ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΦΥΣΙΚΗΣ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΦΥΣΙΚΗΣ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥ ΩΝ ΦΥΣΙΚΗΣ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ ΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΤΗΣ ΕΦΑΡΜΟΓΗΣ ΜΕΘΟ ΟΥ ΠΡΟΣ ΙΟΡΙΣΜΟΥ ΤΗΣ ΟΛΙΚΗΣ ΣΤΗΛΗΣ ΤΩΝ Υ ΡΑΤΜΩΝ ΑΠΟ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ CCD ΦΑΣΜΑΤΟΦΩΤΟΜΕΤΡΟΥ ΘΕΑΝΩ ΡΟΣΟΓΛΟΥ ΦΥΣΙΚΟΣ ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ: ΑΛΚΙΒΙΑ ΗΣ ΜΠΑΗΣ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 2012

2 Περιεχόµενα Πρόλογος... 3 Περίληψη... 4 Abstract... 6 Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή Οι υδρατµοί στη γήινη ατµόσφαιρα Κατανοµή των υδρατµών Παρακολούθηση των υδρατµών Επίδραση των υδρατµών στη διάδοση της ακτινοβολίας Γραµµές µοριακής απορρόφησης ιαπλάτυνση των φασµατικών γραµµών Ζώνες απορρόφησης των υδρατµών Τηλεπισκόπηση της ατµόσφαιρας Μετρήσεις της ηλιακής ακτινοβολίας Μετρήσεις άµεσης ακτινοβολίας Βασικά ακτινοµετρικά µεγέθη Μοντέλα διάδοσης της ακτινοβολίας Κεφάλαιο 2 Όργανο και δεδοµένα Φασµατοφωτόµετρο Φαέθων Τεχνική περιγραφή Χαρακτηρισµός του οργάνου και αξιολόγηση των µετρήσεων της άµεσης ηλιακής ακτινοβολίας εδοµένα Κεφάλαιο 3 Μεθοδολογία Σύγκριση φασµατικών µετρήσεων του συστήµατος Φαέθων µε φάσµατα µοντέλου διάδοσης ακτινοβολίας

3 3.2 Τροποποιηµένη µέθοδος Langley Εφαρµογή της µεθόδου Κεφάλαιο 4 Αποτελέσµατα - Συµπεράσµατα Βιβλιογραφία Κατάλογος Σχηµάτων Και Εικόνων Κατάλογος Πινάκων

4 Πρόλογος Η παρούσα διπλωµατική εργασία εκπονήθηκε στα πλαίσια του Π.Μ.Σ. Φυσικής Περιβάλλοντος του Τµήµατος Φυσικής του Αριστοτελείου Πανεπιστηµίου Θεσσαλονίκης. Τόσο η υπόδειξη όσο και η επίβλεψη του θέµατος έγινε από τον καθηγητή Α. Μπάη. Θα ήθελα να τον ευχαριστήσω θερµά για την εµπιστοσύνη του, την πολύτιµη καθοδήγηση και την αµέριστη βοήθειά του καθ όλη τη διάρκεια αυτής της εργασίας. Επίσης, τον ευχαριστώ για τις ευκαιρίες και τις γνώσεις που µου προσέφερε και µου προσφέρει. Θέλω να ευχαριστήσω θερµά την ρ. Ν. Κουρεµέτη για τη βοήθειά της σε ό,τι αφορά το σύστηµα Φαέθων και τις µετρήσεις, τις συµβουλές της και, ιδιαίτερα, την υποµονή µε την οποία έλυσε όλες τις απορίες µου. Ευχαριστώ πολύ τους Αν. Καθηγητές. Μπαλή και. Μελά και τις Επ. Καθηγήτριες Κ. Τουρπάλη και Χ. Μελέτη για τις πολύτιµες επιστηµονικές γνώσεις που αποκόµισα στα πλαίσια του µεταπτυχιακού. Επίσης, ευχαριστώ πολύ τον υποψήφιο διδάκτορα Κ. Φράγκο για τη βοήθειά του και την ιδιαίτερα σηµαντική υποστήριξή του σε ό,τι αφορά τα µοντέλα διάδοσης ακτινοβολίας. Τέλος, θέλω, για άλλη µια φορά, να ευχαριστήσω τους γονείς µου, ηµήτρη και Αγγελική, για όλη την αγάπη, την υποµονή, αλλά και την υποστήριξή τους καθ όλη τη διάρκεια των σπουδών µου. 3

5 Περίληψη Οι υδρατµοί αποτελούν βασικό συστατικό της γήινης ατµόσφαιρας, αφού παίζουν σηµαντικό ρόλο σε όλες σχεδόν τις διεργασίες που λαµβάνουν χώρα σε αυτήν. Η σηµασία των υδρατµών στο κλιµατικό σύστηµα της Γης είναι αδιαµφισβήτητα τεράστια. Έτσι, τα τελευταία χρόνια είναι αντικείµενο διαρκούς επιστηµονικής έρευνας, ενώ έχουν αναπτυχθεί σηµαντικές µέθοδοι και τεχνικές για την παρατήρησή τους και τον προσδιορισµό των συγκεντρώσεών τους στην ατµόσφαιρα. Ωστόσο, οι µετρήσεις των υδρατµών σε παγκόσµια κλίµακα επιτυγχάνονται επί του παρόντος µόνο από τους δορυφόρους, καθώς οι επίγειοι σταθµοί είναι λίγοι, ενώ οι σταθµοί των ωκεανών είναι σχεδόν ανύπαρκτοι. Όµως, οι µετρήσεις των δορυφορικών οργάνων χαρακτηρίζονται από µεγάλα σφάλµατα και έχουν µικρή χωρική και χρονική ανάλυση. Κατά την εκπόνηση της παρούσας εργασίας διερευνήθηκε η δυνατότητα προσδιορισµού της ολικής στήλης των υδρατµών από µετρήσεις φασµατοφωτοµέτρου CCD. Το φασµατοφωτόµετρο αποτελεί τµήµα του συστήµατος Φαέθων, το οποίο αναπτύχθηκε και λειτουργεί στο Εργαστήριο Φυσικής της Ατµόσφαιρας (ΕΦΑ) του Αριστοτελείου Πανεπιστηµίου Θεσσαλονίκης (ΑΠΘ). Τα φάσµατα άµεσης ηλιακής ακτινοβολίας και λαµπρότητας σε διάφορες διευθύνσεις του Φαέθοντα χρησιµοποιούνται για τον υπολογισµό του φασµατικού οπτικού βάθους των αιωρούµενων σωµατιδίων, καθώς και της συγκέντρωσης διαφόρων αέριων ιχνοστοιχείων µε τη µέθοδο της Φασµατοσκοπίας ιαφορικής Οπτικής Απορρόφησης (DOAS). Η εργασία αποτελείται από τέσσερα κεφάλαια. Στο πρώτο κεφάλαιο παρουσιάζεται το θεωρητικό υπόβαθρο, καθώς και βασικές πληροφορίες για τις µετρήσεις ακτινοβολίας και την τηλεπισκόπηση. Το δεύτερο κεφάλαιο περιλαµβάνει την τεχνική περιγραφή του οργάνου και λίγα λόγια για τον χαρακτηρισµό του και την αξιολόγηση των µετρήσεών του. Στο αµέσως επόµενο κεφάλαιο αναπτύσσεται η µεθοδολογία, η οποία εφαρµόστηκε για τον υπολογισµό της συγκέντρωσης των υδρατµών από τις µετρήσεις του συστήµατος Φαέθων. Τέλος, παρατίθενται τα 4

6 κυριότερα αποτελέσµατα της εργασίας µε παρατηρήσεις, σχόλια και σκέψεις για µελλοντική έρευνα. 5

7 Abstract Water vapor is a key component of the Earth's atmosphere because it plays an important role in almost all the processes taking place in it. The importance of water vapor in the Earth's climate system is undisputedly immense. Thus, in recent years it is the subject of ongoing scientific research, and important methods and techniques have been developed for its observation and retrieval. However, measurements of water vapor on a global scale can currently only be obtained from satellites, since ground stations are sparse and ocean stations are nearly non-existent. Measurements of satellite instruments are characterized by large errors and have low spatial and temporal resolution. During this study, water vapor retrieval using CCD spectrometer measurements was under investigation. The spectrometer is part of a system called Phaethon, which was developed at the Laboratory of Atmospheric Physics (LAP) in the Aristotle University of Thessaloniki (AUTH). Spectral aerosol optical depth and concentrations of various trace gases using DOAS technique are the products of Phaethon s direct solar irradiance and sky radiance measurements. This master thesis consists of four chapters. The first chapter presents the theoretical background and some basic information on radiation measurements and remote sensing. The second chapter contains the technical description of the instrument and a few words about the CCD characterization and the evaluation of its measurements. In the next chapter, the water vapor retrieval method, which was applied to Phaethon s measurements, is presented. Finally, the major findings of this study are presented along with comments and thoughts for future research. 6

8 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Εισαγωγή 1.1 Οι υδρατµοί στη γήινη ατµόσφαιρα Οι υδρατµοί (H 2 O) είναι ένα από τα κυριότερα συστατικά της ατµόσφαιρας της Γης, µε σχετικά µεγάλες συγκεντρώσεις και βασική συµµετοχή στις διάφορες ατµοσφαιρικές διαδικασίες, όπως στους χηµικούς µετασχηµατισµούς, στη µετεωρολογία, στους µηχανισµούς µεταφοράς της ενέργειας στην ατµόσφαιρα αλλά και στη διάδοση της ηλιακής και της γήινης θερµικής ακτινοβολίας (σχήµα 1.1). Στην τροπόσφαιρα, οι υδρατµοί επηρεάζουν την ποιότητα του αέρα και την ικανότητα οξείδωσης, ενώ επιδρούν στις ετερογενείς αντιδράσεις των αερίων µε τα αιωρούµενα σωµατίδια, αλλά και στις οπτικές ιδιότητες των σωµατιδίων και, συνεπώς, στην ορατότητα. Επιπλέον, µέσω µικροφυσικών διαδικασιών, οδηγούν στο σχηµατισµό και την ανάπτυξη των νεφών και την εµφάνιση υετού, που συµβάλλει στη διασπορά και την αποµάκρυνση των διαλυτών αερίων και των σωµατιδίων. 7

