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

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΦΥΣΙΚΗΣ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ Διδακτορική Διατριβή Μεταβολές αιωρούμενων σωματιδίων σε τοπική και παγκόσμια κλίμακα του Βασίλη Π. Αμοιρίδη Φυσικού Θεσσαλονίκη 2005

2 2 στους γονείς μου Παναγιώτη και Ελπίδα και στην αδερφή μου Αθηνά

3 3 Η επταμελής εξεταστική επιτροπή, που συγκροτήθηκε στην υπ' αριθμ. 10/ συνεδρίαση της Γενικής Συνέλευσης Ειδικής Σύνθεσης του Τμήματος Φυσικής της Σχολής Θετικών Επιστημών του Α.Π.Θ., για τη κρίση της διδακτορικής διατριβής του υποψήφιου διδάκτορα κ. Β. Αμοιρίδη, με θέμα: «Μεταβολές αιωρούμενων σωματιδίων σε τοπική και παγκόσμια κλίμακα» συνήλθε στις 07/07/2005 στην αίθουσα του μεταπτυχιακού «Φυσικής της Ατμόσφαιρας» του κτιρίου της Σχολής Θετικών Επιστημών, όπου ο υποψήφιος ανέπτυξε και υποστήριξε τη διατριβή του. Κατά την αξιολόγηση της διατριβής η επιτροπή έκρινε ομόφωνα ότι η διδακτορική διατριβή του κ. Β. Αμοιρίδη είναι πρωτότυπη και συμβάλει ουσιαστικά στην προαγωγή της επιστήμης, αποφάσισε δε επίσης ομόφωνα να εισηγηθεί την απονομή στον κ. Β. Αμοιρίδη του τίτλου του διδάκτορα του Τμήματος Φυσικής της Σχολής Θετικών Επιστημών του Α.Π.Θ. με βαθμό "Άριστα". Τα μέλη της επιτροπής αποτελούσαν οι κ.κ. Α. Μπάης (επιβλέπων), Χ. Ζερεφός, Ι. Σάχαλος, Κ. Μανωλίκας, Δ. Μπαλής, Δ. Μελάς και Α. Παπαγιάννης.

4 4 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Το αντικείμενο της διατριβής αυτής είναι η μελέτη των οπτικών ιδιοτήτων των αιωρούμενων σωματιδίων με την χρήση μεθόδων τηλεπισκόπησης lidar (light detection and ranging). Η διατριβή επικεντρώνεται στην μελέτη των ιδιοτήτων των αιωρούμενων σωματιδίων στην περιοχή της Θεσσαλονίκης. Στο πρώτο και δεύτερο μέρος της διατριβής παρουσιάζεται το σύστημα lidar του Εργαστηρίου Φυσικής της Ατμόσφαιρας (ΕΦΑ) του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης και αναλύονται οι μέθοδοι υπολογισμού των κατακόρυφων κατανομών των οπτικών ιδιοτήτων των αιωρούμενων σωματιδίων. Παρουσιάζονται επίσης όλες οι συγκρίσεις σε επίπεδο συστημάτων και αλγορίθμων που πραγματοποιήθηκαν στα πλαίσια του ευρωπαϊκού προγράμματος EARLINET (European Aerosol Research LIdar NETwork), όπου επιβεβαιώθηκε η ακρίβεια των μετρήσεων και των υπολογισμών που διενεργούνται με το lidar του ΕΦΑ στη Θεσσαλονίκη. Στο τρίτο μέρος παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της στατιστικής επεξεργασίας των μετρήσεων Raman lidar που πραγματοποιήθηκαν στην Θεσσαλονίκη από το 2001 έως το 2004 στα πλαίσια του ευρωπαϊκού προγράμματος EARLINET. Οι μέσες οπτικές ιδιότητες εξετάζονται ξεχωριστά για το ατμοσφαιρικό οριακό στρώμα και την ελεύθερη τροπόσφαιρα. Στο τέταρτο μέρος της διατριβής επικεντρώνουμε στα επεισόδια σωματιδιακής ρύπανσης στην ελεύθερη τροπόσφαιρα της Θεσσαλονίκης που καταγράφηκαν με το lidar του ΕΦΑ στην χρονική περίοδο Στο τελευταίο μέρος της διατριβής εξετάζεται η επίδραση των διαφορετικών τύπων αιωρούμενων σωματιδίων στα επίπεδα της UV ακτινοβολίας στο έδαφος. Ο πειραματικός προσδιορισμός του λόγου lidar και της ανακλαστικότητας μεμονωμένης σκέδασης είναι κρίσιμος για την ερμηνεία των επιπέδων της ακτινοβολίας στο έδαφος, ιδιαίτερα για περιοχές όπου έχουμε μεταβλητότητα στον φόρτο της σωματιδιακής ρύπανσης, όπως στην Βόρεια Ελλάδα.

5 5 ABSTRACT The object of this thesis is the study of the aerosol optical properties derived with lidar (light detection and ranging) methods. The lidar observations were performed at Thessaloniki, Greece. In the first and the second chapter we describe the instrumentation and the data analysis methods. Intercomparisons that took place within the European project EARLINET (European Aerosol Research LIdar NETwork) in system and algorithm level are also presented. These intercomparison experiments were performed to produce a high-quality standard of data originating from different systems within the network. In the third chapter we present the statistical analysis of the lidar derived aerosol optical properties observed at Thessaloniki during January 2001 to December 2004, in the framework of the EARLINET project. The lidar measurements are examined separately for the planetary boundary layer and the free troposphere. In the fourth chapter we examine special cases where long-range transport events of aerosol pollution in the free-troposphere over Thessaloniki took place. In the final chapter we study the effect of different types of aerosol on the levels of the UV-B solar irradiance at the Earth s surface. It is demonstrated that the combined use of the estimated single scattering albedo and the measured lidar ratio leads to a better characterization of the aerosol type probed.

6 6 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η διατριβή αυτή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Φυσικής της Ατμόσφαιρας του Τμήματος Φυσικής του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης. Η υπόδειξη του θέματος έγινε από τον Καθηγητή κ. Χ. Ζερεφό. Θα ήθελα να τον ευχαριστήσω θερμά για την εμπιστοσύνη που μου έδειξε από τα πρώτα στάδια των σπουδών μου στις α- τμοσφαιρικές επιστήμες, καθώς και για την πολύτιμη καθοδήγηση και την αμέριστη υποστήριξη καθ όλη τη διάρκεια εκπόνησης της διατριβής. Ιδιαίτερα και με όλη μου την καρδιά, θέλω να ευχαριστήσω τον συνάδελφο, φίλο και συνεργάτη μου Λέκτορα Δ. Μπαλή, για την πολύπλευρη βοήθεια και το ενδιαφέρον του καθ όλο τον χρόνο που μαθήτευσα υπό την καθοδήγησή του. Τον ευχαριστώ επιπλέον που σε όλο αυτό το διάστημα ανέχθηκε όλες μου τις ιδιοτροπίες. Ευχαριστώ τον Αν. Καθηγητή κ. Α. Μπάη για την συνεχή του υποστήριξη κατά την εκπόνηση και συγγραφή αυτής της διατριβής. Επίσης ευχαριστώ θερμά τον Επ. Καθηγητή του Εθνικού Μετσόβειου Πολυτεχνείου Δρ. Αλέξανδρο Παπαγιάννη για την καθοριστική του συμβολή στην εκπόνηση αυτής της διατριβής, ειδικότερα σε θέματα που αφορούν την διάταξη lidar. Ευχαριστώ θερμά τον Δρ. Σ. Καζαντζή για την επιστημονική, ηθική και φιλική υποστήριξή του, τους Δρ. Π. Ζάνη και Κ. Κουρτίδη, συνεργάτες του Εργαστηρίου Φυσικής της Ατμόσφαιρας του ΑΠΘ, για την βοήθειά τους και τις χρήσιμες συμβουλές τους και τον Αν. Καθηγητή Δ. Μελά, για τις πολύτιμες παρατηρήσεις και υποδείξεις του σε όλη τη διάρκεια των σπουδών μου. Ακόμη, ευχαριστώ πολύ τους συναδέλφους μου Φυσικούς Ε. Γαλάνη, Α. Καζαντζίδη, Ε. Γερασόπουλο, Χ. Μελέτη, Κ. Τουρπάλη, Χ. Τοπάλογλου, Ε. Κοσμίδη, Π. Συμεωνίδη, Ν. Κουρεμέτη, Α. Πούπκου, Α. Γκαρανέ, Ε. Γιαννακάκη, Α. Αλεξανδροπούλου και Α.Φ. Μεταλληνού, για την πολύπλευρη βοήθειά τους σε διάφορα στάδια εκπόνησης της διατριβής. Επίσης θα ήθελα να ευχαριστήσω όλους μου τους φίλους για το ενδιαφέρον και την στήριξή τους, και ιδιαίτερα την Θεοδώρα για το κουράγιο και την δύναμη που μου έδωσε κατά την διάρκεια εκπόνησης της διατριβής μου.

