίου πάλι από ανθρώπινες δραστηριότητες είναι η απολύμανση κολυμβητικών πισινών, η καύση ορυκτών πόρων και οι διάφορες βιομηχανικές δραστηριότητες. Σα αέρια από τις πηγές αυτές είτε δεν εκπέμπονται σε μεγάλες ποσότητες είτε μένουν για μικρά χρονικά διαστήματα στην τροπόσφαιρα, οπότε η συνεισφορά τους στην τρύπα του όζοντος δεν είναι σημαντική. 8 Δηθόλα 2, Πνιηθά ζηξαηνζθαηξηθά λέθε ζηελ Αληαξθηηθή, όπνπ νη παγσκέλνη θξύζηαιινη πξνζθέξνπλ ηελ επηθάλεηα ηνπο γηα λα ιάβνπλ ρώξα ρεκηθέο αληηδξάζεηο απειεπζέξσζεο αηόκσλ ρισξίνπ, πνπ είλαη θαηαζηξνθηθά γηα ην όδνλ (Πηγή: 8

9 Κάποια από τα αέρια στην στρατόσφαιρα που αποτελούν πηγές ατόμων χλωρίου και βρωμίου προέρχονται από φυσικές πηγές και όχι από ανθρώπινες δραστηριότητες. Σα αέρια αυτά είναι το μεθυλοχλωρίδιο (CH3Cl) και το μεθυλοβρωμίδιο (CH3Br) και εκπέμπονται από τα ωκεάνια και τα εδαφικά οικοσυστήματα. Σ 17% των ατόμων χλωρίου και το 3% των ατόμων βρωμίου στην στρατόσφαιρα προέρχονται από αυτά τα δύο αέρια, δηλαδή από φυσικές πηγές. Επίσης το βρωμοφόρμιο (CHBr3) που ελευθερώνεται στην ατμόσφαιρα από τους ωκεανούς είναι πηγή για τα άτομα βρωμίου, αλλά έχει μικρό χρόνο ζωής και έτσι δεν φθάνει στην στρατόσφαιρα παρά ένα μικρό μόνο ποσοστό (με μεγάλη αβεβαιότητα υπολογίζεται στο 24%). Σο αντίστοιχο ποσοστό για τα άτομα χλωρίου που φθάνουν στην στρατόσφαιρα και οφείλονται σε αέρια με μικρή διάρκεια ζωής είναι ακόμη μικρότερο (3%) και οι πηγές αυτών των αερίων συγκαταλέγονται στα «λοιπά αέρια» της Εικόνας 5. 9 Δηθόλα 3, Πξνέιεπζε ησλ αέξησλ ρεκηθώλ ελώζεσλ ηεο ζηξαηόζθαηξαο (Πηγή: United Nations Environment Programme Ozone Secretariat) Ο χρόνος ζωής ενός αερίου ορίζεται ως ο χρόνος για την απομάκρυνση του 6% του αερίου από την ατμόσφαιρα. Σα halogens απομακρύνονται είτε με φυσικό τρόπο είτε αντιδρώντας χημικά οπότε μετατρέπονται σε άλλες ουσίες. Ο χρόνος ζωής κυμαίνεται από 1 σε 1 χρόνια για τα σημαντικότερα αέρια-πηγές των ατόμων χλωρίου και βρωμίου στην στρατόσφαιρα. Σα υπόλοιπα αέρια (HCFCs, μεθυλοβρωμίδιο, μεθυλοχλωρίδιο και τα πολύ μικρής ζωής αέρια) σχεδόν καταστρέφονται στην τροπόσφαιρα και συμβάλλουν πολύ λίγο στην καταστροφή του όζοντος στην στρατόσφαιρα. 9

10 Επίλογος 1 ου κεφαλαίου Ο άνθρωπος τις τελευταίες δεκαετίες με τις δραστηριότητες του κατόρθωσε να αυξήσει τις συγκεντρώσεις του βλαβερού όζοντος που βρίσκεται στα κατώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας και να ελαττώσει τις συγκεντρώσεις του ωφέλιμου στρατοσφαιρικού όζοντος. Η τρύπα του όζοντος ήταν η αφορμή για να δει ο κόσμος πόσο η ανθρώπινη δραστηριότητα μπορεί να επηρεάσει αρνητικά την ποιότητα της ατμόσφαιρας της γης. Οι χλωροφθοράνθρακες χρησιμοποιούνταν σε πάρα πολλά προϊόντα που χρησιμοποιούσε ο άνθρωπος από το 193 αλλά δεν φαινότανε η αρνητική του επίδραση στο κλίμα της γης μέχρι πρόσφατα. Για δεκαετίες παραγόμενα από την ανθρώπινη δραστηριότητα παρέμεναν χαμηλά στην τροπόσφαιρα χωρίς να φθίνουν και χωρίς να αντιδρούν χημικά. Από την στιγμή που μεταφέρθηκαν μέσω της ατμοσφαιρικής κυκλοφορίας στην στρατόσφαιρα αποκαλύφθηκε η σκοτεινή τους δράση. Από το 1985 που έγινε γνωστή στην διεθνή κοινότητα η μείωση του στρατοσφαιρικού όζοντος πάνω από την Ανταρκτική, έγιναν προσπάθειες για την μείωση των χημικών ανθρωπογενών ουσιών που συνδέονταν με την Σρύπα του Όζοντος. Πρώτα με την υνθήκη της Βιέννης (1985), που υπογράφηκε από 2 χώρες, και έπειτα πιο δυναμικά με το Πρωτόκολλο του Μόντρεαλ (1987), που έγινε αποδεκτό από όλες τις χώρες του κόσμου, ξεκίνησε η προσπάθεια μείωσης και απαγόρευσης των χημικών ουσιών των βλαβερών για το όζον. Σο 199 και το 1992, έγιναν τροποποιήσεις στο Πρωτόκολλο του Μόντρεαλ για να προστεθούν αυστηρότεροι όροι. 1 Δηθόλα 4, Η ηξύπα ηνπ όδνληνο πάλσ από ηνλ Νόηην Πόιν. Με ηνλ ρξσκαηηθό δείθηε θαίλεηαη ην βάζνο ηεο ηξύπαο (ε ζπγθέληξσζε ηνπ όδνληνο ζε Dobson Units), ελώ ζην ηζηόγξακκα θαίλεηαη ε έθηαζε απηήο (ζε εθαηνκκύξηα km 2 ). (Πηγή: ύμφωνα με τους υπολογισμούς, το 8% του χλωρίου (και του παρόμοιας δραστικότητας βρωμίου) στην στρατόσφαιρα προέρχεται από την ανθρώπινη δραστηριότητα και όχι από φυσικές πηγές. Σα τελευταία δεκαπέντε χρόνια, με την 1