9 Σχήµα 1.1: ιάγραµµα αλληλεπιδράσεων των υδρατµών µέσα στο κλιµατικό σύστηµα (Vardavas I. M., Taylor F. W., 2007, Radiation and Climate). Ιδιαίτερα η αλληλεπίδραση των υδρατµών µε τη φασµατική περιοχή του θερµικού υπερύθρου τους καθιστά ως το βασικότερο θερµοκηπικό αέριο. Υπολογίζεται ότι οι υδρατµοί συνεισφέρουν κατά ένα ποσοστό 60% περίπου στο φυσικό φαινόµενο του θερµοκηπίου υπό ανέφελες συνθήκες [Kiehl and Trenberth, 1997], ενώ αναµένεται να προκαλέσουν τη µεγαλύτερη θετική ανατροφοδότηση (positive feedback) σύµφωνα µε τις προβλέψεις των µοντέλων για την κλιµατική αλλαγή [Held and Soden, 2000, Solomon et al. (IPCC AR4), 2007]. Με τον υδρολογικό κύκλο, το νερό από τους ωκεανούς και το έδαφος µεταφέρεται στην ατµόσφαιρα µέσω της εξάτµισης και της διαπνοής και από εκεί πίσω στο έδαφος µε τις διαδικασίες της συµπύκνωσης και της κατακρήµνισης.τα µόρια του νερού στην ατµόσφαιρα δεσµεύουν µεγάλο µέρος της εκπεµπόµενης από τη Γη θερµότητας και την επανεκπέµπουν προς όλες τις κατευθύνσεις, θερµαίνοντας έτσι εκ νέου την επιφάνεια της Γης. Οι ανθρώπινες δραστηριότητες δεν αυξάνουν τους υδρατµούς στην ατµόσφαιρα. Ωστόσο, o θερµότερος αέρας µπορεί να κατακρατήσει πολύ 8

10 περισσότερη υγρασία και µε τη σειρά τους οι υδρατµοί να απορροφήσουν περισσότερη γήινη θερµική ακτινοβολία, η οποία, διαφορετικά, θα διέφευγε προς το διάστηµα. Συνεπώς, οι αυξηµένες θερµοκρασίες σε συνδυασµό µε τους υδρατµούς οδηγούν στην ενίσχυση του φαινοµένου του θερµοκηπίου και στην κλιµατική αλλαγή. Εκτός από την άµεση επίδραση στην ακτινοβολία, λόγω της απορρόφησης στο υπέρυθρο φάσµα, οι υδρατµοί συνεισφέρουν και έµµεσα στον κλιµατικό εξαναγκασµό (radiative forcing), µέσω των νεφών αλλά και της επίδρασής τους στο µέγεθος, το σχήµα και τη χηµική σύσταση των αιωρούµενων σωµατιδίων. Επιπλέον, στην περιοχή της ανώτερης τροπόσφαιρας και της κατώτερης στρατόσφαιρας οι υδρατµοί συµµετέχουν στην καταστροφή του όζοντος, γιατί αποτελούν βασική πηγή υδροξυλίου. Οι αυξανόµενες συγκεντρώσεις των υδρατµών σε αυτήν την ευαίσθητη κλιµατικά περιοχή πιθανόν να επηρεάσουν το ισοζύγιο ακτινοβολίας, καθώς και να επιφέρουν αλλαγές στην οµογενή και ετερογενή χηµεία που επιδρά στο όζον Κατανοµή των υδρατµών Η ποσότητα των υδρατµών στην ατµόσφαιρα παρουσιάζει µεγάλη χωρική και χρονική µεταβλητότητα (σχήµα 1.2), επειδή εξαρτάται από τη θερµοκρασία, τη διαθεσιµότητα νερού, τόσο στα υδοσταγονίδια των νεφών όσο και στην επιφάνεια της Γης, αλλά και στη δυναµική µεταφορά. Η περιεκτικότητα της κατώτερης ατµόσφαιρας σε υδρατµούς ποικίλλει από σχεδόν 0 έως 4%, ή ενίοτε και περισσότερο, µε µία µέση τιµή 0.8% (8000ppm) περίπου. Όπως φαίνεται στο σχήµα 1.3, η αναλογία µείγµατος των υδρατµών στην περιοχή της τροπόσφαιρας ακολουθεί το προφίλ της θερµοκρασίας, ενώ στη στρατόσφαιρα έχει σχεδόν σταθερή τιµή µερικών ppm. Ποσοστό µεγαλύτερο από το 99% της συνολικής ποσότητας των υδρατµών βρίσκεται στην περιοχή της τροπόσφαιρας. Η µικρή περιεκτικότητα της στρατόσφαιρας σε υδρατµούς οφείλεται στη θερµοκρασιακή αναστροφή πάνω από την τροπόπαυση, ενώ η µικρή αύξηση που παρατηρείται στο ύψος του 1mb προέρχεται από τη φωτοχηµική οξείδωση του µεθανίου. Τα τελευταία χρόνια, παρατηρείται µία αυξητική τάση στη συγκέντρωση 9

11 των υδρατµών στην περιοχή της στρατόσφαιρας, η οποία, είναι µεγαλύτερη από αυτήν που αναµένεται από τις αυξανόµενες συγκεντρώσεις του στρατοσφαιρικού µεθανίου, και πιθανώς συνδέεται µε κλιµατικές µεταβολές, όπως η µικρή αύξηση της θερµοκρασίας στην τροπόσφαιρα [SPARC, 2000]. Σχήµα 1.2: Κατανοµή καθ ύψος αλλά και κατά γεωγραφικό πλάτος της αναλογίας µείγµατος µάζας υδρατµών από µετρήσεις lidar (Vardavas I. M., Taylor F. W., 2007, Radiation and Climate) Παρακολούθηση των υδρατµών Παρά την κεντρική σηµασία τους, οι εργασίες µέχρι σήµερα δεν έχουν οδηγήσει σε µια καθολικά αποδεκτή εικόνα των παραγόντων που ελέγχουν την ποσότητα των υδρατµών και σε µια ολοκληρωµένη κατανόηση των µηχανισµών µε τους οποίους αυτοί επηρεάζουν τις ατµοσφαιρικές διεργασίες. Επιπλέον, δεν έχει επιτευχθεί ακόµα η ακριβής γνώση των συγκεντρώσεών τους σε πολλά τµήµατα της ατµόσφαιρας, αλλά και της τάσης των συγκεντρώσεων αυτών µέσα στα χρόνια. Από την άλλη πλευρά, έχει σηµειωθεί σηµαντική πρόοδος τα τελευταία χρόνια σε ορισµένα βασικά ζητήµατα, λόγω των νέων επιστηµονικών ιδεών και των νέων τεχνικών παρατήρησης. 10

12 Σχήµα 1.3: Μέση κατανοµή των υδρατµών στην ατµόσφαιρα, όπως προέκυψε από ραδιοβολίσεις υπό διαφορετικές ατµοσφαιρικές συνθήκες (Vardavas I. M., Taylor F. W., 2007, Radiation and Climate). Μια βασική συνιστώσα στην κατανόηση των υδρατµών της ατµόσφαιρας είναι σίγουρα οι παρατηρήσεις. υστυχώς, ακριβείς µετρήσεις της ατµοσφαιρικής υγρασίας καθ ύψος και σε παγκόσµια κλίµακα είναι δύσκολο να πραγµατοποιηθούν. Στην τροπόσφαιρα, όπως είδαµε, η κατανοµή των υδρατµών είναι εξαιρετικά µεταβλητή σχεδόν σε όλες τις κλίµακες, και η αλλαγή στη συγκέντρωση κατά πέντε τάξεις µεγέθους από το έδαφος έως τη µεσόπαυση εξηγεί γιατί δεν υπάρχει πρότυπο όργανο που να µετράει οπουδήποτε. Αυτό έχει οδηγήσει στην ανάπτυξη διαφορετικών τεχνικών µέτρησης, καθεµιά µε τα πλεονεκτήµατα και τις αδυναµίες της, τα αποτελέσµατα των οποίων πρέπει να συγκριθούν πολύ προσεκτικά ώστε να σηµειωθεί πρόοδος στην κατανόηση της κατανοµής των υδρατµών. Παλαιότερα, η γνώση των επιστηµόνων σχετικά µε τη συγκέντρωση και την κατανοµή των υδρατµών στην ατµόσφαιρα βασιζόταν στις ραδιοβολίσεις, οι οποίες πάσχουν από µια ποικιλία συστηµατικών σφαλµάτων [Miloshevich et al., 2006]. Λόγω της εξαιρετικής σηµασίας τους στη µετεωρολογία, το ενεργειακό ισοζύγιο και την ατµοσφαιρική χηµεία, οι υδρατµοί έχουν µετρηθεί από το διάστηµα από τις πρώτες ηµέρες της δορυφορικής παρατήρησης της Γης από µια ποικιλία 11