7 7 Τέλος, επιθυμώ να ευχαριστήσω ιδιαίτερα τους γονείς μου Παναγιώτη και Ελπίδα και την αδερφή μου Αθηνά, για την ηθική συμπαράσταση, την υπομονή, το ενδιαφέρον και την απεριόριστη αγάπη που επέδειξαν τα χρόνια αυτά. Το λιγότερο που μπορώ να κάνω σε αυτό το σημείο για να τους τα ανταποδώσω, είναι να τους α- φιερώσω την παρούσα διατριβή. Βασίλης Π. Αμοιρίδης Θεσσαλονίκη, Ιούνιος 2005

8 8 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΤΕΧΝΙΚΗ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ LIDAR Εισαγωγή Τεχνική περιγραφή του lidar του ΕΦΑ Πηγή ακτινοβολίας laser Οπτική διάταξη εκπομπής της ακτινοβολίας laser Διάταξη ανίχνευσης της ακτινοβολίας laser Σύστημα καταγραφής και αποθήκευσης των δεδομένων lidar Συμμετοχή του lidar του ΕΦΑ στο Ευρωπαϊκό δίκτυο lidar EARLINET Σύγκριση συστημάτων lidar ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ LASER ΜΕ ΤΗΝ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑ. ΕΞΙΣΩΣΗ LIDAR ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ ΕΠΙΛΥΣΗΣ Εισαγωγή Διάδοση ακτινοβολίας στην ατμόσφαιρα Βασικές έννοιες και ορισμοί Διάδοση μονοχρωματικής ακτινοβολίας σε ατμοσφαιρικό στρώμα Διαφορική Εξίσωση lidar Mη πλήρης επικάλυψη Αλγόριθμοι Επίλυσης Μεθοδολογία ανάλυσης σημάτων lidar οπισθοσκέδασης Μεθοδολογία ανάλυσης σημάτων lidar Raman Πειραματικός υπολογισμός της συνάρτησης επικάλυψης Σύγκριση αλγορίθμων επεξεργασίας σημάτων lidar Εισαγωγή Σύγκριση αλγορίθμου υπολογισμού συντελεστή οπισθοσκέδασης Σύγκριση αλγορίθμου υπολογισμού συντελεστή εξασθένισης και οπισθοσκέδασης με την μέθοδο Raman ΚΛΙΜΑΤΟΛΟΓΙΑ ΑΙΩΡΟΥΜΕΝΩΝ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ ΓΙΑ ΤΗΝ ΠΕΡΙΟΧΗ ΤΗΣ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΑΠΟ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ LIDAR Περίληψη Εισαγωγή Πειραματικά αποτελέσματα και ανάλυση δεδομένων Συμπεράσματα ΕΙΔΙΚΑ ΕΠΕΙΣΟΔΙΑ ΣΩΜΑΤΙΔΙΑΚΗΣ ΡΥΠΑΝΣΗΣ Περίληψη Μεταφορά σκόνης από την έρημο της Σαχάρα Εισαγωγή Μοντέλο πρόβλεψης μεταφοράς σκόνης από την έρημο Σαχάρα...109

9 Πειραματικά αποτελέσματα και ανάλυση δεδομένων Συμπεράσματα Μεταφορά αιωρούμενων σωματιδίων από καύση βιομάζας Εισαγωγή Συνοπτική κατάσταση και ενδείξεις για την μεταφορά καπνού στην Θεσσαλονίκη από καύση βιομάζας σε γειτονικές περιοχές Πειραματικά αποτελέσματα και ανάλυση δεδομένων Συμπεράσματα ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΕΠΙΔΡΑΣΗΣ ΤΩΝ ΔΙΑΦΟΡΕΤΙΚΩΝ ΤΥΠΩΝ ΑΙΩΡΟΥΜΕΝΩΝ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ ΣΤΗΝ UV-B ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ Περίληψη Εισαγωγή Πειραματικά αποτελέσματα και ανάλυση δεδομένων Μοντέλο διάδοσης της ακτινοβολίας και εφαρμογή του για την περιοχή της Θεσσαλονίκης Σύγκριση των μετρήσεων ακτινοβολίας με τις εκτιμήσεις του μοντέλου. Η κρισιμότητα της επιλογής του SSA Έμμεση μέθοδος προσδιορισμού της ανακλαστικότητας μεμονωμένης σκέδασης Επικύρωση της μεθόδου προσδιορισμού της ανακλαστικότητας μεμονωμένης σκέδασης με την χρήση δεδομένων από την καμπάνια LACE Σχέση του λόγου lidar και της ανακλαστικότητας μεμονωμένης σκέδασης Συμπεράσματα ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ΕΥΡΕΤΗΡΙΟ ΣΧΗΜΑΤΩΝ...178

10 10 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Το αντικείμενο της διατριβής αυτής είναι η μελέτη των οπτικών ιδιοτήτων των αιωρούμενων σωματιδίων με την χρήση μεθόδων τηλεπισκόπισης lidar (light detection and ranging). Η διατριβή επικεντρώνεται στην μελέτη των ιδιοτήτων των αιωρούμενων σωματιδίων στην περιοχή της Θεσσαλονίκης. Τα αποτελέσματα των μελετών μας συσχετίζονται με αντίστοιχες μετρήσεις που έχουν γίνει από Ευρωπαϊκά και Παγκόσμια Δίκτυα με στόχο τον καθορισμό και την αξιολόγηση της σωματιδιακής ρύπανσης στην περιοχή. Η λειτουργία μιας διάταξης lidar συνίσταται στην εκπομπή και διάδοση ενός παλμού laser στην ατμόσφαιρα, την αλληλεπίδραση της ακτινοβολίας με τα συστατικά της ατμόσφαιρας και την ανίχνευση ενός μέρους της ακτινοβολίας που επιστρέφει, με την χρήση κατάλληλου ανιχνευτικού συστήματος. Με την επεξεργασία του ανιχνεύσιμου σήματος lidar, συγκεντρώνονται πληροφορίες για το είδος του στόχου, τη σύστασή του, την απόσταση του από το σημείο εκπομπής των παλμών laser καθώς και την κατανομή του στο χώρο. Το lidar του ΕΦΑ είναι σχεδιασμένο για την ανίχνευση και την μέτρηση των οπτικών ιδιοτήτων των αιωρούμενων σωματιδίων και των συγκεντρώσεων όζοντος στην τροπόσφαιρα. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή ασχολούμαστε μόνο με την εφαρμογή των μεθόδων lidar για την μελέτη των οπτικών ιδιοτήτων των αιωρούμενων σωματιδίων. Τα αιωρούμενα σωματίδια της τροπόσφαιρας σκεδάζουν και/ή απορροφούν την ηλιακή ακτινοβολία και την υπέρυθρη ακτινοβολία που εκπέμπεται από την Γη και μέσω αυτών των διαδικασιών επηρεάζουν το ισοζύγιο ακτινοβολίας. Η αβεβαιότητα για τα επίπεδα των κλιματικών επιπτώσεων των αιωρούμενων σωματιδίων λόγω της επίδρασής τους στο ισοζύγιο της ακτινοβολίας είναι μεγάλη σε σχέση με την κλιματική επίδραση των θερμοκηπικών αερίων. Τα αιωρούμενα σωματίδια παρουσιάζουν μεγάλη μεταβλητότητα στην ατμόσφαιρα τόσο στην σύσταση και το μέγεθός τους όσο και στην συγκέντρωσή τους, λόγω της ανομοιογένειας των πηγών τους, των χημικών και φυσικών διεργασιών συμπύκνωσης και συσσωμάτωσης αλλά και των μετεωρολογικών συνθηκών. Σύμφωνα με υπολογισμούς μοντέλων διάδοσης της ακτινοβολίας, προβλέπεται ότι το επίπεδα ακτινοβολίας στην περιοχή της Μεσογείου θα έχουν την μεγαλύτερη αβεβαιότητα λόγω των θειικών αιωρημάτων που εκλύονται

11 11 στην περιοχή. Στην περιοχή της Ανατολικής Μεσογείου, η Θεσσαλονίκη βρίσκεται σε μία γεωγραφική θέση όπου εκτός από τις τοπικές πηγές αιωρημάτων παρατηρείται μεταφορά αιωρούμενων σωματιδίων από απομακρυσμένες πηγές, όπως τα θαλάσσια αιωρήματα, τα σωματίδια σκόνης από την Σαχάρα και ανθρωπογενή αιωρήματα που προέρχονται από εξαιρετικά πολυπληθή αστικά κέντρα και βιομηχανικές περιοχές της Κεντρικής και Ανατολικής Ευρώπης, όπως και σωματίδια καπνού που προέρχονται από καύσεις βιομάζας στις γειτονικές περιοχές. Τα αιωρούμενα σωματίδια είναι από τις πιο σημαντικές παραμέτρους στην Ατμοσφαιρική Φυσική, αλλά υπάρχουν μεγάλα ερωτηματικά στην επιστημονική κοινότητα σχετικά με τις ιδιότητές τους και την επίδραση που προκαλούν στο κλίμα. Μεγάλα κενά υπάρχουν κυρίως για την κατακόρυφη κατανομή των αιωρούμενων σωματιδίων. Οι επίγειες μετρήσεις μας δίνουν πληροφορίες για τις φυσικές και οπτικές ιδιότητες των αιωρούμενων σωματιδίων που αφορούν την ατμοσφαιρική στήλη, αλλά δεν μπορούν να εκτιμήσουν την μεταβολή τους με το ύψος. Η πληροφορία αυτή είναι ουσιώδης όσον αφορά την επίδραση των αιωρημάτων στο ισοζύγιο της ακτινοβολίας. Οι μετρήσεις lidar μας δίνουν την πλήρη πληροφορία για την κατακόρυφη κατανομή των οπτικών ιδιοτήτων των αιωρούμενων σωματιδίων με μεγάλη χωρική και χρονική ανάλυση. Με τις μεθόδους lidar είναι δυνατόν να υπολογιστούν οι οπτικές ιδιότητες των αιωρούμενων σωματιδίων ξεχωριστά στο οριακό στρώμα όπου τα αιωρήματα εκπέμπονται κατά κύριο λόγο από τοπικές πηγές και στην ελεύθερη τροπόσφαιρα όπου συχνά έχουμε μεταφορά μέσης και μεγάλης κλίμακας. Οι μετρήσεις lidar των οπτικών ιδιοτήτων των αιωρούμενων σωματιδίων, με την μεγάλη χωρική και χρονική ανάλυση δίνουν λεπτομερείς πληροφορίες για την παρουσία, την έκταση και την ανάπτυξη των κατακόρυφων δομών και στρωματώσεων. Αναλυτικότερα, στο πρώτο κεφάλαιο της διατριβής αυτής παρουσιάζουμε τις τεχνικές lidar για την μέτρηση της κατακόρυφης κατανομής των αιωρούμενων σωματιδίων. Αναπτύσσεται η αρχή λειτουργίας μιας διάταξης lidar και περιγράφεται αναλυτικά η διάταξη lidar του Εργαστηρίου Φυσικής της Ατμόσφαιρας (ΕΦΑ). Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζονται οι διαφορικές εξισώσεις που περιγράφουν τις μεθόδους lidar οπισθοσκέδασης και Raman lidar, όπως αυτές προκύπτουν από τις βασικές εξισώσεις διάδοσης της ακτινοβολίας. Στη συνέχεια αναπτύσσονται οι μέθοδοι αντιστροφής των σημάτων lidar για τις δύο μεθόδους και αναλύονται και τεκμηριώνονται οι παραδοχές που απαιτούνται για την επίλυση. Το ΕΦΑ, και για την περίοδο εκπόνησης της παρούσας διδακτορικής διατριβής, συμμετείχε στο Ευρωπαϊ-