11 απαγόρευση χρήσης προϊόντων που απελευθερώνουν στην ατμόσφαιρα χλωροφθοράνθρακες, παρατηρήθηκε ανάσχεση στην αραίωση του όζοντος της στρατόσφαιρας. Ψστόσο, οι απώλειες είναι ακόμη εμφανείς πάνω από τις περιοχές των πόλων και κυρίως πάνω από την Ανταρκτική. Σα μοντέλα δείχνουν ότι η συγκέντρωση του χλωρίου και των καταστρεπτικών για το όζον ουσιών θα πέσουν στις κανονικές τιμές μετά τα μέσα του 21 ου αιώνα και ότι το στρώμα του όζοντος πάνω από την Ανταρκτική θα αποκατασταθεί μετά το 24. Ψστόσο, η σύγχρονη αύξηση των θερμοκηπικών αέριών και η άνοδος της θερμοκρασίας εξαιτίας του φαινομένου αυτού θα εμποδίσουν την αποκατάσταση του στρώματος του όζοντος πάνω από την περιοχή των τροπικών και στα μέσα-νότια γεωγραφικά πλάτη. τις παρακάτω εικόνες φαίνεται το μέγεθος και το σχήμα της τρύπας του όζοντος από το 1979 έως το 28. Οι μετρήσεις της συγκέντρωσης της ολικής στήλης όζοντος στο διάστημα προέρχονται από το φασματόμετρο της NASA (NASA s Total Ozone Mapping Spectrometer - TOMS). τις εικόνες οι περιοχές με μωβ και σκούρο μπλε χρώμα δείχνουν την χαμηλή συγκέντρωση του όζοντος πάνω από την περιοχή του Νοτίου Πόλου. Οι χάρτες δείχνουν την εξέλιξη της τρύπας του όζοντος από τότε από τότε που ανιχνεύθηκε για πρώτη φορά μέχρι την τελευταία μέρα που μετρήθηκε χαμηλή συγκέντρωση όζοντος ξανά Χημικές αντιδράσεις παραγωγής και καταστροφής του όζοντος Σο όζον στην ατμόσφαιρα συμμετέχει σε χημικές αντιδράσεις που οδηγούν είτε στην παραγωγή είτε στην καταστροφή αυτού. την στρατόσφαιρα το όζον που υπάρχει αποκαλείται το «ωφέλιμο» ή «καλό» όζον γιατί απορροφώντας τις υπεριώδεις ακτίνες του ήλιου προστατεύει από οξειδωτικές βλάβες τα βιομόρια, δηλαδή τον άνθρωπο από την αύξηση των περιπτώσεων καρκίνων του δέρματος αλλά και τα φυτά και ζώα από την καταστροφή του DNA τους. Εκτιμάται ότι το 9% του όζοντος της ατμόσφαιρας είναι το καλό όζον και βρίσκεται στην στρατόσφαιρα. Σο στρώμα του όζοντος στην στρατόσφαιρα σταματάει τελείως την διέλευση της UV-c συνιστώσας της ακτινοβολίας του ήλιου, που είναι η πιο επιβλαβής για την ανθρώπινη υγεία. Αφήνει να περάσουν μέρος της UV-b και όλη η UV-a ακτινοβολίες (UV-c: 1-28nm, UV-b: nm, UV-a: 319-4nm). Δηθόλα 5, Γηαπεξαηόηεηα ηνπ ζηξώκαηνο ηνπ όδνληνο ζηηο ζπληζηώζεο ηεο ειηαθήο αθηηλνβνιίαο 11

12 Σο υπόλοιπο 1% βρίσκεται στην τροπόσφαιρα και ονομάζεται το «κακό» όζον, καθώς εκεί συμμετέχει σε φωτοχημικές αντιδράσεις που οδηγούν στην παραγωγή χημικών ουσιών επιβλαβών για την υγεία των ανθρώπων. Πολύ χαμηλά στην τροπόσφαιρα, σε ύψος 2-3km από την επιφάνεια της γης, η συγκέντρωση του όζοντος τις τελευταίες δεκαετίες αυξάνεται. Η αύξηση αυτή οφείλεται στην ρύπανση της ατμόσφαιρας στα αστικά περιβάλλοντα, από τα καυσαέρια των αυτοκινήτων και από τις βιομηχανίες καύσης ορυκτών καυσίμων. 12 Δηθόλα 6, Καηαθόξπθε θαηαλνκή ηνπ όδνληνο ζηελ αηκόζθαηξα Παραγωγή του όζοντος στην στρατόσφαιρα και στην τροπόσφαιρα την στρατόσφαιρα το όζον δημιουργείται από την αντίδραση του μοριακού και ατομικού οξυγόνου παρουσία υπεριώδους ακτινοβολίας. υνεπώς, οι περιοχές με μικρά γεωγραφικά πλάτη, που δέχονται περισσότερη υπεριώδη ακτινοβολία από τον ήλιο, χαρακτηρίζονται από μεγαλύτερες συγκεντρώσεις όζοντος. Οι αντιδράσεις φυσικής παραγωγής και καταστροφής του όζοντος στην στρατόσφαιρα ονομάζονται αντιδράσεις Chapman. Αρχικά το μοριακό οξυγόνο διασπάται σε ατομικό από την υπεριώδη ηλιακή ακτινοβολία και στη συνέχεια το μοριακό και το ατομικό οξυγόνο αντιδρούν και δίνουν μόρια όζοντος. Οι αντιδράσεις παραγωγής Chapman είναι οι εξής: O2 hv( 24 nm) O O O O M O M 2 3 Σο μοριακό οξυγόνο αποτελεί το 21% των μορίων στην ατμόσφαιρα, οπότε η αντίδραση παραγωγής του όζοντος είναι μια φυσική διαδικασία. υμβαίνει στα μικρά και μεσαία γεωγραφικά πλάτη όπου φθάνει μεγάλο μέρος της ηλιακής υπεριώδους ακτινοβολίας. τα μεγάλα γεωγραφικά πλάτη του Νοτίου Ημισφαιρίου μόνο κατά τους μήνες Δεκέμβριο με Μάρτιο που είναι το καλοκαίρι της Ανταρκτικής και στο Βόρειο Ημισφαίριο κατά τους μήνες Ιούνιο, Ιούλιο και Αύγουστο. Η θεωρία Chapman προέβλεπε την παραγωγή όζοντος με μια ακολουθία αντιδράσεων. ύμφωνα με αυτήν το προφίλ της κατανομής του όζοντος στην 12

13 ατμόσφαιρα ήταν διαφορετικό από το μετρούμενο (βλέπε Εικόνα 7). Αυτό οδήγησε στο συμπέρασμα ότι κάτι έλειπε από την θεωρία Chapman για την παραγωγή ή την καταστροφή του όζοντος. 13 Δηθόλα 7, Καηαθόξπθε θαηαλνκή όδνληνο θαζ ύςνο, όπσο ππνινγίδεηαη από ηελ ζεσξία Chapman (δηαθεθνκκέλε γξακκή) θαη όπσο θαηαγξάθεηαη κε όξγαλα (ζπλερήο γξακκή) [Πηγή: R. P. Wayne, Chemistry of the Atmospheres] Η διαφορά ανάμεσα στις μετρήσεις και τους υπολογισμούς από την θεωρία Chapman οδήγησαν στην προσθήκη επιπλέον καταλυτικών κύκλων καταστροφής όζοντος (αναλυτικά αναφέρονται στην επόμενη ενότητα). την τροπόσφαιρα το όζον παράγεται από την αντίδραση χημικών ουσιών, που είναι είτε ρύποι αστικού περιβάλλοντος (οξείδια του αζώτου) είτε φυσικές ουσίες (υδρογονάνθρακες) παρουσία πάντα της ηλιακής ακτινοβολίας. Αυτοί οι δύο είναι οι λόγοι που το τροποσφαιρικό όζον παράγεται κυρίως στα αστικά περιβάλλοντα κατά την διάρκεια της ημέρας και ιδιαίτερα στους καλοκαιρινούς μήνες. Καθώς η θερμοκρασία αυξάνει κατά την διάρκεια της ημέρας, η ηλιακή ενέργεια επιταχύνει αυτές τις χημικές αντιδράσεις με αποτέλεσμα την αύξηση της ποσότητας όζοντος που παράγεται. Η παραγωγή τροποσφαιρικού όζοντος δεν μπορεί να ανατρέψει την εξέλιξη της τρύπας του όζοντος καθώς το όζον που παράγεται κοντά στην επιφάνεια της γης δεν μπορεί να μεταφερθεί στην στρατόσφαιρα και δεν είναι σημαντικό σε μέγεθος. Η καύση των ορυκτών καυσίμων και τα καυσαέρια των αυτοκινήτων αποτελούν την κύρια πηγή των καταστροφικών οξειδίων του αζώτου. Για μήκη κύματος μικρότερα των 43nm, το NO2 φωτολύεται και το ατομικό οξυγόνο που σχηματίζεται αντιδρά με το μοριακό και δίνει όζον. Οι δύο αντιδράσεις συνιστούν έναν μηδενικό κύκλο αφού τελικά δεν υπερισχύει ούτε η παραγωγή ούτε η καταστροφή του όζοντος. NO hv O NO 2 O O O