13 αισθητήρων και διαφορετικών τεχνικών, που καλύπτουν υψοµετρικό εύρος που κυµαίνεται από την επιφάνεια µέχρι την περιοχή της κατώτερης θερµόσφαιρας περίπου. Ωστόσο, οι µετρήσεις των δορυφορικών οργάνων χαρακτηρίζονται από µεγάλα σφάλµατα, λόγω των αβεβαιοτήτων στην ανακλαστικότητα της επιφάνειας, και έχουν µικρή χωρική και χρονική ανάλυση. Η επίγεια τηλεπισκόπηση, µε τη χρήση φωτοµέτρων, φασµατοφωτοµέτρων, συστηµάτων LIDAR και ακτινοµέτρων µικροκυµάτων µπορεί να προσφέρει τόσο ακρίβεια όσο και µεγάλη χρονική ανάλυση, αλλά δεν παρέχει παγκόσµια κάλυψη εφόσον είναι δύσκολο να χρησιµοποιηθεί σε περιοχές όπως οι ωκεανοί και οι έρηµοι. Τα συστήµατα LIDAR που χρησιµοποιούνται για τον προσδιορισµό της κατανοµής των υδρατµών στην ατµόσφαιρα, βασίζονται στην ανελαστική σκέδαση Raman εκπεµπόµενης µονοχρωµατικής δέσµης laser και την ανίχνευση της οπισθοσκεδαζόµενης συνιστώσας. Η τεχνική LIDAR, ωστόσο, µπορεί να χρησιµοποιηθεί µόνο κατά τη διάρκεια της νύχτας, επειδή χαρακτηρίζεται από µικρή τιµή του λόγου του σήµατος προς το θόρυβο [Whiteman et al., 2006]. Επιπλέον, απαιτείται η χρήση δεδοµένων ραδιοβόλισης για τη βαθµονόµηση των αποτελεσµάτων, ενώ το υψηλό κόστος και η συντήρηση των συστηµάτων αυτών είναι παράγοντες που περιορίζουν τη χωρική και χρονική ανάλυση των µετρήσεων. Τα ακτινόµετρα µικροκυµάτων επιτρέπουν τη διαρκή εκτίµηση της ποσότητας των υδρατµών υπό όλες σχεδόν τις καιρικές συνθήκες, µετρώντας την εκπεµπόµενη από την ατµόσφαιρα θερµική ακτινοβολία σε διαφορετικές συχνότητες στην περιοχή των µικροκυµάτων. Μία άλλη σειρά οργάνων που χρησιµοποιούνται ευρέως για την ανάκτηση δεδοµένων σχετικά µε τους υδρατµούς είναι τα φωτόµετρα. Το δίκτυο AERONET (Aerosol Robotic Network) παρέχει δεδοµένα για τους υδρατµούς που καλύπτουν πολλές περιοχές της Γης από µετρήσεις που πραγµατοποιούνται κατά τη διάρκεια της ηµέρας από τα φωτόµετρα Cimel ( 12

14 1.2 Επίδραση των υδρατµών στη διάδοση της ακτινοβολίας Γραµµές µοριακής απορρόφησης Όταν η ηλιακή ακτινοβολία διέρχεται από ένα ατµοσφαιρικό στρώµα, υφίσταται απορρόφηση από τα διάφορα συστατικά του και µοριακή ή σωµατιδιακή σκέδαση. Από την άλλη, η θερµική ακτινοβολία που εκπέµπεται από τη Γη απορροφάται σε µεγάλο ποσοστό από τα αέρια συστατικά της ατµόσφαιρας και επανεκπέµπεται προς όλες τις κατευθύνσεις. Η διεργασία της απορρόφησης από αέρια µόρια µπορεί να διαχωριστεί στη συνεχή, όπου η απορροφούµενη ενέργεια οδηγεί σε φωτοϊονισµό ή φωτοδιάσπαση των µορίων, και στην επιλεκτική µε συνέπεια τη δηµιουργία χαρακτηριστικών γραµµών απορρόφησης. Η ακριβής γνώση των γραµµών απορρόφησης παρέχει τη δυνατότητα ποιοτικής και ποσοτικής ανίχνευσης των συστατικών της ατµόσφαιρας από µετρήσεις της ακτινοβολίας διαφόρων πηγών (από τον Ήλιο, τη Γη, τα άστρα, τη Σελήνη ή τεχνητές πηγές). Η ηλιακή ακτινοβολία µε µήκη κύµατος µικρότερα των 100nm, η οποία αποτελεί το 3% της ολικής ηλιακής ενέργειας, είναι ικανή να προκαλέσει φωτοϊονισµό και απορροφάται πλήρως στην ιονόσφαιρα. Η ακτινοβολία µε µήκη κύµατος µικρότερα των 240nm είναι υπεύθυνη για τη φωτοδιάσπαση του οξυγόνου O 2, ενώ η ακτινοβολία µε µήκη κύµατος λ<310nm ευθύνεται για τη φωτοδιάσπαση του όζοντος Ο 3, µε αποτέλεσµα την πλήρη απορρόφηση της UVC και την σηµαντική εξασθένηση της UVB ηλιακής ακτινοβολίας που φθάνει στο έδαφος. Τόσο το ορατό και υπέρυθρο τµήµα της ηλιακής ακτινοβολίας όσο και η γήινη θερµική ακτινοβολία δε διαθέτουν επαρκή ποσότητα ενέργειας ώστε να προκαλέσουν φωτοϊονισµό ή φωτοδιάσπαση των µορίων. Ωστόσο, η ακτινοβολία αυτών των φασµατικών περιοχών µπορεί να επιφέρει αλλαγές στη δόνηση και την περιστροφή των µορίων που την απορροφούν, αλλά και µεταβολές στην τροχιακή κατάσταση των ηλεκτρονίων τους (σχήµα 1.4). Γενικά, η εσωτερική ολική ενέργεια ενός µορίου δίνεται από τη σχέση: E=E rot +E vib +E el +E tr 13

15 όπου Ε rot είναι η κινητική ενέργεια λόγω περιστροφής του µορίου, Ε vib είναι η κινητική ενέργεια λόγω δόνησης των ατόµων γύρω από τη θέση ισορροπίας τους, Ε el είναι η δυναµική ενέργεια του µορίου λόγω της τροχιακής κατανοµής των ηλεκτρονίων των ατόµων που το αποτελούν και Ε tr είναι η ανταλλαγή κινητικής ενέργειας µεταξύ των µορίων κατά τις συγκρούσεις τους. Σχήµα 1.4: ιάφορες συνιστώσες της εσωτερικής ενέργειας των µορίων και αλληλεπίδραση της ακτινοβολίας µε τα µόρια στις διαφορετικές φασµατικές περιοχές (Yu.M. Timofeyev and A.V. Vasi'lev, 2008,Theoretical Fundamentals of Atmospheric Optics). 14

16 Σύµφωνα µε την κβαντική µηχανική, µόνο συγκεκριµένες καταστάσεις των ηλεκτρονιακών τροχιών είναι επιτρεπτές σε κάθε άτοµο ενός µορίου, ενώ ταυτόχρονα επιτρέπονται µόνο ορισµένες συχνότητες ταλάντωσης και ορισµένοι τρόποι περιστροφής για κάθε είδος µορίου. Κάθε πιθανός συνδυασµός ηλεκτρονιακών τροχιών, δόνησης και περιστροφής χαρακτηρίζεται από το δικό του ενεργειακό επίπεδο. Ως εκ τούτου, η µοριακή απορρόφηση και εκποµπή της ακτινοβολίας µπορεί να συµβεί για διακριτές ενεργειακές µεταβολές, οι οποίες σχετίζονται µε συγκεκριµένες συχνότητες ή, ισοδύναµα, συγκεκριµένα µήκη κύµατος. Συνεπώς, η απορρόφηση στην ορατή περιοχή και, κυρίως, στα µεγαλύτερα µήκη κύµατος (υπέρυθρο, περιοχή µικροκυµάτων) χαρακτηρίζεται από ζώνες απορρόφησης (absorption bands), οι οποίες αποτελούν οµάδες εξαιρετικά στενών γραµµών απορρόφησης και διαχωρίζονται µεταξύ τους από κενά στα οποία η ατµόσφαιρα είναι σχεδόν διαφανής. Οι γραµµές απορρόφησης που αποτελούν µία ζώνη είναι τόσο κοντά µεταξύ τους, που υπό χαµηλή φασµατική ανάλυση η ζώνη απορρόφησης εµφανίζεται ως συνεχής συνάρτηση του µήκους κύµατος. Οι τροχιακές µεταπτώσεις σχετίζονται µε τις γραµµές απορρόφησης που εµφανίζονται στο υπεριώδες και ορατό τµήµα του φάσµατος. Η απορρόφηση στο κοντινό υπέρυθρο του ηλιακού φάσµατος και στη γήινη θερµική υπέρυθρη ακτινοβολία σχετίζεται µε αλλαγές στη δόνηση και την περιστροφή των µορίων, ενώ στην περιοχή των µικροκυµάτων παρατηρούνται γραµµές λόγω µεταβολών στην περιστροφική ενέργεια. Τα φάσµατα του οξυγόνου (Ο 2 ) και του αζώτου (Ν 2 ), των µορίων δηλαδή που καταλαµβάνουν το µεγαλύτερο ποσοστό του ατµοσφαιρικού αέρα, εµφανίζουν λίγες και αραιές γραµµές απορρόφησης, επειδή δεν παρουσιάζουν µεταβολές στην περιστροφή και τη δόνηση. Αντιθέτως, σηµαντικοί απορροφητές στην υπέρυθρη φασµατική περιοχή είναι τα πολυατοµικά µόρια, µε σηµαντικότερα τους υδρατµούς (H 2 O), το διοξείδιο του άνθρακα (CO 2 ), το µεθάνιο (CH 4 ) και το όζον (Ο 3 ), τα οποία εµφανίζουν πάρα πολλές κοντινές µεταξύ τους γραµµές απορρόφησης. Οι µεταβολές στην ενέργεια δόνησης απαιτούν αλλαγή στη διπολική ροπή. Στην περίπτωση ενός διατοµικού µορίου η δόνηση των ατόµων γίνεται πάντα πάνω στην ευθεία που ενώνει τους πυρήνες του και είναι οπτικά ανενεργή λόγω 15