12 12 κό Δίκτυο Lidar (EARLINET), και ακολουθούσε το πρόγραμμα συστηματικών μετρήσεων lidar που θεσπίστηκε για όλους τους σταθμούς του δικτύου. Στα πλαίσια του EARLINET πραγματοποιήθηκαν συγκρίσεις των συστημάτων lidar του δικτύου με πρότυπα κινητά συστήματα που μεταφέρονταν στους επιμέρους σταθμούς, όπως και συγκρίσεις των αλγορίθμων που χρησιμοποιούνται για τον υπολογισμό των κατακόρυφων κατανομών των οπτικών ιδιοτήτων των αιωρούμενων σωματιδίων. Στο τέλος του δεύτερου κεφαλαίου, παρατίθενται τα αποτελέσματα των συγκρίσεων αυτών στις οποίες συμμετείχε το ΕΦΑ. Στα επόμενα κεφάλαια παρουσιάζουμε τα αποτελέσματα των μετρήσεων lidar στο ΕΦΑ και τα συμπεράσματά μας ως προς την σωματιδιακή ρύπανση στην Θεσσαλονίκη και την προέλευσή της. Αρχικά στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζουμε την στατιστική ανάλυση που εφαρμόσαμε στο σύνολο των μετρήσεων Raman lidar που συλλέχθηκαν για την περίοδο Ιανουάριος 2001 Δεκέμβριος Οι μέσες οπτικές ιδιότητες υπολογίστηκαν τόσο για το οριακό στρώμα όσο και για την ελεύθερη τροπόσφαιρα. Εξετάζεται η εποχική διακύμανση των μεγεθών, όπου βρέθηκε μία σημαντική μεταβλητότητα των μέσων οπτικών ιδιοτήτων στην ελεύθερη τροπόσφαιρα. Η α- νάλυση των δεδομένων με την χρήση οπισθοτροχιών έδειξε επίσης την εξάρτηση των οπτικών ιδιοτήτων από την προέλευση των αερίων μαζών. Στη συνέχεια, παρουσιάζουμε στο τέταρτο κεφάλαιο τα επεισόδια σωματιδιακής ρύπανσης στην ελεύθερη τροπόσφαιρα της Θεσσαλονίκης που καταγράφηκαν στο ΕΦΑ για την χρονική περίοδο Τα επεισόδια αφορούσαν μεταφορά σκόνης από την έρημο της Σαχάρα, και μέσης ή μεγάλης κλίμακας μεταφορά σωματιδιακών ρύπων από καύση βιομάζας. Παρουσιάζονται συνολικά 12 χαρακτηριστικές περιπτώσεις μεταφοράς σκόνης από την έρημο της Σαχάρα, και μία (1) περίπτωση μεταφοράς ρύπων από καύση βιομάζας που αναφέρεται σε μέσης κλίμακας μεταφορά ρύπων από γειτονικές πυρκαγιές στην Ιταλία και την Μαύρη Θάλασσα. Τέλος, στο πέμπτο κεφάλαιο, και με την παράλληλη χρήση μετρήσεων της ροής ακτινοβολίας στην UV-B φασματική περιοχή και της ολικής στήλης του όζοντος που είναι διαθέσιμες στο ΕΦΑ για κάθε ημέρα που πραγματοποιήθηκε μέτρηση lidar, προσπαθήσαμε να εκτιμήσουμε την επίδραση των διαφορετικών τύπων αιωρούμενων σωματιδίων στα επίπεδα της UV ακτινοβολίας στο έδαφος. Από τις διαθέσιμες μετρήσεις ακτινοβολίας στο ΕΦΑ και την χρήση ενός μοντέλου διάδοσης ακτινοβολίας είναι δυνατόν να εκτιμήσουμε επίσης την ανακλαστικότητα μεμονωμένης σκέδασης η οποία είναι από τις πιο κρίσιμες οπτικές ιδιότητες των αιωρούμενων σω-

13 13 ματιδίων που χρησιμοποιείται για να χαρακτηρίσει το είδος τους. Στο τέλος του κεφαλαίου δείχνουμε ότι η συνδυασμένη χρήση του λόγου lidar και της ανακλαστικότητας μεμονωμένης σκέδασης μπορεί να οδηγήσει στον καλύτερο χαρακτηρισμό του είδους των αιωρούμενων σωματιδίων. Στο τέλος της διατριβής γίνεται κατά κεφάλαιο μία σύνοψη των επιμέρους συμπερασμάτων και ακολουθεί μια εκτενής περίληψη στα αγγλικά.

14 14 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 1. ΤΕΧΝΙΚΗ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ LIDAR 1.1. Εισαγωγή Το lidar είναι ακρωνύμιο του όρου «light detection and ranging». Η λειτουργία μίας διάταξης lidar συνίσταται στην εκπομπή και διάδοση ενός παλμού laser στην ατμόσφαιρα, την αλληλεπίδραση της ακτινοβολίας με τα συστατικά της ατμόσφαιρας και την ανίχνευση ενός μέρους της ακτινοβολίας που επιστρέφει από ένα κατάλληλο ανιχνευτικό σύστημα. Με την επεξεργασία του ανιχνεύσιμου σήματος lidar, συγκεντρώνονται πληροφορίες για το είδος του στόχου, τη σύστασή του, την απόσταση του από το σημείο εκπομπής των παλμών laser, καθώς και την κατανομή του στο χώρο. Η βασική δομή ενός συστήματος lidar μπορεί να συνοψιστεί από την σχηματική περιγραφή του Σχήματος 1-1: Δέσμη laser Ακτινοβολία που επιστρέφει από τον στόχο Οπτικό σύστημα εξόδου της δέσμης laser Έλεγχος εξόδου του laser A Φασματικός αναλυτής Ανιχνευτές ακτινοβολίας Επεξεργαστής δεδομένων laser Οπτικό σύστημα υποδοχής ακτινοβολίας Απεικονιστής A Αναφορά από την έξοδο του laser Σχήμα 1-1: Τυπική διάταξη συστήματος lidar.

15 15 Ένα σύστημα lidar αποτελείται από (1) μια ισχυρή παλμική πηγή laser, (2) ένα οπτικό σύστημα ανίχνευσης της οπισθοσκεδαζόμενης ακτινοβολίας (τηλεσκόπιο) και μετατροπής της σε ηλεκτρικό σήμα και (3) ένα σύστημα καταγραφής που καταγράφει και ψηφιοποιεί το ηλεκτρικό σήμα σαν συνάρτηση του χρόνου (ή, ισοδύναμα, σαν συνάρτηση της απόστασης από το σημείο εκπομπής των παλμών laser). Παρατηρήσεις lidar μπορούν να πραγματοποιηθούν από επίγεια συστήματα, ή φορητά συστήματα εγκατεστημένα σε πλοία, αεροπλάνα ή μεγάλα οχήματα, και μπορούν να αφορούν μετρήσεις στην ατμόσφαιρα, τη θάλασσα, ή και την ξηρά. Το είδος των μετρήσεων είναι ευρύτατο και μπορεί να αφορά μετρήσεις της συγκέντρωσης διαφόρων συστατικών της ατμόσφαιρας, όπως είναι οι ατμοσφαιρικοί ρύποι (Ο 3, NO x, SO 2, CO, CO 2, Hg, VOCs, HCs, κ.λ.π.) και τα αιωρούμενα σωματίδια (αερολύματα). Είναι επίσης δυνατή η μέτρηση κατακόρυφων κατανομών διάφορων ατμοσφαιρικών παραμέτρων όπως η ατμοσφαιρική πυκνότητα, η θερμοκρασία, ο άνεμος, η συγκέντρωση των υδρατμών και η σχετική υγρασία. Τα τελευταία χρόνια έχουν αναπτυχθεί διάφορες τεχνικές lidar για την τηλεπισκόπηση ατμοσφαιρικών παραμέτρων, οι οποίες βασίζονται σε διαφορετικές αλληλεπιδράσεις της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας και των διάφορων συστατικών της υπό μελέτη ατμόσφαιρας. Έτσι υπάρχουν διατάξεις lidar που βασίζονται στη σκέδαση της ακτινοβολίας laser από τα ατμοσφαιρικά μόρια (σκέδαση Rayleigh), στη σκέδαση από τα αερολύματα (σκέδαση Mie), στη σκέδαση Raman, στη σκέδαση συντονισμού, στο φθορισμό, στην απορρόφηση, καθώς και στη διαφορική σκέδαση / απορρόφηση από τα μόρια και τα αιωρούμενα σωματίδια της ατμόσφαιρας. Ανάλογα με το φυσικό μηχανισμό που χρησιμοποιείται για να πραγματοποιηθεί μία μέτρηση, τα συστήματα lidar είναι δυνατόν να καταταχθούν σε επιμέρους κατηγορίες τις οποίες περιγράφουμε συνοπτικά παρακάτω (Measures, 1984): Lidar Οπισθοσκέδασης: Αποτελείται από δύο μέρη, έναν πομπό και έναν δέκτη ακτινοβολίας. Η πηγή ακτινοβολίας ενός συστήματος lidar οπισθοσκέδασης είναι ένα laser παλμικής συνήθως λειτουργίας. Η ενέργεια ανά παλμό πρέπει να είναι αρκετή για να αντισταθμίσει τυχόν απώλειες λόγω απορρόφησης ή διασποράς της ακτινοβολίας και να εξασφαλίσει ότι το σήμα που επιστρέφει είναι αρκετά ισχυρό για να ανιχνευθεί. Τυπικές τιμές της εκπεμπόμενης ενέργειας είναι τα Joule/παλμό. Τo μήκος κύματος της εκπεμπό-