14 Εκτός από τα οξείδια του αζώτου (ΝΟχ), άλλες ενώσεις που οδηγούν στον σχηματισμό όζοντος είναι το μονοξείδιο του άνθρακα (CO) και οι πτητικές οργανικές ενώσεις (VOCs). Οι αντιδράσεις είναι αντίστοιχες για όλες τις ενώσεις και ξεκινούν από την αντίδραση τους με την ρίζα υδροξυλίου (εδώ χρησιμοποιείται το CO). 14 OH CO H CO H O M HO M την περίπτωση απουσίας των ΝΟχ, η ρίζα ΗΟ2 μετατρέπεται πάλι σε υδροξύλιο και καθίσταται σύντομα μια ισορροπία μεταξύ παραγωγής και καταστροφής του ΟΗ. HO2 O3 O2 OH Όταν το ΝΟ φθάνει σε ποσοστό μεγαλύτερο από 1pptv, το ΗΟ2 οδηγεί στην παραγωγή όζοντος. Σα ΟΗ και ΝΟ αναπαράγονται συνεχώς, το ΝΟ μετατρέπεται σε ΝΟ2 χωρίς να καταναλώνει το όζον και το αποτέλεσμα είναι η καθαρή παραγωγή Ο3. HO NO OH NO 2 2 NO hv NO O 2 O O O 2 3 Καταστροφή του όζοντος στην στρατόσφαιρα και στην τροπόσφαιρα Η παραγωγή του όζοντος στην στρατόσφαιρα εξισορροπείται από την φυσική καταστροφή αυτού, για την οποία ευθύνονται πλήθος χημικών ουσιών (μη ανθρωπογενών) που αντιδρούν με το όζον. Η ισορροπία διαταράσσεται όταν οι ανθρωπογενείς ουσίες που καταστρέφουν το όζον υπερέχουν των φυσικών ουσιών οπότε η καταστροφή του όζοντος στην ατμόσφαιρα υπερέχει της παραγωγής αυτού. Η καταστροφή του στρατοσφαιρικού όζοντος πραγματοποιείται σε 3 διαφορετικούς κύκλους αντιδράσεων, όπου τα χημικά στοιχεία που μετέχουν είναι τα ιδιαίτερα δραστικά αέρια αλογόνα. Σα πιο σημαντικά από αυτά από άποψη καταστροφής του όζοντος είναι το μονοξείδιο του χλωρίου (ClO), το μονοξείδιο του βρωμίου (BrO), το ατομικό χλώριο (Cl) και το ατομικό βρώμιο (Br). Κύκλος 1: Ο πρώτος κύκλος αντιδράσεων φαίνεται στο παρακάτω σχήμα και αποτελείται από δύο επιμέρους αντιδράσεις. Για να λάβουν χώρα απαιτείται η παρουσία έντονης υπεριώδους ακτινοβολίας ώστε να παραχθεί ατομικό οξυγόνο από το διατομικό, που βρίσκεται ελεύθερο στην ατμόσφαιρα. Για αυτό το λόγο η καταστροφή του στρατοσφαιρικού όζοντος με αυτό τον τρόπο λαμβάνει χώρα στα μικρά και μεσαία γεωγραφικά πλάτη. ClO O Cl O Cl O ClO O ( Net) O O 2O

15 Πρώτα, το μονοξείδιο του χλωρίου αντιδρά με ένα άτομο οξυγόνου για την παραγωγή ενός ατόμου χλωρίου και μοριακού οξυγόνου. την συνέχεια ένα άτομο χλωρίου αντιδρά με ένα άτομο όζοντος και καταστρέφεται έτσι το όζον. Επειδή, όμως, στην δεύτερη αντίδραση παράγεται μονοξείδιο του χλωρίου, το οποίο θα προκαλέσει νέο κύκλο αντιδράσεων με αποτέλεσμα την παραγωγή ξανά του ίδιου ατόμου χλωρίου, προκύπτει ότι ένα άτομο χλωρίου προκαλεί την καταστροφή εκατοντάδων ατόμων όζοντος και όχι μόνο ενός. τον παραπάνω κύκλο αντιδράσεων το ατομικό χλώριο δρα σαν καταλύτης σε μια συνολική αντίδραση καταστροφής ενός ατόμου όζοντος από ένα άτομο οξυγόνου. Ο κύκλος σταματάει όταν το ατομικό χλώριο αντιδράσει με ένα άλλο χημικό αέριο εκτός του όζοντος. Οι αντιδράσεις του Κύκλου 1 γίνονται και με άλλες ενώσεις εκτός του χλωρίου, οι οποίες ανήκουν στις «οικογένειες» HOx, NOx and ClOx. Οι χημικές ενώσεις της κάθε οικογένειας και η προέλευση τους στην ατμόσφαιρα είναι οι εξής: HOx- OH, HO2; (O(1D)+H2O; O(1D)+CH4) NOx- NO, NO2; (Αστραπές; Ιονόσφαιρα; O(1D)+N2O ClOx- ClO; (CH3Cl + hv; CF2Cl2 + hv; Ανθρωπογενείς εκπομπές) Οι καταλυτικοί κύκλοι των ενώσεων των οικογενειών αυτών είναι αυτοί που έλειπαν από την θεωρία Chapman και οδήγησαν αρχικά στην απόκλιση υπολογισμών και μετρήσεων. 15 Δηθόλα 8, Γξαθηθή απεηθόληζε ησλ αληηδξάζεσλ (θύθινπ 1) θαηαζηξνθήο ηνπ όδνληνο Κύκλοι 2 και 3: Οι κύκλοι αντιδράσεων 2 και 3 όπως περιγράφονται στη συνέχεια λαμβάνουν χώρα κυρίως στις πολικές περιοχές. Σο μονοξείδιο του χλωρίου που απαιτείται για την πραγματοποίηση των αντιδράσεων αυτών είναι άφθονο στα πολικά στρατοσφαιρικά νέφη και κάνει την καταστροφή του όζοντος με αυτόν τον τρόπο περισσότερο πιθανή σε σχέση με τον κύκλο 1. 15