17 συµµετρικότητας (δεν σχηµατίζεται ηλεκτρικό δίπολο). Η περίπλοκη δόνηση των πολυατοµικών µορίων είναι δυνατόν να παρασταθεί ως µια υπέρθεση συνιστωσών που ονοµάζονται κανονικοί τρόποι δόνησης. Η φυσική σηµασία των κανονικών δονήσεων αντανακλά στο γεγονός ότι σε µια κανονική δόνηση όλοι οι πυρήνες του µορίου κινούνται σε φάση και µε την ίδια συχνότητα. Στην γενική περίπτωση ενός µορίου µε Ν άτοµα είναι προφανές ότι ο αριθµός των κανονικών τρόπων δόνησης είναι 3Ν 6, αφού έξι τρόποι κίνησης απαιτούνται για την περιγραφή της περιστροφικής (3) και της µεταφορικής (3) κίνησης του µορίου. Τα γραµµικά µόρια έχουν 3Ν 5 τρόπους δόνησης αφού εδώ δεν υπάρχει περιστροφικός βαθµός ελευθερίας γύρω από τον µοριακό άξονα. Σχήµα 1.5: Κανονικοί τρόποι δόνησης διατοµικών (Ο 2, Ν 2 ) και τριατοµικών (CO 2, H 2 O) ατµοσφαιρικών µορίων. (Gary E. Thomas and Knut Stamnes, 1999, Radiative Transfer in the Atmosphere and Ocean). 16

18 Στο σχήµα 1.5 φαίνονται οι κανονικοί τρόποι δόνησης διαφόρων µορίων, µεταξύ των οποίων είναι και οι υδρατµοί. Οι υδρατµοί παρουσιάζουν τρεις κανονικούς τρόπους δόνησης, εκ των οποίων όλοι είναι οπτικά ενεργοί. Οι µεταβολές στην ενέργεια περιστροφής απαιτούν την ύπαρξη µόνιµης ηλεκτρικής ή µαγνητικής διπολικής ροπής. Εφόσον η διπολική ροπή είναι διανυσµατικό µέγεθος, η περιστροφή του µορίου έχει ως αποτέλεσµα την αλλαγή κατεύθυνσης της διπολικής ροπής. Τα διατοµικά µόρια (Ο 2, Ν 2 ) δεν έχουν µόνιµη διπολική ροπή οπότε δεν εµφανίζουν γραµµές απορρόφησης στο υπέρυθρο λόγω περιστροφής. Ωστόσο, το Ο 2 έχει ένα ασθενές µαγνητικό δίπολο, εξαιτίας του οποίου παρουσιάζει απορρόφηση λόγω περιστροφής στη φασµατική περιοχή των µικροκυµάτων. Μόρια όπως το διοξείδιο του άνθρακα (CO 2 ) και το µεθάνιο (CH 4 ) δεν έχουν µόνιµη διπολική ροπή, αλλά µπορεί να δηµιουργήσουν διπολικές ροπές λόγω δόνησης, οπότε εµφανίζουν ζώνες απορρόφησης που οφείλονται στην ταυτόχρονη αλλαγή της ενέργειας δόνησης και της ενέργειας περιστροφής. Οι υδρατµοί ανήκουν στην κατηγορία των µορίων µε µόνιµη διπολική ροπή (H 2 O, O 3, N 2 O, CO) και, συνεπώς, εµφανίζουν απορρόφηση στο µακρινό υπέρυθρο λόγω καθαρής περιστροφικής µεταβολής ιαπλάτυνση των φασµατικών γραµµών Παρά τα όσα αναφέρθηκαν νωρίτερα, η απορρόφηση και η εκποµπή συµβαίνουν σε ευρύτερες φασµατικές περιοχές αντί σε διακριτές συχνότητες, λόγω: του φυσικού εύρους των γραµµών της διεύρυνσης κατά Doppler της διεύρυνσης λόγω συγκρούσεων (διεύρυνση Lorentz) Φυσική διαπλάτυνση των γραµµών έχουµε διότι οι διεγερµένες στάθµες δεν είναι επακριβώς καθορισµένες λόγω της αρχής της απροσδιοριστίας του Heisenberg, αλλά και εξαιτίας της απόσβεσης των ταλαντώσεων λόγω απώλειας ενέργειας κατά την εκποµπή. 17

19 Η διεύρυνση λόγω συγκρούσεων µεταξύ των µορίων είναι ανάλογη της πίεσης και εξαρτάται από τη θερµοκρασία. Επικρατεί σε ύψη <~20km, όπου η πυκνότητα της ατµόσφαιρας είναι µεγαλύτερη και οι συγκρούσεις των µορίων είναι περισσότερες. Κατά τη διεύρυνση Doppler συµβαίνει µετατόπιση των συχνοτήτων της προσπίπτουσας ακτινοβολίας που αντιλαµβάνεται το µόριο λόγω της σχετικής του κίνησης ως προς την πηγή της ακτινοβολίας. Η διεύρυνση Doppler κυριαρχεί σε ύψη >~50km, όπου οι συγκρούσεις µεταξύ των µορίων δεν είναι συχνές, και η συχνότητα των φωτονίων µεταβάλλεται ανάλογα µε τη θερµική ταχύτητα του µορίου. Σχήµα 1.6: ιεύρυνση των γραµµών λόγω φαινοµένου Doppler και λόγω πίεσης (Lorentz) (Wallace John M., Peter V. Hobbs, 2006, Atmospheric Science An Introductory Survey Second Edition). 18

20 Επιπλέον, συµβαίνει ταυτόχρονη διεύρυνση κατά Doppler και λόγω συγκρούσεων σε ύψη µεταξύ ~20km και ~50km. Σε αυτήν την περίπτωση, το σχήµα της γραµµής προκύπτει από τον συνδυασµό των δύο µηχανισµών διεύρυνσης. Γενικά, τα άκρα των γραµµών εκτείνονται µακρύτερα από το κέντρο της γραµµής κατά τη διεύρυνση λόγω πίεσης σε σχέση µε τη διεύρυνση Doppler (σχήµα 1.6). Η διεύρυνση των γραµµών εκποµπής και απορρόφησης προκαλούν δυσκολίες στην ερµηνεία των σηµάτων από τις µετρήσεις της ακτινοβολίας, αλλά ο προσδιορισµός της διεύρυνσης µιας γραµµής παρέχει πληροφορίες για τη θερµοκρασία ή την πίεση στο σηµείο όπου γίνεται η εκποµπή ή η απορρόφηση. Ένα ζήτηµα που σχετίζεται µε τη διαπλάτυνση των γραµµών απορρόφησης είναι τα λεγόµενα continua. Το continuum είναι µία ασθενής, αλλά σε ορισµένες περιπτώσεις σηµαντική, συνεχής απορρόφηση, η οποία εµφανίζεται στη φασµατική περιοχή του υπερύθρου. Ο ακριβής µηχανισµός της απορρόφησης αυτής εξακολουθεί να αποτελεί θέµα συζήτησης. Σύµφωνα µε τις επικρατέστερες θεωρίες, είτε οφείλεται στην υπέρθεση των εξώτατων άκρων των γραµµών απορρόφησης είτε σε πολυµερή µόρια (π.χ. διµερές υδρατµών), τα οποία είναι µεγάλα εύκαµπτα µόρια µε µεγάλα πλάτη ταλάντωσης και αναµένεται να εµφανίζουν ευρείες µεταπτώσεις και, συνεπώς, ευρεία φασµατική απορρόφηση Ζώνες απορρόφησης των υδρατµών Οι ζώνες απορρόφησης των υδρατµών καλύπτουν το µεγαλύτερο µέρος του φάσµατος της γήινης θερµικής ακτινοβολίας. Στο σχήµα 1.7 παρουσιάζεται η διαπερατότητα διαφόρων αερίων, όπως H 2 O, CO 2, CH 4 και Ο 3, καθώς και ολόκληρης της ατµόσφαιρας, στο κοντινό και µέσο υπέρυθρο. Η σύσταση της γήινης ατµόσφαιρας µεταβάλλεται χωρικά και χρονικά, γεγονός που οδηγεί σε µεταβολές στη µοριακή απορρόφηση. Ιδιαίτερα σηµαντικές µεταβολές εµφανίζονται στις ζώνες απορρόφησης των υδρατµών, λόγω της µεγάλης χωρικής και χρονικής µεταβλητότητας στη συγκέντρωσή τους. Εφόσον οι πιο ισχυρές ζώνες απορρόφησης των υδρατµών εντοπίζονται στο µέσο υπέρυθρο, οι µεγαλύτερες µεταβολές στη διαπερατότητα βρίσκονται σε µήκη κύµατος µεγαλύτερα των 3µm. 19

21 Σχήµα 1.7: Η διαπερατότητα συναρτήσει του µήκους κύµατος για διάφορα αέρια συστατικά της ατµόσφαιρας και για ολόκληρη την ατµόσφαιρα (Yu.M. Timofeyev and A.V. Vasi'lev, 2008,Theoretical Fundamentals of Atmospheric Optics). Επιπλέον, οι υδρατµοί εµφανίζουν λιγότερο ισχυρές, ωστόσο σηµαντικές, ζώνες απορρόφησης στο κοντινό υπέρυθρο λόγω δόνησης αλλά και στο ορατό τµήµα του ηλιακού φάσµατος (σχήµα 1.8), οι οποίες, οφείλονται σε µεταπτώσεις των ηλεκτρονίων των ατόµων από τη βασική τους στάθµη. Στην περιοχή του κοντινού υπερύθρου, αυτές οι ζώνες απορροφούν σηµαντική ποσότητα της ηλιακής ακτινοβολίας στην κατώτερη ατµόσφαιρα. Τα κεντρικά µήκη κύµατος των ζωνών αυτών είναι τα 0.94, 1.1, 1.38 και 1.87 µm, ενώ συµβολίζονται µε τα ελληνικά γράµµατα (ρ, σ, τ), φ, Ψ και ω αντίστοιχα. Γενικά, το τµήµα του φάσµατος µε µήκη κύµατος µm, στο οποίο απορροφούν σηµαντικά οι υδρατµοί, αντιστοιχεί στο 40.1% περίπου της εισερχόµενης ηλιακής ακτινοβολίας, όπως προκύπτει από τον πίνακα 1.1. Η ολική συγκέντρωση των υδρατµών (στήλη) µπορεί να εκτιµηθεί από 20