16 16 μενης ακτινοβολίας εξαρτάται από το είδος των ατμοσφαιρικών συστατικών που θέλουμε να ανιχνεύσουμε και κυμαίνεται από το υπεριώδες (0.26μ m) έως το μέσο υπέρυθρο (12μ m ). Ορισμένα συστήματα lidar απαιτούν όχι σταθερό, αλλά μεταβλητό μήκος κύματος, για την πραγματοποίηση μετρήσεων σε διαφορετικά μήκη κύματος για μεγιστοποίηση της αξιοπιστίας της λαμβανόμενης μέτρησης. Ένα σημαντικό σημείο είναι το φασματικό εύρος της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας laser που πρέπει να είναι όσο το δυνατόν μικρότερο. Αυτό εξασφαλίζει ακτινοβολία υψηλής μονοχρωματικότητας και κατά συνέπεια μεγάλη ακρίβεια και ευαισθησία στις λαμβανόμενες μετρήσεις. Ακολούθως, η εκπεμπόμενη δέσμη laser κατευθύνεται μέσω ενός οπτικού συστήματος κατόπτρων στον υπό εξέταση ατμοσφαιρικό στόχο. Συνήθως, ένα μικρό μέρος της δέσμης laser χρησιμοποιείται πριν εγκαταλείψει το σύστημα για την συνεχή καταγραφή της ενέργειας του εκπεμπόμενου παλμού, του μήκους κύματος, καθώς και για να σηματοδοτήσει την χρονική έναρξη του καταγραφικού συστήματος των σημάτων lidar (trigger). Το σύστημα λήψης συλλέγει την ακτινοβολία laser που οπισθοσκεδάζεται από τον ατμοσφαιρικό στόχο μέσω ενός οπτικού συστήματος (συνήθως ένα οπτικό τηλεσκόπιο). Η ακτινοβολία αυτή οδηγείται, ακολούθως, σε ένα φασματικό αναλυτή ο οποίος αναλύει το σήμα στα διάφορα μήκη κύματος από τα οποία αποτελείται, με τελικό σκοπό να επιλεγεί εκείνο το μήκος κύματος που περιέχει πληροφορίες και να αποκοπεί οποιαδήποτε άλλη ανεπιθύμητη ακτινοβολία (πχ. ακτινοβολία ατμοσφαιρικού υποβάθρου). Το επιλεγμένο οπτικό σήμα, στη συνέχεια, οδηγείται με ένα σύστημα φακών σε ένα φωτοανιχνευτή για να μετατραπεί σε ηλεκτρικό σήμα και να ακολουθήσει η κατάλληλη επεξεργασία του για την εξαγωγή των πληροφοριών που αυτό εμπεριέχει. Lidar Φθορισμού: Η δομή και ο τρόπος λειτουργίας του συστήματος αυτού δεν έχει ουσιαστικές διαφορές με το βασικό σύστημα που παρουσιάσθηκε στην προηγούμενη παράγραφο. Τα μόρια του στόχου απορροφούν την ακτινοβολία laser, διεγείρονται και στη συνέχεια αποδίδουν την ενέργεια που προσέλαβαν ως οπτική ακτινοβολία σε διάφορα μήκη κύματος κατά κανόνα μεγαλύτερα από το μήκος κύματος του laser μέσω της διαδικασίας του ατμοσφαιρικού φθορισμού. Το φάσμα φθορισμού είναι διαφορετικό για κάθε μόριο και αποτελεί την "ταυτότητα" του. Με προσεκτική ανάλυση του φάσματος αυτού μπορούμε να συνάγουμε συμπεράσματα για το είδος των μορίων.

17 17 Lidar Raman: Είναι παρόμοιο με το lidar φθορισμού, αλλά η ακτινοβολία που επιστρέφει προκύπτει μέσω της σκέδασης Raman από τα μόρια του στόχου (πχ. ατμοσφαιρικό άζωτο, υδρατμοί, κλπ.). Στην περίπτωση της σκέδασης Raman η ανιχνευόμενη ακτινοβολία είναι διαφορετική από την εκπεμπόμενη ακτινοβολία του laser ως προς το μήκος κύματος (ανελαστική σκέδαση). Η φασματική αυτή μετατόπιση χαρακτηρίζει το είδος των αλληλεπιδρούντων μορίων και η ένταση της οπισθοσκεδαζόμενης ακτινοβολίας τη συγκέντρωση τους. Η μέθοδος αυτή απαιτεί συστήματα laser μεγαλύτερης ισχύος σε σύγκριση με το lidar φθορισμού, γιατί το οπτικό σήμα που επιστρέφει είναι εξαιρετικά ασθενές, λόγω της μικρής ενεργούς διατομής της σκέδασης Raman. Lidar απορρόφησης: Το σύστημα αυτό διαφέρει από τα άλλα στο ότι το μετρούμενο μέγεθος είναι η ένταση της ακτινοβολίας που επιστρέφει και όχι το μήκος κύματος της. Πιο συγκεκριμένα μετράται η εξασθένιση της δέσμης του laser κατά τη διάδοσή της στην ατμόσφαιρα και εξάγονται συμπεράσματα για τις συγκεντρώσεις των διαφόρων ρυπαντών που υ- πάρχουν σ αυτήν. Δεδομένου ότι ακτινοβολία ορισμένου μήκους κύματος μπορεί να απορροφάται ισχυρά από έναν μοριακό ρυπαντή και λιγότερο ή καθόλου από έναν άλλο, η μέθοδος αυτή μπορεί να χρησιμοποιηθεί στο να μετρηθεί με μεγάλη ακρίβεια η ύπαρξη ενός ρυπαντή στην ατμόσφαιρα. Μια άλλη διαφοροποίηση του συστήματος αυτού είναι ότι το laser εκπομπής και ο δέκτης βρίσκονται ξεχωριστά τοποθετημένα σε δύο διαφορετικούς σταθμούς, αλλά είναι οπτικά ευθυγραμμισμένα μεταξύ τους, με αποτέλεσμα να καταγράφεται η μέση συγκέντρωση ενός ρυπαντή που αντιστοιχεί σε όλην την οπτική διαδρομή. Lidar Doppler: Το σύστημα αυτό μετρά τη σκεδαζόμενη ακτινοβολία του laser από ατμοσφαιρικά μόρια, αλλά το ενδιαφέρον στην περίπτωση αυτή επικεντρώνεται στη μετατόπιση του μήκους κύματος λόγω του φαινομένου Doppler. To μήκος κύματος του φωτός που σκεδάζεται από τα κινούμενα μόρια, υφίσταται μία μετατόπιση που εξαρτάται από την ταχύτητα κίνησης των μορίων της ατμόσφαιρας. Μετρώντας τη μετατόπιση αυτή μπορούν να εξαχθούν συμπεράσματα για τη διεύθυνση και το μέτρο της ταχύτητας κίνησης των μορίων της ατμόσφαιρας. Η τεχνική αυτή χρησιμοποιείται για την μελέ-