16 ύ 2 ClO ClO ( ClO) ( ClO) sunlight ClOO Cl 2 ClOO Cl O 2( Cl O ClO O ) ( Net)2O 3O 3 2 ύ 3 ClO BrO Cl Br O ClO BrO BrCl O2 or BrCl sunlight Cl Br Cl O ClO O 3 2 Br O BrO O 3 2 ( Net)2O 3O Η πραγματοποίηση των αντιδράσεων αυτών απαιτεί την ύπαρξη ορατής ηλιακής ακτινοβολίας. Έτσι, στην άνοιξη και προς το καλοκαίρι της Ανταρκτικής όπου η πρώτη ηλιακή ακτινοβολία που φθάνει στην στρατόσφαιρα της μετά τον σκοτεινό χειμώνα είναι κυρίως ορατή και όχι υπεριώδης η καταστροφή του όζοντος με τους κύκλους 2 και 3 λαμβάνει χώρα σε μεγάλο βαθμό. Σην ίδια περίοδο η παραγωγή του όζοντος είναι αδύνατη αφού απαιτεί την παρουσία υπεριώδους ακτινοβολίας. την τροπόσφαιρα το όζον καταστρέφεται με την παρακάτω αντίδραση. Η αντίδραση αυτή είναι πιο σημαντική την νύχτα όπου λόγω απουσία ηλιακής ακτινοβολίας δεν είναι ισχυρή η παραγωγή όζοντος στην τροπόσφαιρα. NO O3 NO2 O2 1.3 Φυσικές μεταβολές του όζοντος 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 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. τους 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. Η μεταβολή στην συγκέντρωση του όζοντος είναι και χρονική. Σο όζον της στρατόσφαιρας μεταβάλλεται σε ημερήσια, εποχική, ετήσια ή και σε ακόμα μεγαλύτερης διάρκειας βάση. Η μεγαλύτερης διάρκειας μεταβολή πιο πιθανό είναι να 16

17 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. Ψστόσο, όλες οι χρονικές μεταβολές στην συγκέντρωση του όζοντος, ημερήσια, εποχική και ετήσια, οφείλονται κατά κύριο λόγο στην μεταβολή της εισερχόμενης ηλιακής ακτινοβολίας Μονάδες μέτρησης του όζοντος Σο όζον μετράται σε μονάδες Dobson-Units. Μια μέση τιμή της συγκέντρωσης του όζοντος σε περιοχές που το στρώμα του όζοντος δεν υφίσταται μείωση είναι τα 3DU, ενώ στην Ανταρκτική εξαιτίας της τρύπας του όζοντος η τιμή αυτή πέφτει κατά μέσο όρο στα 1DU. Σο όζον, ως χημικό στοιχείο της ατμόσφαιρας, δεν βρίσκεται συγκεντρωμένο σε ένα στρώμα πάχους μερικών χιλιομέτρων, αλλά είναι διασκορπισμένο σε όλα τα ύψη από την επιφάνεια της γης μέχρι το άνω όριο της ατμόσφαιρας. Σο μεγαλύτερο μέρος αυτού, όμως, βρίσκεται στην στρατόσφαιρα, δηλαδή μεταξύ των 2 και 3Km. Για αυτό έχει επικρατήσει να ονομάζεται «στρατοσφαιρικό όζον» και αντίστοιχα «στρώμα όζοντος». Ψστόσο, για τον υπολογισμό της συγκέντρωσης του όζοντος σε μονάδες Dobson-Units χρησιμοποιείται η κατακόρυφη στήλη που εκτείνεται από την επιφάνεια της γης μέχρι το άνω όριο της ατμόσφαιρας και υπολογίζεται η συγκέντρωση του όζοντος μέσα σε αυτήν. Αν υπήρχε ένας σφαιρικός φλοιός γύρω από την επιφάνεια της γης ο οποίος θα περιείχε μόνο το όζον της ατμόσφαιρας σε κανονικές συνθήκες θερμοκρασίας και πίεσης ( o C, 1atm) τότε το πάχος του φλοιού αυτού δεν θα ξεπερνούσε τα 3mm, δηλαδή αντίστοιχα τα 3DU. Έτσι προκύπτει ότι, 1DU αντιστοιχεί στον αριθμό των μορίων του όζοντος που περιέχονται σε,1mm αυτού του σφαιρικού φλοιού σε Κ πίεσης και θερμοκρασίας. Εναλλακτικός ορισμός είναι ότι μια κατακόρυφη στήλη με συγκέντρωση όζοντος 1DU περιέχει 2.69χ1 16 μόρια Ο3 ανά cm 2 της κάτω επιφάνειας της στήλης. Αν σκεφτούμε πως σε κανονικές συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας η ατμόσφαιρα της γης θα καταλάμβανε τον όγκο σφαιρικού φλοιού με πάχος μόλις 5Km ενώ το στρώμα του όζοντος μόλις τα 3mm, μπορούμε να αντιληφθούμε πόσο αραιά διασκορπισμένο είναι το όζον μέσα στην ατμόσφαιρα. Σο υποθετικό αυτό στρώμα όζοντος των 3mm θα είχε το ίδιο πάχος σε όλη την επιφάνεια της Γης, με εξαίρεση το τμήμα πάνω από την Ανταρκτική όπου το ύψος του σφαιρικού φλοιού θα ήταν κατά μέσο όρο 1mm. 17

18 18 Δηθόλα 9, Μνλάδα κέηξεζεο ηεο νιηθήο ζηήιεο όδνληνο (Dobson Units) 1.5 Τεχνικές μέτρησης όζοντος Οι μέθοδοι μέτρησης του όζοντος διακρίνονται σε επίγειες και δορυφορικές και αφορούν είτε την μέτρηση της ολικής στήλης όζοντος είτε την κατακόρυφη κατανομή αυτού. Η μέτρηση της ολικής στήλης όζοντος γίνεται με όργανα επίγειας και δορυφορικής τηλεπισκόπησης, που μετρούν στο φάσμα απορρόφησης του όζοντος μεταξύ 3 και 34nm. Σα όργανα στο έδαφος μετρούν τρεις ακτινοβολίες, την άμεση ηλιακή, την άμεση σεληνιακή και αυτήν στοχεύοντας στο ζενίθ του ουρανού. Σα πιο διαδεδομένα (στις χώρες που ανήκουν στο Global Atmosphere Watch Program της WMO) είναι τα φασματοφωτόμετρα Dobson και Brewer και το φίλτρο Μ-124 οζονομέτρησης. Σα όργανα σε δορυφόρο μετρούν την υπεριώδη ηλιακή ακτινοβολία που σκεδάζεται από την γήινη ατμόσφαιρα προς το διάστημα. Η μέτρηση της κατακόρυφης κατανομής όζοντος πραγματοποιείται με 4 τρόπους: α) με οζοντοβόλιση, β) με LIDAR, γ) με φασματοφωτόμετρο Dobson ή Brewer και δ) λοιπά όργανα δορυφορικών μετρήσεων. Η μέθοδος της οζοντοβόλισης είναι η πιο παλιά και τα περισσότερα δεδομένα όζοντος σήμερα οφείλονται σε αυτήν την μέθοδο. Ο τρόπος λειτουργίας της βασίζεται στην κατακόρυφη προς τα επάνω αποστολή ενός ειδικά κατασκευασμένου μπαλονιού στο οποίο προσαρτάται το όργανο μέτρησης, η οζοντοβολίδα. Η οζοντοβολίδα μετρά συναρτήσει του ύψους την συγκέντρωση όζοντος, την θερμοκρασία και την σχετική υγρασία του περιβάλλοντα αέρα και στέλνει τα δεδομένα σε ηλεκτρομαγνητική κύμανση σε επίγειο δέκτη. Με αυτόν τον τρόπο επιτυγχάνεται γνώση της συγκέντρωσης του όζοντος σε διαφορετικά ατμοσφαιρικά επίπεδα μέχρι το ύψος των 35km. Σα φασματοφωτόμετρα Dobson και Brewer είναι όργανα που χρησιμοποιούνται για τις επίγειες μετρήσεις της κατακόρυφης κατανομής του όζοντος. Μετρούν σε εννέα ατμοσφαιρικά στρώματα, που αρχίζουν από την επιφάνεια της γης και φθάνουν 18