22 την απορρόφηση στην περιοχή των 0.94µm. Η φασµατική αυτή περιοχή χρησιµοποιείται κατά κόρον για τον προσδιορισµό της στήλης των υδρατµών από µετρήσεις φωτοµέτρων. Η συγκεκριµένη ζώνη απορρόφησης χρησιµοποιήθηκε και στην παρούσα εργασία για τον προσδιορισµό της κατακόρυφης στήλης των υδρατµών. Σχήµα 1.8: Καµπύλες της φασµατικής ροής της ηλιακής ακτινοβολίας στο άνω όριο της ατµόσφαιρας και στην επιφάνεια της Γης για ηλιακή ζενίθια γωνία 60 ο και για ατµόσφαιρα χωρίς αιωρούµενα σωµατίδια και νέφη (Κ. Ν. Liou, 2002, An Introduction to Atmospheric Radiation Second Edition). 21

23 Πίνακας 1.1: Η ποσοστιαία συνεισφορά της εισερχόµενης ηλιακής ροής στη φασµατική περιοχή µm και η µοριακή απορρόφηση αλλά και η σκέδαση Rayleigh σε κάθε επιµέρους τµήµα της περιοχής αυτής (Vardavas I. M., Taylor F. W., 2007, Radiation and Climate). Τέλος, παρόλο που η απορρόφηση από τους υδρατµούς στην ορατή περιοχή µε κεντρικά µήκη κύµατος τα 0.72 και 0.82 µm είναι σχετικά ασθενής, η συνεισφορά της στη θέρµανση της ατµόσφαιρας δε θεωρείται ασήµαντη. Υπάρχει, επίσης, ένα πλήθος από γραµµές απορρόφησης των υδρατµών στην ορατή περιοχή, λόγω συνδυαστικών ηλεκτρονιακών µεταπτώσεων, αλλά η επίδρασή τους στην απορρόφηση της ηλιακής ακτινοβολίας και στη θέρµανση της ατµόσφαιρας είναι αµελητέα. 22

24 1.3 Τηλεπισκόπηση της ατµόσφαιρας Με τον όρο τηλεπισκόπηση περιγράφεται κάθε διαδικασία µε την οποία συλλέγονται πληροφορίες και δεδοµένα για ένα αντικείµενο ή µία φυσική διεργασία από απόσταση. Η τηλεπισκόπηση δίνει τη δυνατότητα στους επιστήµονες να αποκτήσουν πληροφορίες για περιοχές που δεν είναι εύκολα προσβάσιµες (ατµόσφαιρα, πάγος, ωκεανοί), ενώ κάνει εφικτή τη συλλογή δεδοµένων ακόµα και σε παγκόσµια κλίµακα (π.χ. δορυφόροι), όταν αυτό είναι αναγκαίο. Επιπλέον, µε τη µέθοδο της τηλεπισκόπησης είναι δυνατή η αυτοµατοποιηµένη διεξαγωγή µετρήσεων για µεγάλα χρονικά διαστήµατα και για πολλές παραµέτρους ταυτόχρονα µε σχετικά χαµηλό κόστος. Στον αντίποδα, η τηλεπισκόπηση παρέχει πάντα έµµεσες µετρήσεις της ποσότητας που µας ενδιαφέρει, για την ερµηνεία των οποίων πολλές φορές χρειάζονται επιπλέον παραδοχές ή/και χρήση υπολογιστικών µοντέλων. Επιπλέον, η εκτίµηση των σφαλµάτων των µετρήσεων τηλεπισκόπησης αλλά και η επικύρωσή τους είναι µείζονα θέµατα, και ορισµένες φορές δύσκολα στην εφαρµογή τους. Στις ατµοσφαιρικές επιστήµες η πιο διαδεδοµένη µέθοδος τηλεπισκόπησης είναι η ανίχνευση ηλεκτροµαγνητικής ακτινοβολίας. Κύριοι τοµείς εφαρµογής της τηλεπισκόπησης της ατµόσφαιρας είναι: η µελέτη της σύστασης και της δοµής της ατµόσφαιρας η µελέτη των ιδιοτήτων και των διεργασιών της ατµόσφαιρας η ατµοσφαιρική ρύπανση οι µετεωρολογικές µελέτες οι κλιµατικές µελέτες η πρόγνωση του καιρού Η τηλεπισκόπηση της ατµόσφαιρας µπορεί να πραγµατοποιηθεί τόσο µε επίγεια όργανα όσο και µε δορυφόρους. Επιπλέον, οι µέθοδοι της ατµοσφαιρικής τηλεπισκόπησης διαχωρίζονται σε ενεργητικές και παθητικές, ανάλογα µε την πηγή της ηλεκτροµαγνητικής ακτινοβολίας. Στην ενεργητική τηλεπισκόπηση εκπέµπεται ακτινοβολία από µία πηγή και στη συνέχεια ανιχνεύεται είτε η ακτινοβολία που 23

25 διαπερνά την ατµόσφαιρα και φτάνει στον ανιχνευτή, είτε αυτή που σκεδάζεται και επιστρέφει πίσω, ανάλογα µε τον σκοπό της εφαρµογής και την χρησιµοποιούµενη διάταξη. Ενεργητικά συστήµατα τηλεπισκόπησης αποτελούν τα SONAR (Sonic Detection And Ranging), RADAR (RAdio Detection And Ranging), LIDAR (LIght Detection And Ranging) και ενεργητικά συστήµατα DOAS (Differential Optical Absorption Spectroscopy). Με τα παθητικά συστήµατα τηλεπισκόπησης ανιχνεύεται ακτινοβολία, η οποία προέρχεται από µία φυσική πηγή, όπως ο Ήλιος, η Γη, η Σελήνη και τα άστρα και έχει υποστεί εξασθένηση, σκέδαση ή ανάκλαση πριν φτάσει στον ανιχνευτή. Σε αυτήν την κατηγορία ανήκουν τα επίγεια και δορυφορικά φασµατοφωτόµετρα, φωτόµετρα και ακτινόµετρα. Τα συστήµατα τηλεπισκόπησης παρέχουν διαφορετικές πληροφορίες, ανάλογα µε τη φασµατική περιοχή λειτουργίας τους: περιοχή υπεριώδους παρέχουν πληροφορίες για τα αιωρούµενα σωµατίδια και για την ολική στήλη και την κατακόρυφη κατανοµή ατµοσφαιρικών αερίων (π.χ. Ο 3, SO 2, HCOH) ορατή περιοχή παρέχουν πληροφορίες για την ολική στήλη και την κατακόρυφη κατανοµή ατµοσφαιρικών αερίων (π.χ. NO 2, O 3 ), για τα αιωρούµενα σωµατίδια και για την ανακλαστικότητα του εδάφους περιοχή υπερύθρου παρέχουν πληροφορίες για την ολική στήλη και την κατακόρυφη κατανοµή ατµοσφαιρικών αερίων (π.χ. H 2 O, CO 2 ), αλλά και πληροφορίες για τα νέφη και τη θερµοκρασία της ατµόσφαιρας περιοχή µικροκυµάτων παρέχουν πληροφορίες για τη θερµοκρασία και την υγρασία της ατµόσφαιρας, τα νέφη, την ταχύτητα και τη διεύθυνση του ανέµου, αλλά και πληροφορίες για την επιφάνεια της Γης (θερµοκρασία, υγρασία, βλάστηση, µορφολογία) Το φασµατοφωτόµετρο Φαέθων, του οποίου µετρήσεις χρησιµοποιήθηκαν για την εκπόνηση της παρούσας διπλωµατικής εργασίας, ανήκει στην κατηγορία των παθητικών συστηµάτων τηλεπισκόπησης. 24

26 1.4 Μετρήσεις της ηλιακής ακτινοβολίας Η ηλιακή ακτινοβολία, ανάλογα µε τον τρόπο διάδοσής της στην ατµόσφαιρα και τον τρόπο ανίχνευσής της, χωρίζεται στις εξής συνιστώσες: άµεση ακτινοβολία δεν έχει υποστεί σκέδαση ή απορρόφηση, προέρχεται από τον ηλιακό δίσκο και µετράται από συλλέκτη τοποθετηµένο κάθετα στη διεύθυνση διάδοσής της διάχυτη ακτινοβολία έχει υποστεί σκέδαση και µετράται είτε µε οριζόντιο συλλέκτη και αφορά την ακτινοβολία που προέρχεται από όλο τον ουράνιο θόλο εκτός του ηλιακού δίσκου, είτε µε συλλέκτη περιορισµένου οπτικού πεδίου προσανατολισµένο σε επιλεγµένη διεύθυνση ολική ακτινοβολία είναι το άθροισµα της άµεσης και διάχυτης συνιστώσας σε οριζόντιο επίπεδο και µετράται µε οριζόντιο συλλέκτη Μετρήσεις άµεσης ακτινοβολίας Για την εργασία αυτή, όπως αναφέρεται λεπτοµερώς και στο επόµενο κεφάλαιο, χρησιµοποιήθηκαν φασµατικές µετρήσεις άµεσης ακτινοβολίας. Στις ατµοσφαιρικές επιστήµες οι µετρήσεις της άµεσης ακτινοβολίας είναι πολύ σηµαντικές διότι χρησιµοποιούνται στον προσδιορισµό της ολικής συγκέντρωσης (στήλης) ατµοσφαιρικών ενώσεων. Επίσης, µέσω της µεθόδου Langley, υπολογίζεται τόσο το οπτικό βάθος των αιωρούµενων σωµατιδίων, όσο και η ακτινοβολία στο άνω όριο της ατµόσφαιρας. Οι µελέτες µε µοντέλα προσοµοίωσης επωφελούνται από αυτές τις µετρήσεις, καθώς η παραµετροποίηση της άµεσης ακτινοβολίας είναι ευκολότερη σε σχέση µε την ολική και τη διάχυτη. Η µέτρηση της άµεσης συνιστώσας της ακτινοβολίας ανάγεται στη µέτρηση της πυκνότητας ροής (irradiance) σε µία επιφάνεια αναφοράς, η οποία τοποθετείται κάθετα στη διεύθυνση διάδοσης της ακτινοβολίας. Η άµεση ακτινοβολία αποτελείται από φωτόνια που προέρχονται απευθείας από την πηγή, άρα απαιτείται περιορισµός του οπτικού πεδίου της µονάδας εισόδου του οργάνου ώστε να 25