18 18 τη της κίνησης των αερίων μαζών στην ατμόσφαιρα, καθώς και για μετρήσεις που αφορούν την ταχύτητα και φορά του ανέμου σε τοπική κλίμακα (π.χ. σε αεροδρόμια). Lidar Διαφορικής Απορρόφησης: Το σύστημα αυτό εκμεταλλεύεται τη μεταβολή του συντελεστή απορρόφησης ενός μορίου ανάλογα με το μήκος κύματος της προσπίπτουσας ακτινοβολίας. Χρησιμοποιούνται δύο δέσμες laser με μήκη κύματος που διαφέρουν ελάχιστα μεταξύ τους (πχ. μερικά nm), οι οποίες εκπέμπονται διαδοχικά ή ταυτόχρονα και διατρέχουν την ίδια οπτική διαδρομή μέσα στην ατμόσφαιρα. Η ενεργός διατομή σκέδασης της ακτινοβολίας laser από κάποιο μόριο είναι παρόμοια και για τις δύο δέσμες, αφού τα μήκη κύματος διαφέρουν μεταξύ τους ελάχιστα, αλλά ο συντελεστής (ή η ενεργός διατομή) απορρόφησης μπορεί να αλλάζει δραματικά για τις δύο αυτές δέσμες. Συγκρίνοντας τα οπισθοσκεδαζόμενα σήματα lidar μπορούν να εξαχθούν πληροφορίες για το είδος και τη συγκέντρωση των μοριακών ρυπαντών της ατμόσφαιρας Τεχνική περιγραφή του lidar του ΕΦΑ Η διάταξη lidar που χρησιμοποιήθηκε στα πλαίσια της διατριβής αυτής σχεδιάστηκε, αναπτύχθηκε και εγκαταστάθηκε από τον Δρ. Α. Παπαγιάννη το 1993 (Papayannis et al., 1994; Papayannis, 1995). Αποτελεί την πρώτη διάταξη lidar στην Ελλάδα και τέθηκε για πρώτη φορά σε λειτουργία το Η διάταξη είναι εγκατεστημένη στο δώμα του κτιρίου της Σχολής Θετικών Επιστημών του Α.Π.Θ, στη Θεσσαλονίκη 0 ( 40.5 N, E, υψόμετρο 50m ) και σχεδιάστηκε για τη μελέτη των διαφόρων στρωμάτων της κατώτερης και της μέσης τροπόσφαιρας χρησιμοποιώντας τις ιδιότητες της ελαστικής σκέδασης από τα μόρια και τα αιωρούμενα σωματίδια της ατμόσφαιρας. Στα πλαίσια της παρούσας διατριβής και από τον Ιανουάριο του 2001, η διάταξη αναβαθμίστηκε σε ένα σύστημα lidar οπισθοσκέδασης-raman, με διπλή δέσμη εκπομπής (355 και 532nm ) και δυνατότητα ταυτόχρονης ανίχνευσης των δύο ελαστικά οπισθοσκεδαζόμενων ακτινοβολιών (στα 355 και 532 nm ), καθώς και της ακτινοβολίας των 387nm η οποία προέρχεται από την οπισθοσκέδαση Raman της ακτινοβολίας laser των 355nm από το ατμοσφαιρικό άζωτο ( N2 ). Στο Σχήμα 1-2 απεικονίζονται τα κύρια μέρη του lidar του ΕΦΑ:

19 19 1. Πηγή laser Nd:Yag 2. Κρύσταλλος παραγωγής 2ης και 3ης αρμονικής συχνότητας laser 3. Αναφορά από την έξοδο του laser 4. HR 355nm, HT nm 5. HR 532nm, HT 1064nm 6. Οπτική παγίδα 7. HR 532nm 8. HR 355nm 9. HR 355nm, HT nm 10. HR 532nm 11. HR 355nm, HT nm 12. HR 532nm 13. Εκπεμπόμενη ακτινοβολία laser, nm 14. Ακτινοβολία που επιστρέφει από τον στόχο 15. Παραβολικό κάτοπτρο Επίπεδο κάτοπτρο 17. Διάφραγμα 18. Φακός Εστίασης 19. HT 532nm, HR 355, 387nm 20. HT 387nm, HR 355nm 21. Φίλτρο συμβολής και χρωματικά φίλτρα για τα 387nm 22. Φίλτρο συμβολής και χρωματικά φίλτρα για τα 355nm 23. Φίλτρο συμβολής και χρωματικά φίλτρα για τα 532nm Φωτοπολλαπλασιαστής 25. Καταγραφικός αναλυτής 26. Κάρτα επικοινωνίας 27. Η/Υ για απεικόνιση και αποθήκευση δεδομένων nm nm 532nm Σχήμα 1-2: Η αναβαθμισμένη διάταξη lidar του ΕΦΑ. Η διάταξη αποτελείται από τα κάτωθι βασικά μέρη: Πηγή ακτινοβολίας laser. Οπτική διάταξη εκπομπής της ακτινοβολίας laser Διάταξη ανίχνευσης της ακτινοβολίας laser. Σύστημα καταγραφής και αποθήκευσης των δεδομένων lidar. Παρακάτω αναλύονται τα τεχνικά χαρακτηριστικά των επιμέρους στοιχείων για την κάθε βασική μονάδα του lidar του ΕΦΑ Πηγή ακτινοβολίας laser Ως πηγή laser η διάταξη LIDAR του ΕΦΑ χρησιμοποιεί ένα παλμικό laser στερεάς κατάστασης Nd : Yag (Νeodymium-doped Yttrium Aluminium Garnet) της Quanta- Ray GCR-150, το οποίο αρχικά εκπέμπει ακτινοβολία στα 1064 nm με ενέργεια 800 mj/παλμό. Με την παρεμβολή στη δέσμη δύο μη γραμμικών κρυστάλλων KD P (Potassium Dideuterium Phosphate), έχουμε την παραγωγή της δεύτερης αρμονικής συχνότητας στα 532nm (SHG, second harmonic generation) και της τρίτης αρμονικής συχνότητας στα 355nm (THG, third harmonic generation) (Siegman, 1986). Οι κρύσταλλοι KD P ελέγχονται θερμικά μέσω ενός θερμοστάτη. Με αυτόν τον τρόπο η εκπεμπόμενη ακτινοβολία laser αντιστοιχεί σε τρεις περιοχές του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος, το κοντινό υπέρυθρο, το ορατό και το υπεριώδες, αντίστοιχα. Η συχνότητα εκπομπής των παλμών laser είναι 10Hz, και η τελικά εκπεμπόμενη ενέργεια

20 20 ανά παλμό είναι 650mJ στα 1064 nm, 300mJ στα 532nm και 120mJ στα 355nm. Tα χαρακτηριστικά της πηγής παρουσιάζονται στον Πίνακα 1-1 (Spectra Physics, 1992). Πίνακας 1-1: Τεχνικά χαρακτηριστικά του Nd:Yag laser, Quanta-Ray GCR-150. Εκπεμπόμενη ενέργεια (mj) 1064 nm 532 nm 355 nm Εύρος παλμού (ns) 1064 nm 532 nm 355 nm Σταθερότητα ενέργειας 1064 nm 532 nm 355 nm <2% <3% <4% Συχνότητα επανάληψης παλμού (Hz) 10 Διάμετρος δέσμης (mm) <9 Απόκλιση δέσμης (mrad) <0.5 Σταθερότητα στόχευσης (μrad) <100 Στην Eικόνα 1-1 που ακολουθεί, παρουσιάζεται το σύστημα laser του lidar του ΕΦΑ: Κρύσταλλος KD*P Εικόνα 1-1: Η πηγή laser του lidar του ΕΦΑ.

21 Οπτική διάταξη εκπομπής της ακτινοβολίας laser Στην διάταξη lidar του ΕΦΑ χρησιμοποιούνται για την καταγραφή των αιωρούμενων σωματιδίων μόνον τα δύο από το σύνολο των τριών διαθέσιμων μηκών κύματος. Συγκεκριμένα, γίνεται χρήση των ακτινοβολιών laser στα 355 και 532nm. Η εξερχόμενες δέσμες διαχωρίζονται με ειδικές διατάξεις διαχωριστών δέσμης (beamsplitters), και τελικά εκπέμπονται κατακόρυφα στην ατμόσφαιρα και παράλληλα με τον άξονα του τηλεσκοπίου (διαξονική διάταξη - biaxial). Ο διαχωρισμός των ακτινοβολιών laser γίνεται με την βοήθεια ενός συνόλου διχρωϊκών κατόπτρων με συγκεκριμένα χαρακτηριστικά ως προς την ανακλαστικότητα και την διαπερατότητά τους. Οι ιδιότητες των κατόπτρων της οπτικής διάταξης εκπομπής αναφέρονται αναλυτικά στο Σχήμα 1-2, όπου οι συντομεύσεις HR και HT χρησιμοποιούνται για τους όρους μεγάλη ανακλαστικότητα (High Reflectivity) και μεγάλη διαπερατότητα (High Transmittance) αντίστοιχα. Η διάταξη φασματικού διαχωρισμού των ακτινοβολιών laser παρουσιάζεται στην Εικόνα 1-2 που ακολουθεί: Εικόνα 1-2: Διάταξη φασματικού διαχωρισμού των ακτινοβολιών laser. Τα διχρωικά κάτοπτρα που χρησιμοποιούνται στην διάταξη lidar του ΕΦΑ, προέρχονται από την εταιρία Laseroptik ( Στο Σχήμα 1-3, παραθέτουμε αντιπροσωπευτικά το διάγραμμα φασματικής διαπερατότητας ενός διχρωϊκού

22 22 καθρέφτη (του υπ αριθμόν 4 του Σχήματος 1-2) που χρησιμοποιείται για την εκπομπή της δέσμης laser των 355nm, με υψηλή ανακλαστικότητα στα 355nm και υψηλή διαπερατότητα στα 532 και 1064nm, αντίστοιχα. Σχήμα 1-3: Διαπερατότητα διχρωϊκού καθρέφτη για τον διαχωρισμό της δέσμης των 355nm ( Η τελική ευθυγράμμιση των δεσμών laser στα 355 και 532nm, για την επίτευξη της απαιτούμενης παραλληλίας μεταξύ των εκπεμπόμενων δεσμών και του οπτικού άξονα του τηλεσκοπίου, πραγματοποιείται με τη βοήθεια ειδικών βάσεων στήριξης με ρυθμιζόμενη κλίση για τον τελικό έλεγχο της γωνίας εκπομπής των κατόπτρων 9 και 12 του Σχήματος 1-2, αντίστοιχα. Το σύστημα ευθυγράμμισης παρουσιάζεται στην Εικόνα 1-3 που ακολουθεί: Εικόνα 1-3: Το σύστημα ευθυγράμμισης του lidar του ΕΦΑ.