19 περίπου μέχρι τα 48km. Η μέθοδος λειτουργίας τους στηρίζεται στην μέθοδο Umkehr, με την οποία υπολογίζεται η καθ ύψος κατανομή του όζοντος με απευθείας μέτρηση της ηλιακής ακτινοβολίας σε δύο επιλεγμένα μήκη κύματος, που απορροφούν το όζον σε διαφορετικό βαθμό. Οι μετρήσεις γίνονται στην ανατολή και την δύση του ηλίου με το όργανο να στοχεύει στο ζενίθ του ουρανού και να μετρά την υπεριώδη ηλιακή ακτινοβολία. το Εργαστήριο Υυσικής της Ατμόσφαιρας λειτουργούν δύο φασματοφωτόμετρα τύπου Brewer, ένας απλός (τύπος MKII) και ένας διπλός (τύπος MKIIΙ) μονοχρωμάτορας. Σο LIDAR (Light Detection and Ranging) είναι ένα όργανο επίγειας τηλεπισκόπησης και μετρά την καθ ύψος κατανομή του όζοντος στην ατμόσφαιρα με την χρήση μιας μονοχρωματικής δέσμης λέιζερ. Σο όργανο στοχεύει συνήθως στο ζενίθ του ουρανού στέλνοντας δέσμη υπεριώδους ακτινοβολίας και μετρώντας ταυτόχρονα τον χρόνο για να επιστρέψει στο όργανο η οπισθοσκεδαζόμενη από τα μόρια και τα σωματίδια της ατμόσφαιρας ακτινοβολία. Η λειτουργία του LIDAR γίνεται σε κλειστό χώρο με ανοιχτή σκεπή και πρέπει να αποφεύγεται η επιρροή από γειτονικές πηγές υπεριώδους ακτινοβολίας. Η υπέρυθρη και η μικρή μήκους κύματος ακτινοβολία, που εκπέμπονται θερμικά από το όζον, αποτελούν το αντικείμενο μέτρησης των δορυφορικών οργάνων. Η μετρούμενη ακτινοβολία σε συνδυασμό με την γωνία παρατήρησης επιτρέπουν στο όργανο τον προσδιορισμό του κατακόρυφου προφίλ του όζοντος στην ατμόσφαιρα

20 2 ΚΕΥΑΛΑΙΟ 2-Δεδομένα 2.1. Μετρήσεις ολικής στήλης όζοντος (MERGED OZONE DATA) Οι μετρήσεις, που χρησιμοποιούνται στην παρούσα εργασία με σκοπό την μελέτη της συγκέντρωσης του όζοντος στην ατμόσφαιρα, προέρχονται από δύο τύπους οργάνων που τοποθετήθηκαν κατά καιρούς σε διάφορες αποστολές. Πρόκειται για τα όργανα TOMS (Total Ozone Mapping Spectrometer) και SBUV (Solar Backscatter Ultra Violet) ή SBUV/2. Από τα δύο όργανα, το TOMS μετρά μόνον ολική στήλη όζοντος, ενώ το SBUV μετρά ολική στήλη όζοντος και κατακόρυφο προφίλ αυτού. Σο σύνολο των μετρήσεων συγχωνεύτηκε σε ένα πακέτο μετρήσεων, που καλύπτει το χρονικό διάστημα από 197 έως σήμερα, γνωστό με το όνομα MOD (Merged Ozone Data) και στο οποίο περιέχονται μέσες μηνιαίες τιμές και πλεγματικές τιμές όζοντος. Με σκοπό να μπορούν να συγχωνευθούν οι μετρήσεις ήταν αναγκαίο να προηγηθεί μια ρύθμιση στα όργανα, στις διάφορες κατά καιρούς αποστολές, ώστε οι μετρήσεις να έχουν κοινή βάση αναφοράς. την συνέχεια φαίνεται σχηματική απεικόνιση των διαφορετικών αποστολών που έλαβαν χώρα από το 197 έως σήμερα και η διάρκεια λειτουργίας καθεμιάς, οι μετρήσεις των οποίων συγχωνεύθηκαν στο πακέτο μετρήσεων MOD. τις αποστολές με μπλέ χρώμα χρησιμοποιήθηκε το όργανο SBUV, ενώ σε αυτές με κόκκινο χρώμα το όργανο TOMS. Επίσης, στην ίδια εικόνα φαίνεται η χρονοσειρά της ολικής στήλης όζοντος σε μονάδες Dobson-Units στο πέρασμα τεσσάρων δεκαετιών από το 197 έως σήμερα. Κάθε τιμή ισούται με την μέση τιμή όλων των μετρήσεων για γεωγραφικά πλάτη από 6 ο Βόρεια έως 6 ο Νότια. Σο όργανο TOMS είναι φασματοφωτόμετρο και μετρά την οπισθοσκεδαζόμενη ηλιακή υπεριώδη ακτινοβολία σε διαφορετικά μήκη κύματος μερικά από τα οποία απορροφούν το όζον της ατμόσφαιρας. Η ηλιακή ακτινοβολία σε αυτά τα μήκη κύματος διεισδύει στην τροπόσφαιρα και ανακλάται είτε από την πυκνή τροπόσφαιρα, είτε από τα σύννεφα, είτε ακόμη και από την επιφάνεια του δορυφόρου την στιγμή της επιστροφής της, οπότε και διασχίζει την ατμόσφαιρα δύο φορές. Η ολική στήλη όζοντος προκύπτει από την σύγκριση δύο μετρήσεων, της οπισθοσκεδαζόμενης ακτινοβολίας που μετράται από το όργανο σε ένα συγκεκριμένο μήκος κύματος που απορροφά το όζον και πάλι της οπισθοσκεδαζόμενης σε μήκος κύματος που δεν απορροφάτε από το όζον. Σα δύο μήκη κύματος που χρησιμοποιούνται σήμερα (Version 8 algorithm) είναι στα 317.5nm και στα 331.2nm. Σα όργανα SBUV και SBUV/2 μετρούν την εισερχόμενη ηλιακή ακτινοβολία και την ακτινοβολία που οπισθοσκεδάζεται από την γήινη ατμόσφαιρα σε 12 μήκη κύματος του υπεριώδες που απορροφούν το όζον. Η διαφορά οφείλεται στην απορροφημένη από το όζον ακτινοβολία, έτσι ώστε η διαφορά εισερχόμενης και εξερχόμενης ακτινοβολίας να σχετίζεται με την ποσότητα του όζοντος στην ατμόσφαιρα. 2