27 αποκλείεται η είσοδος σε φωτόνια που προέρχονται από άλλες κατευθύνσεις. Επίσης, η διάταξη πρέπει να έχει τη δυνατότητα να παρακολουθεί την κίνηση της πηγής. Αυτό επιτυγχάνεται µε διατάξεις που µηχανικά ή ηλεκτρονικά κατευθύνουν τον άξονα του οργάνου ώστε να συµπίπτει µε τον άξονα Γης-Ηλίου Βασικά ακτινοµετρικά µεγέθη Φασµατική ένταση ή λαµπρότητα (spectral radiance) Ορίζεται ως η ακτινοβολούµενη ισχύς ανά µονάδα µήκους κύµατος, ανά µονάδα επιφάνειας, και ανά µονάδα στερεάς γωνίας της δέσµης των ακτίνων. Εκφράζει δηλαδή, την ισχύ Φ σε κάποιο φασµατικό εύρος λ µιας δέσµης ακτινοβολίας που περιέχεται σε µία στερεά γωνία Ω και διαδίδεται κατά τη διεύθυνση (θ, φ) διαπερνώντας κάθετα µία επιφάνεια Α.,, = cos Στην πράξη, η µέτρηση της λαµπρότητας αναφέρεται στη µέτρηση της ισχύος της ακτινοβολίας που περιέχεται σε έναν κώνο, ο οποίος ορίζεται από το σηµείο που βρίσκεται η είσοδος του οργάνου (κορυφή του κώνου) και από το οπτικό πεδίο του οργάνου (δηλαδή τη στερεά γωνία που περιέχει τις ακτίνες). Οι µονάδες µέτρησης της έντασης της ακτινοβολίας είναι W m -2 nm -1 sr -1. Φασµατική πυκνότητα ροής ακτινοβολίας (spectral irradiance) Είναι η φασµατική ισχύς της ακτινοβολίας που διέρχεται ή εκπέµπεται από µία επιφάνεια ανά µονάδα επιφάνειας και µετριέται σε W m -2 nm -1. = Εκφράζει τη φασµατική ροή της ακτινοβολίας σε µία επίπεδη επιφάνεια ανά µονάδα επιφάνειας. Πρόκειται δηλαδή για το αποτέλεσµα που προκύπτει από την ολοκλήρωση για όλο το άνω ηµισφαίριο (2π) της λαµπρότητας πολλαπλασιασµένης 26

28 µε το συνηµίτονο της γωνίας πρόσπτωσης. ηλαδή, ακτίνες που προσπίπτουν µε µεγάλη κλίση (π.χ. από διευθύνσεις κοντά στον ορίζοντα) συνεισφέρουν ελάχιστα στην πυκνότητα ροής, εφόσον το συνηµίτονο αυτών των γωνιών είναι πολύ µικρό. Αντίθετα, ακτίνες που προέρχονται από διευθύνσεις κοντά στο ζενίθ συνεισφέρουν σηµαντικά, αφού το συνηµίτονο της γωνίας πρόσπτωσης πλησιάζει τη µονάδα. =,, cos =,, cos sin Φασµατική ακτινική πυκνότητα ροής (spectral actinic flux) Εκφράζει τη φασµατική ροή της ακτινοβολίας ανά µονάδα επιφάνειας η οποία προσπίπτει σε µία σφαιρική επιφάνεια. Αντίθετα µε την πυκνότητα ροής, η ακτινική ροή είναι το αποτέλεσµα που προκύπτει από την ολοκλήρωση της έντασης της ακτινοβολίας σε όλο το χώρο (4π). Η ακτινοβολία προσπίπτει κάθετα στην επιφάνεια αναφοράς (σφαίρα) ανεξάρτητα από την διεύθυνσή της. Έτσι, όλες οι ακτίνες συµµετέχουν µε το ίδιο ποσοστό στον καθορισµό της ακτινικής ροής. =,, =,, sin 1.5 Μοντέλα διάδοσης της ακτινοβολίας Τα µοντέλα διάδοσης της ακτινοβολίας είναι υπολογιστικά εργαλεία προσοµοίωσης της ατµόσφαιρας και των διεργασιών αλληλεπίδρασης της ακτινοβολίας µε τα συστατικά της. Όλα τα µοντέλα διάδοσης ακτινοβολίας βασίζονται στην επίλυση της εξίσωσης διάδοσης της ακτινοβολίας και υπολογίζουν για κάθε µήκος κύµατος τη διαπερατότητα, την πυκνότητα ροής της ακτινοβολίας σε οριζόντιο επίπεδο (άµεση και διάχυτη προς τα κάτω και προς τα άνω), την ακτινική 27

29 ροή (άµεση και διάχυτη προς τα κάτω και προς τα άνω), αλλά και όλα τα υπόλοιπα ακτινοµετρικά µεγέθη, τα οποία προκύπτουν από την πυκνότητα ροής. Για τη λειτουργία των µοντέλων και την ακρίβεια των αποτελεσµάτων τους χρειάζονται επαρκή και κατάλληλα επιλεγµένα δεδοµένα εισόδου. Πιο συγκεκριµένα, εισάγονται στο µοντέλο οι ολικές συγκεντρώσεις των ατµοσφαιρικών συστατικών, καθώς και η καθ ύψος κατανοµές τους, ενώ ορίζονται οι ενεργές διατοµές απορρόφησης των συστατικών αυτών, το φάσµα της ηλιακής ακτινοβολίας και οι κατακόρυφες κατανοµές της θερµοκρασίας και της πυκνότητας του αέρα. Παράλληλα, καθορίζονται τα στρώµατα στα οποία χωρίζεται η ατµόσφαιρα, ώστε να εφαρµοστεί η εξίσωση διάδοσης, τα µήκη κύµατος που µας ενδιαφέρουν και η φασµατική ανάλυση, η ηµέρα του έτους για τον υπολογισµό της απόστασης Ηλίου- Γης και η ζενίθια γωνία ή, αντίστοιχα, οι συντεταγµένες και η ώρα. Επιπλέον, ανάλογα µε την εφαρµογή, µπορούν να εισαχθούν και άλλες πληροφορίες, όπως η ανακλαστικότητα του εδάφους, το οπτικό βάθος των αιωρούµενων σωµατιδίων ή των νεφών κ.ά. Τα µοντέλα διάδοσης της ακτινοβολίας είναι εργαλεία χρήσιµα για τον έλεγχο της σωστής λειτουργίας των διαφόρων οργάνων. Επίσης, χρησιµοποιούνται για τον προσδιορισµό της επίδρασης των διαφόρων µεταβαλλόµενων παραµέτρων, όπως οι συγκεντρώσεις διαφόρων αερίων, η ανακλαστικότητα του εδάφους ή οι ιδιότητες των νεφών, στη διάδοση της ακτινοβολίας και, κατ επέκταση, στο κλίµα. Σηµαντική είναι και η εφαρµογή τους για τον υπολογισµό διαφόρων παραµέτρων, όπως, για παράδειγµα, οι συντελεστές αέριας µάζας (Air Mass Factors, AMF), οι οποίοι χρησιµοποιούνται στη µετατροπή της στήλης υπό γωνία (slant column) των ατµοσφαιρικών συστατικών σε κατακόρυφη στήλη (vertical column). 28

30 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Όργανο και δεδοµένα 2.1 Φασµατοφωτόµετρο Φαέθων Όπως αναφέρθηκε ήδη, το φασµατοφωτόµετρο Φαέθων ανήκει στην κατηγορία των παθητικών συστηµάτων τηλεπισκόπησης και λειτουργεί στις περιοχές του υπεριώδους, του ορατού και ενός µικρού τµήµατος του κοντινού υπερύθρου (µέχρι τα 1020nm περίπου). Το σύστηµα Φαέθων αναπτύχθηκε στο Εργαστήριο Φυσικής της Ατµόσφαιρας (ΕΦΑ) του Αριστοτελείου Πανεπιστηµίου της Θεσσαλονίκης (ΑΠΘ). Είναι ένα καινούργιο τεχνολογικά όργανο όσον αφορά τα βασικά µέρη του και τις διαδικασίες κίνησης, µέτρησης και ανάλυσης των δεδοµένων [Kouremeti et al., 2008]. Το σύστηµα Φαέθων παρέχει τη δυνατότητα µέτρησης όλων των συνιστωσών της ηλιακής ακτινοβολίας, ολική, άµεση και διάχυτη από οποιοδήποτε σηµείο του ουρανού, για µία ευρεία φασµατική περιοχή, ξεκινώντας από το υπεριώδες τµήµα και καταλήγοντας στο κοντινό υπέρυθρο. Επιπλέον, πραγµατοποιεί µετρήσεις µε µεγάλη συχνότητα, ενώ µπορεί να µετακινηθεί, τοποθετηθεί και χρησιµοποιηθεί σε οποιοδήποτε περιβάλλον, λόγω του µικρού µεγέθους/βάρους του, της δυνατότητας ανεξαρτησίας στην κίνηση και µέτρηση, 29