23 Διάταξη ανίχνευσης της ακτινοβολίας laser Για την συλλογή της οπισθοσκεδαζόμενης ακτινοβολίας χρησιμοποιείται ένα Νευτώνειο τηλεσκόπιο με παραβολικό κάτοπτρο διαμέτρου 0.5m (στοιχείο 15 του Σχήματος 1-2). Το παραβολικό κάτοπτρο είναι επιστρωμένο με διφθορούχο μαγνήσιο ( MgF ). Η επίστρωση αυτή προσδίδει στο κάτοπτρο ανακλαστικότητα της τάξης του 2 98%. Για την προστασία της επίστρωσης MgF 2, προηγείται μία επίστρωση διοξειδίου του πυριτίου ( SiO ). Η τελική ανακλαστικότητα του τηλεσκοπίου στα 355nm είναι 2 ίση με 98.3%, στα 387nm ίση με 96.2% και στα 532nm ίση με 90.5%. Το τηλεσκόπιο του lidar του ΕΦΑ, παρουσιάζεται στην Εικόνα 1-4 που ακολουθεί: Εικόνα 1-4: Το τηλεσκόπιο του lidar του ΕΦΑ. Η συλλεγόμενη ακτινοβολία κατευθύνεται προς την διάταξη ανίχνευσης του συστήματος lidar με την βοήθεια ενός επίπεδου κάτοπτρου (στοιχείο 16 του Σχήματος 1-2). Η ακτινοβολία που συλλέγεται από το οπτικό τηλεσκόπιο, οδηγείται στο κιβώτιο ανίχνευσης μέσω ενός διαφράγματος διαμέτρου 5mm και ενός φακού για την δημιουργία παράλληλης φωτεινής δέσμης (στοιχεία 17 και 18 του Σχήματος 1-2).

24 24 Υπολογίζεται από το πηλίκο της διαμέτρου του διαφράγματος (5 mm ) και της εστιακής απόστασης (5000 mm ), ότι το γωνιακό άνοιγμα του τηλεσκοπίου (ή αριθμός f ) που ισούται με 1 mrad. Αφού η συλλεγόμενη ακτινοβολία φτάσει στο κιβώτιο ανίχνευσης, διαχωρίζεται φασματικά στα 355 και 532nm, καθώς και στην ακτινοβολία Raman στα 387nm, μέσω ενός συστήματος διχρωϊκών κατόπτρων (στοιχεία 19 και 20 του Σχήματος 1-2). Η φασματικά διαχωρισμένη ακτινοβολία laser, πριν οδηγηθεί στον αντίστοιχο φωτοανιχνευτή, φιλτράρεται φασματικά από μία συστοιχία οπτικών φίλτρων. Κάθε συστοιχία οπτικών φίλτρων αποτελείται από έναν φακό εστίασης, ένα φίλτρο συμβολής στενής δέσμης και δύο φασματικά φίλτρα. Στην συστοιχία των δεν συμπεριλαμβάνονται τα επιπλέον φασματικά φίλτρα. Το φασματικό εύρος και το κεντρικό μήκος κύματος των φίλτρων συμβολής, είναι ειδικά επιλεγμένα ώστε να αποκόπτονται όλα τα μήκη κύματος (πχ. η ακτινοβολία του ατμοσφαιρικού υποβάθρου) εκτός του επιθυμητού και έτσι να αυξάνεται σημαντικά ό λόγος σήματος-προςθόρυβο (Signal to Noise Ratio - SNR). Για τα μήκη κύματος των 355, 387 και 532nm, οι συστοιχίες που παρεμβάλλονται πριν τους φωτοπολλαπλασιαστές παριστώνται στο Σχήμα 1-2 με τα στοιχεία 22, 21 και 23, αντίστοιχα. Τα οπτικά χαρακτηριστικά των φίλτρων συμβολής και των φασματικών φίλτρων παρατίθενται στους Πίνακες 1-2 και 1-3, αντίστοιχα, για κάθε ένα από τα μήκη κύματος: 387nm Πίνακας 1-2: Οπτικά χαρακτηριστικά φίλτρων συμβολής. Μήκος κύματος (nm) Διαπερατότητα (%) Φασματικό εύρος (nm) Διάμετρος (inch) Πίνακας 1-3: Οπτικά χαρακτηριστικά φασματικών φίλτρων. Μήκος κύματος (nm) Διαπερατότητα (%) Φασματικό εύρος (nm) Διάμετρος (inch) Ως φασματικό εύρος στους Πίνακες 1-2 και 1-3, εννοείται το φασματικό μήκος στο μέσο του μεγίστου της κατανομής διαπερατότητας (FWHM - Full Width at Half Maximum). Τα φασματικά φίλτρα που χρησιμοποιήθηκαν προέρχονται από την

25 25 εταιρεία Andover ( παρεμβάλλονται μετά τα φίλτρα συμβολής των 355 και 532nm και χρησιμοποιούνται για την εξασθένιση των σημάτων lidar (όπως θα δούμε παρακάτω) και όχι για τον φασματικό διαχωρισμό τους, μιας και αυτός γίνεται με μεγαλύτερη ακρίβεια από τα φίλτρα συμβολής. Στην συστοιχία των 387nm δεν παρεμβάλλονται επιπλέον φασματικά φίλτρα, μιας και το συγκεκριμένο σήμα είναι γενικά ασθενές, και είναι ανιχνεύσιμο μόνο απουσία ηλιακού υποβάθρου. Στην περίπτωση όμως των ημερήσιων μετρήσεων στα 355 και 532nm, παρατηρήθηκε κορεσμός των συστημάτων καταγραφής των σημάτων lidar που προέρχονται από τα χαμηλότερα ύψη και έτσι, η παρουσία των φίλτρων, ως εξασθενητών, κρίθηκε α- παραίτητη. Οι φακοί εστίασης που προηγούνται των φίλτρων συμβολής στις συστοιχίες των οπτικών φίλτρων, έχουν εστιακή απόσταση f όλες τις περιπτώσεις. = 40mm και διάμετρο 1 in, σε Για την ανίχνευση των σημάτων χρησιμοποιούνται τρεις φωτοπολλαπλασιαστές τύπου R7400U της Hamamatsu ( που είναι ειδικά επιλεγμένοι για την ευαισθησία και την γρήγορη απόκριση τους στα αντίστοιχα μήκη κύματος. Στην Εικόνα 1-5 που ακολουθεί, φαίνονται οι φωτοπολλαπλασιαστές που έχουν προσαρτηθεί στο κιβώτιο ανίχνευσης: Εικόνα 1-5: Οι φωτοπολλαπλασιαστές του lidar του ΕΦΑ.

26 26 Η φωτοκάθοδος των φωτοπολλαπλασιαστών είναι πολυαλκαλική ( Na K Sb Cs ). Η κβαντική απόδοση τους (quantum efficiency) στα 355nm είναι 23%, στα 387nm 20%, ενώ στα 532nm είναι 12% (Hamamatsu, 2001). Η μέγιστη τάση τροφοδοσίας των φωτοπολλαπλασιαστών είναι της τάξεως των 1000 V, προκειμένου αυτοί να λειτουργούν στην γραμμική τους περιοχή, ενώ οι προδιαγραφές του κατασκευαστή των φωτοπολλαπλασιαστών ορίζουν σαν βέλτιστη τάση λειτουργίας το διάστημα V Σύστημα καταγραφής και αποθήκευσης των δεδομένων lidar Για τα σήματα lidar διακρίνουμε γενικά δύο βασικές μεθόδους καταγραφής: την αναλογική μέθοδο (analog detection mode) και την τεχνική της καταμέτρησης φωτονίων (photon counting detection mode). Στην αναλογική μέθοδο καταγραφής, ο παλμός εξόδου του φωτοπολλαπλασιαστή καταγράφεται σαν ρεύμα εξόδου, ενώ στην τεχνική της καταμέτρησης φωτονίων καταγράφονται τα παραγόμενα από τον φωτοπολλαπλασιαστή φωτοηλεκτρόνια. Η τεχνική καταμέτρησης φωτονίων είναι πιο αξιόπιστη από την αναλογική μέθοδο, αναφορικά με τον λόγο ρεύματος προς θόρυβο (SNR) και την σταθερότητα του παραγόμενου σήματος. Παρόλα αυτά είναι εφικτή η εφαρμογή της μόνο στην περίπτωση που τα προσπίπτοντα φωτόνια στην φωτοκάθοδο του φωτοπολλαπλασιαστή καταφθάνουν με χαμηλούς σχετικά ρυθμούς, ώστε τα παραγόμενα φωτοηλεκτρόνια να είναι χρονικά διακριτά και ανιχνεύσιμα ένα προς ένα. Το καταγραφικό σύστημα που χρησιμοποιούμε προέρχεται από την εταιρεία LICEL (Transient Recorder TR20-80/160, έχει τη δυνατότητα να εκτελεί ταυτόχρονη αναλογική καταγραφή των σημάτων lidar στα 355 και 532nm, και την ταυτόχρονη καταμέτρηση φωτονίων στα 355, 387 και 532nm. Το σημαντικό αυτό πλεονέκτημα δίνει τη δυνατότητα να αποφεύγεται ο κορεσμός του σήματος που προέρχεται από τις κοντινές αποστάσεις (έως περίπου τα 2km ), όπου το σήμα είναι μεγάλης έντασης (προτιμάται η αναλογική καταγραφή), και να διατηρείται η ευαισθησία του συστήματος στην καταγραφή πιο ασθενών σημάτων που προέρχονται από μεγάλες αποστάσεις (τυπικά 10 12km, όπου και προτιμάται η καταγραφή φωτονίων). Η βέλτιστη χωρική ανάλυση που επιτυγχάνεται κατά την αναλογική καταγραφή είναι 7.5 m, ενώ κατά την καταγραφή φωτονίων είναι 15 m. Στην Εικόνα 1-6 που ακολουθεί, φαίνονται οι καταγραφικές μονάδες των σημάτων lidar του ΕΦΑ. Μεγάλη σημασία έχει ο καθορισμός του εύρους τιμών έντασης