21 21 Δηθόλα 1, α) Σρεκαηηθή απεηθόληζε ησλ δηαζηεκηθώλ απνζηνιώλ θαη ησλ πεξηόδσλ ιεηηνπξγίαο ηνπο, νη κεηξήζεηο ησλ νπνίσλ ζπγρσλεύζεθαλ ζην παθέην MOD, b) Χξνλνζεηξά (197-ζήκεξα) ηεο νιηθήο ζηήιεο όδνληνο (κνλάδεο DU) βαζηζκέλε ζηα δεδνκέλα MOD κεηαμύ ησλ γ. π. 6 ν Βόξεηα - 6 ν Νόηηα Η ακτινοβολία από τα οχτώ μικρότερα μήκη κύματος προτού φθάσει στην επιφάνεια της γης απορροφάτε από το όζον και η οπισθοσκεδαζόμενη που μετράτε από το όργανο και φέρει την πληροφορία σχετίζεται με το συγκεκριμένο ύψος στην ατμόσφαιρα. Η ακτινοβολία στα ολοένα και μεγαλύτερα μήκη κύματος διεισδύει βαθύτερα στην ατμόσφαιρα επιτρέποντας έτσι την κατακόρυφη καταγραφή του προφίλ του όζοντος. Επιπλέον, υπολογίζεται το ολικό όζον από την πρόσθεση των επιμέρους τιμών του όζοντος από την καταγραφή του προφίλ. Αυτός ο τρόπος υπολογισμού κάνει την μέτρηση της στήλης όζοντος να είναι λιγότερο επιβαρυμένη από παράγοντες όπως η ανακλαστικότητα του εδάφους και οι διαδοχικές σκεδάσεις στην τροπόσφαιρα. Ένα τρίτο όργανο, που χρησιμοποιείται σήμερα είναι το OMI (Ozone Monitoring Instrument) και ουσιαστικά αντικαθιστά στην λειτουργία το TOMS, μετρώντας το ολικό όζον. Η τελευταία αποστολή AURA φέρει το όργανο OMI, το οποίο έχει την ικανότητα να διακρίνει τα ατμοσφαιρικά στοιχεία μεταξύ τους, όπως καπνό, σκόνη, θειικά και να μετρήσει την νεφοκάλυψη και την πίεση στα νέφη, μετρήσεις που του επιτρέπουν να υπολογίζει το τροποσφαιρικό όζον. Η λειτουργία του OMI στηρίζεται στην μέτρηση της οπισθοσκεδαζόμενης ακτινοβολίας στο ορατό και στο υπεριώδες φωτογραφίζοντας υπερφασματικά. Η υπερφασματική φωτογράφηση βελτιώνει την ακρίβεια των μετρήσεων της ολικής στήλης όζοντος και επιτρέπει την ακριβή ραδιομετρική και φασματική αυτοδιόρθωση (self calibration) για μεγάλα χρονικά διαστήματα λειτουργίας. Σο ΟΜΙ έχει την δυνατότητα να μετρά άμεσα περισσότερα συστατικά της ατμόσφαιρας σε σχέση με τον προκάτοχο του, το όργανο TOMS. 21

22 Παράμετροι Ηλιακή δραστηριότητα (Lf1.7cm) Με τον όρο ηλιακή δραστηριότητα εννοούμε τις μεταβολές της ηλιακής ακτινοβολίας που παρατηρούνται κατά τη διάρκεια των περιοδικών εμφανίσεων των ηλιακών κηλίδων στην επιφάνεια του ήλιου. Σο ποσό της ηλιακής ακτινοβολίας που φθάνει στα ανώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας της γης ανέρχεται κατά μέσο όρο στα Watt/m 2. Σο ποσοστό της μεταβολής στην ηλιακή ακτινοβολία κατά την διάρκεια των μεταβολών της δεν ξεπερνάει το.1%, δηλαδή περίπου 1.3 Watt/m 2. Οι μεταβολές της ηλιακής δραστηριότητας είναι περιοδικές (ηλιακοί κύκλοι). Οι πιο ξεκάθαροι ηλιακοί κύκλοι είναι αυτοί των 11 χρόνων και των 22 χρόνων, που οφείλονται αντίστοιχα στην αντιστροφή πολικότητας του μαγνητικού πεδίου του Ήλιου και στην επαναφορά του στην αρχική θέση. Άλλοι ηλιακοί κύκλοι αλλά λιγότερο ευδιάκριτοι είναι αυτοί των 87, 21 και 2.3 ετών. Γενικότερα, η ευαισθησία του κλίματος φαίνεται να είναι μεγαλύτερη στις μεταβολές της ηλιακής ακτινοβολίας που παρουσιάζονται σε μακρύτερους κύκλους λόγω της θερμικής αδράνειας των ωκεανών. Η ηλιακή δραστηριότητα είναι μια από τις παραμέτρους που από πολλούς επιστήμονες χαρακτηρίστηκε ως πολύ σημαντικός παράγοντας στην αλλαγή του κλίματος της γης. Πολλοί πιστεύουν ότι αποτελεί και σήμερα μια από τις αιτίες στην αλλαγή του κλίματος και στην άνοδο της μέσης θερμοκρασίας στην γη. Ψστόσο τα επιστημονικά δεδομένα δεν επαρκούν για την καθιέρωση μιας τέτοιας πεποίθησης. Είναι αναμφισβήτητο όμως ότι οι μεταβολές στην ηλιακή δραστηριότητα εξηγούν τις κλιματικές αλλαγές του παρελθόντος και μέρος ή ολόκληρη την παρούσα κλιματική αλλαγή. τον ενδεκαετή κύκλο της ηλιακής δραστηριότητας, που οδηγείται από τις μεταβολές του μαγνητικού πεδίου του Ήλιου, απεικονίζονται οι μεταβολές της φωτόσφαιρας, της χρωμόσφαιρας και της στεφάνης του Ήλιου τόσο χρονικά όσο και χωρικά. Όλες αυτές οι μεταβολές μετρούνται από την Γη με ραδιοτηλεσκόπια που στοχεύουν στα 1.7cm της ακτινοβολίας του Ήλιου. Είναι αποδεδειγμένο πειραματικά ότι αυτό είναι το μήκος κύματος της ηλιακής ακτινοβολίας όπου απεικονίζονται και συνεπώς μπορούν να μελετηθούν με τον βέλτιστο τρόπο τόσο η μεταβολή στον αριθμό των ηλιακών κηλίδων όσο και η μεταβολή από την γύρω περιοχή αυτών. Οι μετρήσεις της ηλιακής δραστηριότητας που χρησιμοποιούμε στην παρούσα εργασία προέρχονται από τον σταθμό Dominion Radio Astrophysical Observatory in Penticton, British Columbia (ftp://ftp.geolab.nrcan.gc.ca/data/solar_flux/) και γίνονται σε μονάδες από 1 έως -22 Joules/second/square meter/hertz. Σα δεδομένα έπειτα πολλαπλασιάζονται με το 1 για να φύγει ο δεκαδικός όρος. Τπάρχουν 3 σετ μετρήσεων, τα Observed, τα Adjusted και τα Absolute. Σα πρώτα είναι τα λιγότερο ακριβή καθώς παρουσιάζουν διακυμάνσεις της τάξεως του 7%, που οφείλονται στην μη σταθερή απόσταση Γης-Ηλίου. τα Adjusted ο ασταθής παράγοντας της απόστασης έχει αντικατασταθεί από μια μέση απόσταση Γης-Ηλίου που χρησιμοποιείται στις μετρήσεις. Οι Absolute τιμές, που είναι αυτές που χρησιμοποιήθηκαν στην εργασία, έχουν ακόμη μεγαλύτερη ακρίβεια. Προκύπτουν από τις Adjusted τιμές πολλαπλασιασμένες με.9 για να εξαλειφθούν αβεβαιότητες 22