31 αλλά και της δυνατότητας του εύκολου προγραµµατισµού όσον αφορά στην κίνησή του σε σχέση µε τον Ήλιο Τεχνική περιγραφή Τα κύρια µέρη του συστήµατος Φαέθων είναι το φασµατοφωτόµετρο, το οπτικό σύστηµα εισόδου, τα ηλεκτρονικά και το σύστηµα παρακολούθησης του Ηλίου (εικόνα 1). Ο σχεδιασµός και η υλοποίηση των τριών πρώτων µερών του συστήµατος του Φαέθοντα πραγµατοποιήθηκε σε συνεργασία µε την εταιρεία Meterorologie Consult GmbH, Königstein, Germany, ενώ το σύστηµα παρακολούθησης του Ηλίου σχεδιάστηκε και αναπτύχθηκε στο ΕΦΑ. Εικόνα 1: Το σύστηµα Φαέθων. Αριστερά: Το σύστηµα προσανατολισµού µε τα οπτικά εισόδου. Πάνω δεξιά: Το φασµατοφωτόµετρο και τα ηλεκτρονικά του συστήµατος. Κέντρο δεξιά: Η είσοδος των δύο τηλεσκοπίων. Κάτω δεξιά: Τα τεχνικά µέρη του συστήµατος προσανατολισµού. 30

32 Αναλυτικότερα, το σύστηµα Φαέθων αποτελείται από ένα φασµατοφωτόµετρο πολλαπλών καναλιών Multi-Channel-Spectrometer (MCS- CCD) µε προενισχυτή και σύστηµα ψύξης του ανιχνευτή (Zeiss GmbH, Jena, Germany). Ο ανιχνευτής αισθητήρας είναι ένα CCD (Charged Coupled Device) στερεάς κατάστασης τύπου S7031(1006) της Hamamatsu Photonics (Hamamatsu Photonics, K.K., Hamamatsu City, Japan). Το CCD ψύχεται από ενσωµατωµένο σύστηµα ψύξης ενός σταδίου µε το οποίο µπορεί να επιτευχθεί διαφορά θερµοκρασίας -15 ο C από τη θερµοκρασία περιβάλλοντος. Σε ένα διαφορετικό κουτί περιέχονται τα ηλεκτρονικά, προενισχυτής και Front End Electronics (FEE) (Tec5, Oberursel, Germany), µέσω των οποίων γίνεται η επικοινωνία µεταξύ υπολογιστή και ανιχνευτή (λήψη δεδοµένων, καθορισµός του χρόνου ολοκλήρωσης, έναρξη µέτρησης, καταγραφή της θερµοκρασίας του ανιχνευτή). Τα ηλεκτρονικά FEE καθορίζουν και τον τρόπο µε τον οποίο συλλέγεται το σήµα από το CCD. Εικόνα 2: Το εσωτερικό του φασµατογράφου Zeiss του συστήµατος Φαέθων. Τα οπτικά εισόδου του συστήµατος είναι δύο τηλεσκόπια, ένα για τις µετρήσεις της άµεσης και ένα για τις µετρήσεις της διάχυτης ακτινοβολίας, και ένας 31

33 συλλέκτης ολικής ακτινοβολίας, τα οποία καθορίζουν τη γεωµετρία της µετρούµενης ηλιακής ακτινοβολίας και συνδέονται µε το φασµατογράφο µέσω µίας οπτικής ίνας µε αυξηµένη διαπερατότητα στην υπεριώδη περιοχή. Η οπτική ίνα συνδέεται µε την εσωτερική οπτική ίνα του φασµατογράφου µε ένα κλασικό µηχανικό σύνδεσµο (Standard Mechanical Adapter (SMA)). Ο όρος τηλεσκόπιο αναφέρεται σε έναν σωλήνα, του οποίου το εσωτερικό χαρακτηρίζεται από περιορισµένη ανακλαστικότητα, και σκοπός του είναι να περιορίζει το οπτικό πεδίο του συλλέκτη της άµεσης και της διάχυτης ακτινοβολίας. Το οπτικό πεδίο του τηλεσκοπίου για τις µετρήσεις της άµεσης ηλιακής ακτινοβολίας έχει επιλεχθεί και τεθεί στις 1.2 ο, ενώ εκείνου για τη διάχυτη ακτινοβολία στις 4.6 ο. Ανάλογα µε την εφαρµογή, το οπτικό πεδίο µπορεί να µεταβληθεί, µεταβάλλοντας τη σειρά των διαφραγµάτων µέσα στο τηλεσκόπιο. Στο οπτικό σύστηµα εισόδου της άµεσης ηλιακής ακτινοβολίας έχει προστεθεί φίλτρο εξασθένησης, ώστε να αποφευχθεί ο κορεσµός του σήµατος του CCD. Η ακτινοβολία, µέσω της οπτικής ίνας, οδηγείται στην παραλληλόγραµµη σχισµή εισόδου του φασµατογράφου. Στη συνέχεια, η ακτινοβολία προσπίπτει σε ένα επίπεδο φράγµα διάθλασης, το οποίο την αναλύει φασµατικά αναπτύσσοντας ολόκληρο το φάσµα της πάνω στον ανιχνευτή CCD. Το CCD ψύχεται θερµοηλεκτρικά από ένα στοιχείο Peltier, έτσι ώστε να µειώνεται τόσο ο λόγος του σήµατος προς τον θόρυβο, όσο και η εγγενής στάθµη του ρεύµατος σκότους. Ο συνδυασµός του αριθµού των στοιχείων του CCD, του εύρους της σχισµής εισόδου, του φράγµατος διάθλασης και της εστιακής απόστασης έχουν ως αποτέλεσµα ο φασµατογράφος να καλύπτει ονοµαστικά τη φασµατική περιοχή από τα έως και τα nm µε µεταβλητό φασµατικό βήµα (σχήµα 2.1). Ο συλλέκτης της ολικής ακτινοβολίας αποτελείται από έναν ηµιδιαφανή θόλο και ένα επίπεδο πλακίδιο διάχυσης. Με αυτά τα οπτικά συνδέεται η ίνα της διάχυτης ακτινοβολίας. Έτσι το σύστηµα Φαέθων µπορεί να χρησιµοποιηθεί για δύο τύπους µετρήσεων ανάλογα µε τη συνδεσµολογία που επιλέγεται: 1. άµεση και διάχυτη ακτινοβολία 2. άµεση και ολική ακτινοβολία 32

34 Σχήµα 2.1: Εξάρτηση του φασµατικού βήµατος του συστήµατος Φαέθων από το µήκος κύµατος. Για τον προσανατολισµό του συστήµατος προς τον Ήλιο ή προς οποιοδήποτε σηµείο του ουράνιου θόλου, τα οπτικά εισόδου είναι τοποθετηµένα πάνω σε σύστηµα προσανατολισµού δύο αξόνων. Συγκεκριµένα για τον ακριβή προσανατολισµό του συστήµατος στον Ήλιο χρησιµοποιούνται οι τιµές της ηλιακής ζενίθιας και αζιµούθιας γωνίας, οι οποίες υπολογίζονται µέσω αστρονοµικών εξισώσεων µε βάση τις γεωγραφικές συντεταγµένες του τόπου και του ακριβούς χρόνου. Στη συνέχεια, ανιχνεύεται η µέγιστη ένταση µεταβάλλοντας µε µικρά βήµατα τη ζενίθια και αζιµούθια γωνία του τηλεσκοπίου Χαρακτηρισµός του οργάνου και αξιολόγηση των µετρήσεων της άµεσης ηλιακής ακτινοβολίας Όλα τα όργανα µέτρησης της ακτινοβολίας είναι απαραίτητο να περάσουν από µία διαδικασία ελέγχου και προσδιορισµού των χαρακτηριστικών των διαφόρων τµηµάτων τους, ώστε να προσδιοριστούν οι αβεβαιότητες και η ποιότητα των µετρήσεων που εκτελούν [Seckmeyer et al., 2010]. Ο χαρακτηρισµός του συστήµατος Φαέθων έχει πραγµατοποιηθεί µέσω εργαστηριακών και ατµοσφαιρικών µετρήσεων. Συγκεκριµένα, έχουν εξεταστεί το σήµα σκότους, η εσωτερικά σκεδαζόµενη ακτινοβολία, η γραµµικότητα του ανιχνευτή CCD, η γωνιακή απόκριση, ο λόγος του σήµατος προς τον θόρυβο, το όριο ανίχνευσης της 33

35 ακτινοβολίας και η συνάρτηση σχισµής, ενώ έχει γίνει απόλυτη βαθµονόµηση του οργάνου για την άµεση, διάχυτη και ολική ακτινοβολία. Το ολικό εύρος στο ήµισυ του µεγίστου (FWHM) της συνάρτησης σχισµής φαίνεται στο σχήµα 2.2. Για µήκη κύµατος >~900nm, στην περιοχή δηλαδή που βρίσκεται η ζώνη απορρόφησης των υδρατµών που χρησιµοποιήθηκε στην παρούσα εργασία, η τιµή του θεωρήθηκε σταθερή και ίση µε 3.66nm. Η συνολική αβεβαιότητα στις µετρήσεις άµεσης ακτινοβολίας του συστήµατος Φαέθων υπολογίστηκε ίση µε 3.8%. Σχήµα 2.2: Το ολικό εύρος στο ήµισυ του µεγίστου (FWHM) της τριγωνικής συνάρτησης σχισµής του συστήµατος Φαέθων συναρτήσει του µήκους κύµατος. Η µαύρη καµπύλη αντιστοιχεί σε προσέγγιση των δεδοµένων spline. Η αξιολόγηση των µετρήσεων της άµεσης ακτινοβολίας του συστήµατος Φαέθων πραγµατοποιήθηκε συγκρίνοντας αυτές µε τις αντίστοιχες µετρήσεις του φασµατοφωτοµέτρου Bentham DTM300 από το Medical University of Innsbruck. Τα όργανα πραγµατοποίησαν παράλληλες µετρήσεις κατά τη διάρκεια της πειραµατικής εκστρατείας SCOUT-O 3 [Pissula et al., 2009]. Επειδή η φασµατική απόκριση του φασµατογράφου του συστήµατος Φαέθων εκτείνεται σε µήκη κύµατος µεγαλύτερα του άνω ορίου µέτρησης του Bentham, η αξιολόγηση των 34