27 27 σήματος που θα καταγράφονται από το σύστημα. Αρχικά, θέτουμε ένα ανώτερο όριο καταγραφής (upper level) για να αποκλείσουμε κάποια φωτόνια μεγάλης ενέργειας που μπορεί να προέρχονται από την κοσμική ακτινοβολία. Στο ΕΦΑ, έγιναν πολλές δοκιμές για τον καθορισμό του κατώτερου ορίου καταγραφής (discrimination level), το οποίο καθορίζει την ένταση του σήματος που αναμένεται να προέρχεται από την οπισθοσκέδαση των παλμών laser, και όχι από ηλεκτρονικό θόρυβο. Το κατώτερο όριο καταγραφής καθορίστηκε τελικά να είναι ίσο με 9. Εικόνα 1-6: Καταγραφικές μονάδες των σημάτων lidar του ΕΦΑ. Τέλος, κατά την λειτουργία του ανιχνευτικού συστήματος καταμέτρησης φωτονίων, πρέπει να ληφθεί υπόψη η χρονική διακριτική ικανότητα του συστήματος φωτοπολλαπλασιαστή-καταγραφικού. Πρόκειται για το λεγόμενη διόρθωση λόγω του φαινομένου του «νεκρού χρόνου». Στο σύστημα του ΕΦΑ, η χρονική διακριτική ικανότητα είναι της τάξης των 8nsec το οποίο αντιστοιχεί σε ένα ρυθμό ανίχνευσης 125MHz. Σε περιπτώσεις ανίχνευσης φωτονίων με πολύ μεγάλη ροή (όπως για παράδειγμα στην περίπτωση ανίχνευσης ισχυρών σημάτων από το κοντινό πεδίο), είναι

28 28 δυνατόν το σύστημα καταγραφής να μην είναι ικανό να καταμετρήσει σωστά τα φωτόνια που εμπεριέχονται στο λαμβανόμενο σήμα lidar. Στην περίπτωση αυτή το σήμα πρέπει να υποστεί την σχετική διόρθωση «νεκρού χρόνου». Στο ΕΦΑ, διορθώνονται τα σήματα που λήφθηκαν με την μέθοδο της καταμέτρησης φωτονίων, σύμφωνα με μια επαναληπτική μέθοδο διόρθωσης που στηρίζεται στην σχέση (Behrendt, 2002): P = Pexp( Pτ ) (1.1) m t t m όπου P, ο καταγεγραμμένος αριθμός φωτονίων, P, ο πραγματικός αριθμός των φωτονίων, και τ, ο λεγόμενος «νεκρός χρόνος» κατά την καταμέτρηση (8ns ec). Μετά την καταγραφή τους, τα πρωτογενή δεδομένα (μετρήσεις lidar) αποθηκεύονται σε έ- ναν ηλεκτρονικό υπολογιστή για περαιτέρω χρήση και επεξεργασία. t 1.3. Συμμετοχή του lidar του ΕΦΑ στο Ευρωπαϊκό δίκτυο lidar EARLINET Το lidar του ΕΦΑ, με τα τεχνικά χαρακτηριστικά που παρουσιάστηκαν στο κεφάλαιο αυτό (EARLINET handbook of instruments, συμμετέχει στο Ευρωπαϊκό δίκτυο lidar EARLINET (Bösenberg et al., 2003) από τον Μάιο του 2000 μέχρι και σήμερα. Το δίκτυο EARLINET (European Aerosol Research LIdar NETwork) είναι ένα από τα πιο σημαντικά έργα της Ευρωπαϊκής Ένωσης, που στοχεύει στην καταγραφή της χωρικής και χρονικής κατανομής αιωρούμενων σωματιδίων στην ευρωπαϊκή ήπειρο, με τη χρήση τεχνικών lidar. Στα πλαίσια του ευρωπαϊκού προγράμματος EARLINET ( ), πραγματοποιήθηκαν συντονισμένες μετρήσεις σε 22 σταθμούς lidar εγκατεστημένους σε 12 Ευρωπαϊκές χώρες. Το δίκτυο EARLINET συνεχίζει την λειτουργία του, αν και δεν χρηματοδοτείται πλέον από την Ευρωπαϊκή Ένωση. Οι 22 σταθμοί lidar του EARLINET ακολούθησαν το πρόγραμμα των μετρήσεων από τον Μάιο του 2000 έως τον Νοέμβριο του Αρκετοί από αυτούς τους σταθμούς, συμπεριλαμβανόμενου και του ΕΦΑ, συνεχίζουν τις μετρήσεις μέχρι και σήμερα. Στην Εικόνα 1-7 που ακολουθεί, φαίνεται η γεωγραφική κατανομή των σταθμών lidar που συνεχίζουν να συμμετέχουν στο EARLINET.

29 29 Εικόνα 1-7: Οι σταθμοί lidar του δικτύου EARLINET Οι κύριοι στόχοι του EARLINET είναι να δημιουργηθεί μια ευρεία βάση δεδομένων που αφορά μακροχρόνιες μετρήσεις της οριζόντιας και της κατακόρυφης κατανομής των οπτικών ιδιοτήτων των αιωρούμενων σωματιδίων, ώστε η χρησιμοποίηση των δεδομένων αυτών να βοηθήσει στις μελέτες που αφορούν την επίδραση των αιωρημάτων στις διάφορες περιβαλλοντικές και κλιματικές διεργασίες. Οι συντονισμένες μετρήσεις lidar του δικτύου EARLINET ξεκίνησαν τον Μάιο του 2000 και συνοδεύονται από άλλες συνήθεις μετρήσεις που αφορούν τα αιωρούμενα σωματίδια (φωτόμετρα, UV-B ραδιόμετρα, φασματοφωτόμετρα, μετεωρολογικά δεδομένα) (Bösenberg et al., 2003). Οι μετρήσεις lidar πραγματοποιούνται 3 φορές την εβδομάδα (Δευτέρα μεσημέρι και βράδυ και Πέμπτη βράδυ). Τα τελικά προϊόντα που παράγει το δίκτυο EARLINET αποτελούν ένα σημαντικό εργαλείο για την παγκόσμια επιστημονική κοινότητα και τη σύγχρονη κοινωνία στους εξής τομείς:

30 30 Μελέτη φαινομένων μεταφοράς-εναπόθεσης σκόνης από την έρημο της Σαχάρα και από δασικές πυρκαγιές, Επίδραση των αιωρούμενων σωματιδίων στην υπεριώδη ηλιακή ακτινοβολία (UVB) που φθάνει στο έδαφος, Μελέτη διάχυσης των αέριων ρύπων σε αστικές περιοχές, Συσχέτιση της συγκέντρωσης των αιωρούμενων σωματιδίων με έντονα επεισόδια ατμοσφαιρικής ρύπανσης, Εντοπισμός των πηγών ρύπανσης από αιωρούμενα σωματίδια, Μελέτη των στρατοσφαιρικών αιωρούμενων σωματιδίων και της επίδρασής τους στο γήινο κλίμα Σύγκριση συστημάτων lidar Κατά την διάρκεια του EARLINET έλαβαν χώρα διαδικασίες βαθμονόμησης των συστημάτων lidar του δικτύου. Τον Σεπτέμβριο του 2000 και στα πλαίσια της καμπάνιας βαθμονόμησης SLICE 2000 (Southern LIdar Comparison campain of Earlinet 2000), επισκέφθηκε το ΕΦΑ ένας κινητός σταθμός lidar (ΜΙΜ lidar) που ανήκει στο Max-Planck-Institut für Meteorologie (Εικόνα 1-8). Για την περίοδο 19/9/ /9/2000 λήφθηκαν ταυτόχρονες μετρήσεις από τα δύο όργανα, με σκοπό την εξαγωγή σύμφωνων κατακόρυφων κατανομών των συντελεστών οπισθοσκέδασης στα 532nm μετά την επεξεργασία των σημάτων. Οι κοινές ομάδες μετρήσεων μεταξύ των δύο σταθμών θα έπρεπε να λάβουν χώρα κάτω από διαφορετικές μετεωρολογικές συνθήκες, ώστε να εξεταστεί επίσης και η συμπεριφορά των οργάνων σε όλες τις πιθανές ατμοσφαιρικές συνθήκες. Τουλάχιστον τέσσερα διαφορετικά επεισόδια κάτω από συνθήκες όχι χαμηλής νεφοκάλυψης έπρεπε να μετρηθούν, για τουλάχιστον δύο διαφορετικές ημέρες. Ο χρόνος διάρκειας των παράλληλων μετρήσεων για κάθε επεισόδιο θα έπρεπε να είναι τουλάχιστον δύο ώρες και οι προς σύγκριση κατακόρυφες κατανομές του συντελεστή οπισθοσκέδασης θα προέκυπταν από τον χρονικό μέσο όρο των σημάτων στο διάστημα ενός μισαώρου (30 min ). Οι συγκεντρώσεις των αιωρούμενων σωματιδίων στην ατμόσφαιρα υπό εργασία για τουλάχιστον δύο από τις ομάδες μετρήσεων, θα έπρεπε να ήταν υψηλές, δη-