23 Μέσες μηνιαίες τιμές της ηλιακής ακτινοβολίας στα 1.7cm που οφείλονται σε κακή λήψη του σήματος από την κεραία ή σε ανάκλαση της ακτινοβολίας στο έδαφος Ιαν-47 Ιαν-49 Ιαν-51 Ιαν-53 Ιαν-55 Ιαν-57 Ιαν-59 Ιαν-61 Ιαν-63 Ιαν-65 Ιαν-67 Ιαν-69 Ιαν-71 Ιαν-73 Ιαν-75 Ιαν-77 Ιαν-79 Ιαν-81 Ιαν-83 Ιαν-85 Ιαν-87 Ιαν-89 Ιαν-91 Ιαν-93 Ιαν-95 Ιαν-97 Ιαν-99 Ιαν-1 Ιαν-3 Ιαν-5 Ιαν-7 Ιαν-9 Ιαν-11 Δηθόλα 11, Δλδεθαεηήο θύθινο ηεο ειηαθήο δξαζηεξηόηεηαο ζηα 1.7cm από ην 1947 έσο ην 21 Αν και οι μετρήσεις στον σταθμό Dominion Radio Astrophysical Observatory άρχισαν από το 199, μεταφέρθηκε στην τοποθεσία αυτή και το όργανο που μετρούσε έως τότε από την περιοχή Ottawa ( ) και το σύνολο των μετρήσεων βρίσκεται πλέον σε ενιαία βάση δεδομένων ελεύθερη στο διαδίκτυο. Σχεδόν-Διετής Κύμανση (QBO1, QBO3) Η χεδόν-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 χεδόν-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. το φαινόμενο συμπεριλαμβάνονται διακυμάνσεις στην θερμοκρασία και στα επίπεδα του όζοντος. Η QBO είναι ένα φαινόμενο που εκδηλώνεται στην περιοχή των τροπικών. Ψστόσο, επηρεάζει σημαντικά και περιοχές σε μεγαλύτερα πλάτη αποτελώντας σημαντικό ρυθμιστικό παράγοντα της ατμοσφαιρικής κυκλοφορίας τόσο στην στρατόσφαιρα όσο και στην τροπόσφαιρα. ύμφωνα με τους [Baldwin et al., 21] η QBO επιδρά σημαντικά στην κατανομή και μεταφορά ατμοσφαιρικών συστατικών, όπως το όζον μέσω της μεταβολής στους ανέμους, τις θερμοκρασίες, τα κύματα των μεσαίων πλατών και την μεσημβρινή κυκλοφορία. Ένα από τα χαρακτηριστικά της QBO είναι η κατακόρυφη διάδοση της προς τα κάτω με ρυθμό 1Km/μήνα. την Εικόνα 11, που ακολουθεί απεικονίζεται η χρονική 23

24 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 (3-35m/s) από τους δυτικούς (15-2m/s). 24 Δηθόλα 12, Σηελ εηθόλα απεηθνλίδεηαη ε κέζε δσληθή κεληαία ξνή αλέκνπ ζηνλ Ιζεκεξηλό. Η ηαιάλησζε ηεο Δηθόλαο νκνηάδεη κε ηελ εηθόλα ηεο QBO ζηελ ζηξαηόζθαηξα. (Πεγή: Η χεδόν-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 3Km, που προσδιορίζονταν από την ατμοσφαιρική πίεση (7, 5, 4, 3, 2, 15 και 1 hpa). Η QBO δεν μεταβάλλεται σημαντικά κατά μήκος του γεωγραφικού μήκους, οπότε η επιλογή 3 σταθμών θεωρήθηκε αρκετή και τα δεδομένα από αυτούς αντιπροσωπευτικά για το φαινόμενο. Από το 1987 ξεκίνησε ένα νέο σετ μετρήσεων στην ιγκαπούρη με την ημερήσια κατακόρυφη κατανομή του ανέμου για να μελετηθεί με μεγαλύτερη ακρίβεια το κατακόρυφο προφίλ του φαινομένου. ε αυτό το σετ περιλαμβάνονται μέσες μηνιαίες τιμές των συνιστωσών του ζωνικού ανέμου στην ιγκαπούρη από το 1987 μέχρι σήμερα και για τα ύψη ατμοσφαιρικής πίεσης 1 (από το 1997), 9, 8, 7, 6, 5, 45, 4, 35, 3, 25, 2, 15, 12 και 1hPa. 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. [21]. 24

25 την παρούσα εργασία χρησιμοποιούνται ως παράμετροι οι QBO1 και QBO3. Σα δεδομένα προέρχονται από τους 3 σταθμούς Canton Island, Gan/Maledive Islands, Singapore και βρίσκονται διαθέσιμα στο διαδίκτυο στην σελίδα 25 Eliassen-Palm flux (EP flux) Η γενική κυκλοφορία και πιο συγκεκριμένα οι διανταλλαγές αερίων μαζών μεταξύ τροπόσφαιρας και στρατόσφαιρας περιγράφονται αναλυτικά από την κυκλοφορία Brewer-Dobson. ύμφωνα με αυτήν η ανάμειξη και μεταφορά χημικών στοιχείων και υδρατμών στην ατμόσφαιρα οφείλεται κυρίως σε δυναμικές διεργασίες και συμβαίνει με 3 τρόπους, την μεσημβρινή κυκλοφορία, την κατακόρυφη μεταφορά των πλανητικών κυμάτων από την τροπόσφαιρα στην στρατόσφαιρα και την καθίζηση των αερίων μαζών από την στρατόσφαιρα στην τροπόσφαιρα. 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. Main ozone production area Δηθόλα 13, Αηκνζθαηξηθή θπθινθνξία Η Ελιασσεν-Παλμ ροή (ΕΡ-flux) ερμηνεύεται με όρους διάδοσης των πλανητικών κυμάτων (κύματα Rossby). Η απόκλιση της ΕΡ-flux αποτελεί μέτρο της ορμής που μεταφέρεται στην στρατόσφαιρα εξαιτίας της εισβολής των πλανητικών κυμάτων μέσω της τροπόπαυσης σε αυτήν. Η κατακόρυφη αυτή κίνηση των πλανητικών κυμάτων ευθύνεται για την διανταλλαγή αερίων μεταξύ τροπόσφαιρας και στρατόσφαιρας και εξαρτάται από την διαπερατότητα της τροπόπαυσης. Έτσι, η EP- 25

26 flux επηρεάζει την ατμοσφαιρική κυκλοφορία και συνεπώς την μεταφορά αέριων χημικών ουσιών στην ατμόσφαιρα. Πιο αναλυτικά, η απορρόφηση των πλανητικών κυμάτων από την στρατόσφαιρα γίνεται τον μήνα Ιανουάριο στο Βόρειο Ημισφαίριο (βλέπε Εικόνα 13 ). Με την απορρόφηση αυτή μεταφέρεται η ενέργεια και η ορμή των πλανητικών κυμάτων στην στρατόσφαιρα και δημιουργείται μια ροή με αυτά τα χαρακτηριστικά. Η νέα ροή (Eliassen-Palm flux) κινείται ανοδικά ή προς τον Ισημερινό και έχει την μέγιστη απορροφημένη ορμή μεταξύ των γεωγραφικών πλατών 3 και 7 ο, για αυτό και μεταξύ αυτών των πλατών η ροή που δημιουργείται φθάνει σε μεγάλα ύψη μέχρι την μεσόσφαιρα. Η ροή σταματά στην μεσόσφαιρα, όπου αλληλεπιδρά με ισχυρά κύματα και λαμβάνει χώρα ισχυρή οριζόντια ανάμειξη σε ισεντροπικές επιφάνειες μήκους χιλιάδων χιλιομέτρων. και εκτροπή στη διεύθυνση της γεωστροφικής ζωνικής ροής. Οι μαθηματικές εξισώσεις που περιγράφουν την κίνηση της Eliassen-Palm (E-P) ροής φαίνονται παρακάτω: 26 Για τα πλανητικά κύματα που εισέρχονται στην στρατόσφαιρα γίνονται προσεγγίσεις και οι εξισώσεις μετατρέπονται ως εξής: 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. το τέλος του χειμώνα και στις αρχές της άνοιξης μέσα σε διάστημα λίγων ημερών παρατηρούνται υψηλές θερμοκρασίες που αυξάνονται σταδιακά στην κάτω στρατόσφαιρα και συνοδεύονται από χαμηλές θερμοκρασίες στην άνω στρατόσφαιρα και στη μεσόσφαιρα (eg. Labitzke, 198). Κάτω από αυτές τις συνθήκες η στρατόπαυση μετακινείται χαμηλότερα περίπου στα 35km. Ο πολικός νυχτερινός αεροχείμαρρος εξασθενεί και συχνά αντιστρέφεται (κατάρρευση πολικού αεροχειμάρρου).οι Matsuno (1971) και Holton (1976) προσπαθώντας να εξηγήσουν τα ξαφνικά θερμά επεισόδια στη στρατόσφαιρα προσομοίωσαν το φαινόμενο και βρήκαν ότι σχετίζεται με την αλληλεπίδραση μεγάλης κλίμακας κυμάτων που προοδευτικά εισέρχονται από την τροπόσφαιρα στην στρατόσφαιρα και τη μεσόσφαιρα. αν αποτέλεσμα της αποδυναμωμένης ροής, η πρόοδος των πλανητικών κυμάτων τροποποιείται και παράγει μια ακόμη πιο αργή μέση ζωνική ροή σε χαμηλά ύψη. Σην ίδια στιγμή η μέση μεσημβρινή κυκλοφορία στα μεγάλα γεωγραφικά πλάτη οδηγείται κατακόρυφα προς την επιφάνεια της γης μεταφέροντας έτσι θερμότητα στα μεγάλα 26