36 µετρήσεων της ροής της άµεσης ηλιακής ακτινοβολίας µε µήκος κύµατος µεγαλύτερο των 500nm και για την ίδια χρονική περίοδο έγινε έµµεσα, συγκρίνοντας τις υπολογιζόµενες τιµές οπτικού βάθους των αιωρούµενων σωµατιδίων µε τις αντίστοιχες του φωτοµέτρου Cimel, το οποίο επίσης λειτουργεί στο ΕΦΑ και είναι ένα από τα όργανα του παγκόσµιου δικτύου AERONET. Η καλή συµφωνία µεταξύ του συστήµατος Φαέθων και των άλλων δύο οργάνων, τόσο στις φασµατικές µετρήσεις της άµεσης ηλιακής ακτινοβολίας όσο και στο οπτικό βάθος των αιωρούµενων σωµατιδίων, πιστοποιεί την ικανότητα του συστήµατος να πραγµατοποιεί αξιόπιστες µετρήσεις µε κατώτερο µήκος κύµατος τα 310nm. Η περιγραφή που προηγήθηκε, καθώς και ο χαρακτηρισµός και η αξιολόγηση των µετρήσεων του οργάνου αφορούν το σύστηµα Φαέθων και τα επιµέρους τµήµατα που το αποτελούσαν όπως ήταν την περίοδο κατά την οποία διεξήχθησαν οι µετρήσεις που χρησιµοποιήθηκαν για την εκπόνηση της συγκεκριµένης εργασίας. Αργότερα, ο Φαέθων αναβαθµίστηκε και στο πλαίσιο της αναβάθµισής του αυτής αντικαταστάθηκε ο φασµατογράφος µε έναν µεγαλύτερης ανάλυσης και µικρότερου φασµατικού εύρους και προσαρµόστηκαν τα οπτικά µέρη ανάλογα [Kouremeti et al., 2012]. Επίσης, αφαιρέθηκε το ένα από τα δύο τηλεσκόπια και ο συλλέκτης της ολικής ακτινοβολίας. 2.2 εδοµένα Για την εκπόνηση της παρούσας διπλωµατικής εργασίας χρησιµοποιήθηκαν φασµατικές µετρήσεις ροής της άµεσης ηλιακής ακτινοβολίας (direct irradiance), οι οποίες πραγµατοποιήθηκαν από το σύστηµα του Φαέθοντα, όπως αυτό περιγράφηκε στην ενότητα 2.1. Οι µετρήσεις αυτές διεξήχθησαν στη Θεσσαλονίκη, στο Εργαστήριο Φυσικής της Ατµόσφαιρας (ΕΦΑ), που βρίσκεται στο δώµα της Σχολής Θετικών Επιστηµών (ΣΘΕ) του Αριστοτελείου Πανεπιστηµίου της 35

37 Θεσσαλονίκης (ΑΠΘ), κατά την περίοδο και καλύπτουν συνολικά 80 ηµέρες. υστυχώς δεν ήταν διαθέσιµες περισσότερες ηµέρες µετρήσεων, διότι, όπως αναφέρθηκε ήδη, το όργανο στη συνέχεια αναβαθµίστηκε και το καινούργιο φασµατικό εύρος λειτουργίας του δεν περιελάµβανε την περιοχή απορρόφησης των υδρατµών γύρω από το µήκος κύµατος 940nm στο κοντινό υπέρυθρο. Έχει γίνει ποιοτικός έλεγχος όλων των µετρήσεων µέσω της σύγκρισης του παραγόµενου από αυτές οπτικού βάθους των αιωρούµενων σωµατιδίων µε τις αντίστοιχες τιµές του φωτοµέτρου Cimel (AERONET) του ΕΦΑ. Επιπλέον, από τα δεδοµένα έχουν αφαιρεθεί µετρήσεις που πραγµατοποιήθηκαν υπό συννεφιασµένο ουρανό. Ιδιαίτερα οι µετρήσεις του έτους 2006, διεξήχθησαν κατά τη διάρκεια της εκστρατείας SCOUT-O 3 και η διαδικασία αξιολόγησής τους περιγράφηκε στην προηγούµενη παράγραφο. Η εκστρατεία αυτή είχε θέµα την υπεριώδη ακτινοβολία και τα αιωρούµενα σωµατίδια και έλαβε χώρα την περίοδο από 12 έως 25 Ιουλίου του 2006 στη Θεσσαλονίκη, στα πλαίσια του ευρωπαϊκού προγράµµατος πολλαπλών θεµατικών ενοτήτων SCOUT-O 3 (Stratosphere-Climate Links with Emphasis on the Upper Troposphere and Lower Stratosphere). 36

38 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Μεθοδολογία Ο προσδιορισµός της συγκέντρωσης των υδρατµών µπορεί να πραγµατοποιηθεί σε παγκόσµια κλίµακα από δορυφορικά όργανα, όπως το MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer, NASA Aqua and Terra), το AIRS (Atmospheric Infrared Sounder, Aqua) και το TES (Tropospheric emission Spectrometer, NASA Aura). Ωστόσο, τα αποτελέσµατα των δορυφόρων για τους υδρατµούς χαρακτηρίζονται από µεγάλα σφάλµατα, λόγω των αβεβαιοτήτων στην ανακλαστικότητα της επιφάνειας, και έχουν µικρή χρονική ανάλυση. Από την άλλη, ως απάντηση στους παραπάνω περιορισµούς, υπάρχει διαθέσιµη µία ευρεία γκάµα επίγειων µετρήσεων οργανωµένες σε δίκτυα σταθµών, από ραδιοβολίσεις, φωτόµετρα, συστήµατα LIDAR και ακτινόµετρα µικροκυµάτων. Γενικά, τα φωτόµετρα έχουν χρησιµοποιηθεί περισσότερο από τα φασµατοφωτόµετρα για τον υπολογισµό της συγκέντρωσης των υδρατµών [Michalsky et al., 1995, Schmid et al., 2001, Perez-Ramirez et al., 2012]. Οι πρώτες σχετικές εργασίες στις οποίες χρησιµοποιήθηκε φωτόµετρο είναι του Volz [1974] και των Tomasi and Guzzi [1974]. Ωστόσο, οι πρώτες εργασίες που σχετίζουν την ολική στήλη των υδρατµών µε τη διαπερατότητα της ακτινοβολίας στις ζώνες απορρόφησής τους στο κοντινό 37

39 υπέρυθρο χρονολογούνται στις αρχές του προηγούµενου αιώνα [Fowle 1912, 1913, 1915]. Η σχέση αυτή µεταξύ της στήλης των υδρατµών και της διαπερατότητας ήταν ήδη γνωστή ποιοτικά [Goody and Yung 1989] αλλά αποδείχθηκε δύσκολο να ποσοτικοποιηθεί. Ο Fowle επιχείρησε την ποσοτικοποίηση της σχέσης αυτής και την εφαρµογή της στα δεδοµένα που συνέλεξε στο Mount Wilson της California. Την εµπειρική προσέγγιση του Fowle ακολούθησαν και άλλοι επιστήµονες, οι οποίοι χρησιµοποίησαν λόγους µετρήσεων µέσα και έξω από τις ζώνες απορρόφησης των υδρατµών [Hand 1940, Foster and Foskett 1945]. Η µέθοδος βασιζόταν στην εµπειρική προσαρµογή (fitting) των δεδοµένων µε µετρήσεις της στήλης των υδρατµών από άλλη πηγή, συνήθως ραδιοβολίσεις [Volz 1974]. Οι Gates και Harrop [1963] πρότειναν την εξάρτηση της διαπερατότητας από την τετραγωνική ρίζα της στήλης των υδρατµών βασιζόµενοι στο µοντέλο του Goody [1958]. Ωστόσο, και µε αυτήν τη µέθοδο οι παράµετροι για τη µετατροπή της διαπερατότητας σε στήλη υδρατµών υπολογίζονταν εµπειρικά. Οι Reagan et al. [1987b] εισήγαγαν πρώτοι την τροποποιηµένη µέθοδο Langley που επιτρέπει τον υπολογισµό της στήλης των υδρατµών µε τη χρήση ενός µοντέλου της διαπερατότητας της ατµόσφαιρας για δεδοµένο φασµατικό φίλτρο χωρίς τη σύγκριση µε µετρήσεις των υδρατµών από άλλα όργανα. Οι Bruegge et al. [1992] εφάρµοσαν την τροποποιηµένη µέθοδο Langley, αλλά χρησιµοποίησαν τον υπολογιστικό κώδικα LOWTRAN 7 [Kneizys et al., 1989] για τον υπολογισµό της διαπερατότητας. Την ίδια µέθοδο ακολούθησαν και οι Michalsky et al. [1995] κάνοντας χρήση του κώδικα MODTRAN2 [Berk et al., 1989]. Στην παρούσα εργασία εφαρµόστηκε η τροποποιηµένη µέθοδος Langley. Τα δεδοµένα από το φασµατοφωτόµετρο Zeiss του συστήµατος Φαέθων χρησιµοποιήθηκαν για τον προσδιορισµό της διαπερατότητας τον υδρατµών, ενώ για την παραµετροποίηση της σχέσης που συνδέει τη διαπερατότητα µε τη συγκέντρωση των υδρατµών στην ατµόσφαιρα χρησιµοποιήθηκε τo µοντέλο διάδοσης της ακτινοβολίας libradtran [Mayer and Kylling, 2005] σε συνδυασµό µε το λογισµικό πακέτο προσοµοίωσης της διάδοσης ακτινοβολίας µεγάλων µηκών κύµατος ARTS [Buehler et al., 2004, Eriksson et al., 2011]. 38