27 πλάτη, ενώ στα μικρά πλάτη οδηγείται κατακόρυφα προς τα πάνω. Σα ξαφνικά θερμά επεισόδια έχουν σημαντική επιρροή στον ετήσιο κύκλο του ολικού όζοντος και σε πολλά άλλα ατμοσφαιρικά στοιχεία. Παρατηρήσεις δείχνουν ότι η επιβράδυνση του ανέμου που συνδέεται με την σύγκλιση της ορμής συνήθως αρχίζει στην άνω στρατόσφαιρα και προοδευτικά κινείται προς τα κάτω. Μια ξαφνική θέρμανση θεωρείται σημαντική όταν ο ζωνικός άνεμος αντιστρέφεται στην περιοχή πάνω από τις 6 ο πλάτος και πάνω από το ύψος των 1 hpa. Ακραία θερμά επεισόδια χαρακτηρίζονται στην άνω στρατόσφαιρα όταν η θερμοκρασία φθάνει τα 32Κ στις περιοχές κοντά στους πόλους (συνήθης μέση τιμή τον Ιανουάριο είναι τα 24Κ στα 4km) (eg. Von Zahn et al., 1998). 27 Δηθόλα 14, Απνξξόθεζε πιαλεηηθώλ θπκάησλ από ηελ ζηξαηόζθαηξα ηνλ κήλα Ιαλνπάξην Τηλεσυνδέσεις Βορείου Ημισφαιρίου North Atlantic Oscillation (NAO) Η Κύμανση Βορείου Ατλαντικού (North Atlantic oscillation - NAO) είναι το κυρίαρχο κλιματικό φαινόμενο του Ατλαντικού το οποίο αναφέρεται στη διακύμανση των διαφορών της ατμοσφαιρικής πίεσης μεταξύ των δύο βασικών κέντρων δράσης του φαινομένου, που είναι το χαμηλό βαρομετρικό της Ισλανδίας και το υψηλό βαρομετρικό των Αζορών. Αν και οι διαφορές της ατμοσφαιρικής πίεσης υπολογίζονται ως προς τα δύο κέντρα, η περιοχή που τελικά επηρεάζεται από το φαινόμενο εκτείνεται σε πλάτος από τη Βόρεια-Ανατολική Αμερική μέχρι τη ιβηρία και σε μήκος από την υποτροπική ζώνη του Ατλαντικού μέχρι την Αρκτική. Η παρακολούθηση και περιγραφή του φαινομένου του ΝΑΟ γίνεται με έναν δείκτη ο οποίος ονομάζεται «Δείκτης ΝΑΟ» και ισούται με την κανονικοποιημένη διαφορά της ατμοσφαιρικής πίεσης μεταξύ των δύο κέντρων, του χαμηλού στο τικισολμούρ της Ισλανδίας και του υψηλού στην Πόντα Ντελγάδα των Αζορών ή της Λισαβόνας. Δια μέσου των αιώνων ο δείκτης ΝΑΟ μεταβάλλεται. Αν και ο μηχανισμός που κρύβεται πίσω από τη μεταβλητότητα αυτή δεν έχει ακόμη διευκρινιστεί, η 27

28 επικρατέστερη άποψη είναι ότι συνδέεται με τη θερμοκρασία των νερών του βορείου Ατλαντικού. Όταν η διαφορά της ατμοσφαιρικής πίεσης μεταξύ Ισλανδίας και Αζορών είναι μικρή, ο δείκτης ΝΑΟ χαρακτηρίζεται αρνητικός ή χαμηλός. την περίπτωση αυτή οι δυτικοί άνεμοι που πνέουν στο Βόρειο Ατλαντικό είναι λιγότερο επίμονοι και ασθενέστεροι του κανονικού και οι συνθήκες που διαμορφώνονται οδηγούν σε ψυχρότερους και ξηρότερους χειμώνες στη δυτική και τη βόρεια Ευρώπη και σε θερμότερους και υγρότερους του κανονικού χειμώνες στη νότια Ευρώπη. την αρνητική φάση του ΝΑΟ οι χειμώνες στη Γροιλανδία είναι ηπιότεροι. Όταν η διαφορά της ατμοσφαιρικής πίεσης μεταξύ των Ισλανδίας και Αζορών είναι μεγάλη, δηλαδή όταν το χαμηλό της Ισλανδίας είναι βαθύτερο του κανονικού και ο αντικυκλώνας των Αζορών είναι ισχυρότερος του κανονικού, ο δείκτης ΝΑΟ χαρακτηρίζεται υψηλός. την περίπτωση αυτή, οι δυτικοί άνεμοι που πνέουν στο Βόρειο Ατλαντικό μεταξύ των 4 ου και 6 ου βόρειων παραλλήλου είναι ισχυρότεροι του κανονικού και μεταφέροντας μεγαλύτερα ποσά αισθητής θερμότητας και υγρασίας από τον Ψκεανό προς την ξηρά διαμορφώνουν συνθήκες που τελικά οδηγούν σε θερμότερους και υγρότερους χειμώνες στη δυτική και τη Βόρεια Ευρώπη και σε ψυχρότερους και ξηρότερους του κανονικού χειμώνες στη νότια Ευρώπη, αλλά και στον Καναδά και στην Γροιλανδία. Ο δείκτης μεταβάλλεται από χρόνο σε χρόνο, μπορεί όμως να παραμείνει στην ίδια φάση για περισσότερο από ένα χρόνια. Οι μεταβολές του δείκτη από την αρνητική στην θετική φάση ή αντίστροφα εμφανίζονται κάθε περίπου 8 με 1 χρόνια. Η μεταβλητότητα του δείκτη τα τελευταία 14 έτη φαίνεται στο σχήμα που ακολουθεί. 28 Δηθόλα 15, Η κεηαβνιή ηνπ δείθηε ηνπ ΝΑΟ από ην 186 έσο ην 2 (Πηγή: Η παρακολούθηση του φαινομένου γίνεται με μέσες μηνιαίες ή εποχιακές τιμές του δείκτη του ΝΑΟ, όπου το χρονικό διάστημα που επιλέγεται δεν είναι ποτέ μικρότερο του μήνα για να αποφευχθούν σφάλματα από τυχόν «θόρυβο», που το πιθανότερο είναι να οφείλεται σε μικρής κλίμακας μετεωρολογικά φαινόμενα. Οι μετρήσεις γίνονται από κατάλληλα όργανα και το μετρούμενο μέγεθος είναι η ατμοσφαιρική πίεση στην επιφάνεια της θάλασσας. Πάντως είναι από τα λίγα φαινόμενα για τα οποία υπάρχουν καταγεγραμμένες μετρήσεις από πολλές δεκαετίες πίσω στο παρελθόν. 28