31 31 λαδή ο συντελεστής οπισθοσκέδασης να λάμβανε τιμές β > (m. sr) -1 στα 355nm. Επίσης οι μετρήσεις θα πραγματοποιούνταν την ημέρα, αλλά και την νύχτα. Εικόνα 1-8: Ο κινητός σταθμός lidar για την βαθμονόμηση σταθμών του EARLINET. Στο διάγραμμα του Σχήματος 1-4 που ακολουθεί, παρουσιάζουμε μία από τις περιπτώσεις παράλληλων μετρήσεων της κατακόρυφης κατανομής του συντελεστή οπισθοσκέδασης στα 532nm από τα lidar του ΕΦΑ και του ΜΙΜ, για την Θεσσαλονίκη και τις 22 Σεπτεμβρίου 2000, μεταξύ των 18:00 και 18:15 UTC (Matthias et al., 2004a). Παρατηρούμε στο διάγραμμα του Σχήματος 1-4 ότι τα δύο lidar αναπαράγουν την ίδια σχεδόν κατακόρυφη κατανομή του συντελεστή οπισθοσκέδασης για τα 532nm για ύψη μεγαλύτερα από τα 2000m. Οι διαφοροποιήσεις των δύο κατακόρυφων κατανομών για ύψη μικρότερα των 2000m οφείλονται στο πρόβλημα της μη πλήρους επικάλυψης της δέσμης laser και του οπτικού πεδίου του τηλεσκοπίου του lidar του ΕΦΑ, το οποίο αναλύεται στο επόμενο κεφάλαιο. Οι διαφοροποιήσεις για τις δύο κατακόρυφες κατανομές και για ύψη πάνω από τα 2000m είναι μικρότερες των επιτρεπόμενων ορίων που τέθηκαν για την καμπάνια βαθμονόμησης (20%). Τα αποτελέσματα της καμπάνιας βαθμονόμησης όλων των σταθμών του EARLINET παρατίθενται στην εργασία των Matthias et al., (2004a).

32 LAP-AUTH MIM 22/09/ :10-18:15 Height (m) x x x x x x x x x x10-5 Backscatter Coefficient (1/(m*sr)) Σχήμα 1-4: Σύγκριση των κατακόρυφων κατανομών του συντελεστή οπισθοσκέδασης των αιωρούμενων σωματιδίων για τα 532nm, όπως αυτοί υπολογίστηκαν από τα lidar του ΕΦΑ και του ΜΙΜ για τις 22 Σεπτεμβρίου 2000 (18:00-18:15 UTC) στην Θεσσαλονίκη (Matthias et al., 2004a).

33 33 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 2. ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟ- ΛΙΑΣ LASER ΜΕ ΤΗΝ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑ. ΕΞΙΣΩΣΗ LIDAR ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ ΕΠΙ- ΛΥΣΗΣ 2.1. Εισαγωγή Κατά την διάδοσή της στην ατμόσφαιρα η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία εξασθενεί λόγω απορρόφησης και σκέδασης από τα μόρια και τα αιωρούμενα σωματίδια. Στην περίπτωση εκπομπής παλμικής ακτινοβολίας laser και ανάλογα με το είδος της αλληλεπίδρασης με τα συστατικά της ατμόσφαιρας, η ακτινοβολία laser που ανιχνεύεται από το σύστημα lidar δίνεται από την αντίστοιχη διαφορική εξίσωση lidar, που προκύπτει από τις βασικές εξισώσεις διάδοσης της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας στην ατμόσφαιρα. Στις περισσότερες από τις τεχνικές lidar, οι μέθοδοι αναλυτικής επίλυσης των διαφορικών εξισώσεων απαιτούν συγκεκριμένες παραδοχές. Στο κεφάλαιο αυτό συνοψίζονται, αρχικά, οι βασικοί νόμοι που περιγράφουν την διάδοση α- κτινοβολίας σε ένα οπτικό μέσο. Κατόπιν, παρουσιάζονται οι διαφορικές εξισώσεις lidar που αντιστοιχούν στην ελαστική οπισθοσκέδαση και στη σκέδαση Raman, όπως αυτές προκύπτουν από τους βασικούς νόμους της ατμοσφαιρικής οπτικής, καθώς και οι αλγόριθμοι επίλυσής τους. Τέλος, παρατίθενται τα αποτελέσματα από συγκρίσεις αλγορίθμων στις οποίες συμμετείχε το ΕΦΑ για την πιστοποίηση της αριθμητικής ακρίβειας των μεθόδων υπολογισμού της κατακόρυφης κατανομής των οπτικών παραμέτρων των αερολυμάτων με χρήση των τεχνικών lidar.

34 Διάδοση ακτινοβολίας στην ατμόσφαιρα Βασικές έννοιες και ορισμοί Τα χαρακτηριστικά της ισχύος μιας ηλεκτρομαγνητικής δέσμης περιγράφονται από μια σειρά παραμέτρων εκ των οποίων οι κυριότερες είναι: Ισχύς ακτινοβολίας (radiant flux): Ως ισχύς ακτινοβολίας, F, ορίζεται η ενέργεια της ακτινοβολίας ανά μονάδα χρόνου (J s, W ), και εκφράζει τον ρυθμό με τον οποίο διαδίδεται μια ακτινοβολία από ένα σημείο του χώρου. Φασματική ισχύς ακτινοβολίας (spectral radiant flux): Ως φασματική ισχύς ακτινοβολίας, F λ, ορίζεται η ισχύς ακτινοβολίας ανά μονάδα μήκους κύματος (W nm), δηλαδή σε μια πολύ στενή περιοχή του φάσματος με κέντρο ένα συγκεκριμένο μήκος κύματος λ. Ροή ακτινοβολίας (radiant flux density): Ως ροή ακτινοβολίας, ορίζεται η διερχόμενη 2 ισχύς ακτινοβολίας ανά μονάδα επιφάνειας ( W m ). Όταν η ακτινοβολία προσπίπτει σε μια επιφάνεια, το μέγεθος ονομάζεται προσπίπτουσα ροή ακτινοβολίας, I, (Irradiance), και διαχωρίζεται από την περίπτωση όπου η ακτινοβολία εκπέμπεται από την επιφάνεια, οπότε και ονομάζεται εκπεμπόμενη ροή ακτινοβολίας, E, (Emittance). Ο ορισμός αυτός δεν προσδιορίζει την στερεά γωνία υπό την οποία εκπέμπεται ή προσπίπτει η ακτινοβολία στην επιφάνεια. Έτσι, όταν χρησιμοποιούμε τα παραπάνω μεγέθη είναι δυνατόν να αναφερόμαστε σε στερεά γωνία ημισφαίριο ή και σε πολύ μικρές στερεές γωνίες dω. 2π sr, σε ένα Πυκνότητα ροής ακτινοβολίας (Radiance): Ως πυκνότητα ροής ακτινοβολίας ορίζεται η ροή ακτινοβολίας η οποία εκπέμπεται από μια επιφανειακή πηγή σε συγκεκριμένη διεύθυνση, ανά μονάδα επιφάνειας που παρεμβάλλεται στην διεύθυνση διάδοσης και ανά μονάδα στερεάς γωνίας (Σχήμα 2-1). Αν η πυκνότητα ροής ακτινοβολίας είναι η ίδια σε όλες τις διευθύνσεις εκπομπής, η πηγή ονομάζεται Λαμπερτιανή (Lambertian source).

35 35 Σχήμα 2-1: Ορισμός της πυκνότητας ροής ακτινοβολίας Διάδοση μονοχρωματικής ακτινοβολίας σε ατμοσφαιρικό στρώμα Κατά την διάδοσή της στην ατμόσφαιρα, η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία εξασθενεί λόγω απορρόφησης και σκέδασής της από τα μόρια και τα αιωρούμενα σωματίδια. Η θεωρία της σκέδασης και της απορρόφησης της ακτινοβολίας έχει αναπτυχθεί και καταγραφεί επαρκώς στην βιβλιογραφία (Van de Hulst, 1957; McCartney, 1976; Bohren and Huffman, 1983). Στο κεφάλαιο αυτό θα συνοψίσουμε εν συντομία τη θεωρία της διάδοσης της μονοχρωματικής ακτινοβολίας σε ένα οπτικό μέσο, δηλαδή την ατμόσφαιρα, που είναι και η περίπτωση που μας ενδιαφέρει στις εφαρμογές lidar. Όταν μια πηγή εκπέμπει σε ένα ευρύ φάσμα μηκών κύματος, απαιτούνται πολύπλοκες μέθοδοι για την εκτίμηση της εξασθένισης της ακτινοβολίας (Goody and Yung, 1989; Liou, 1980). Το πρόβλημα της σκέδασης του φωτός στην περίπτωση αυτή επιλύεται μόνο με αριθμητικές μεθόδους. Οι δυσκολίες των υπολογισμών αυτών δεν υφίστανται για την περίπτωση της διάδοσης μονοχρωματικής ακτινοβολίας στην ατμόσφαιρα, όπου το πρόβλημα της σκέδασης περιγράφεται με χρήση αναλυτικών εξισώσεων. Στις εφαρμογές lidar χρησιμοποιούνται πηγές laser που εκπέμπουν παλμούς με πολύ στενό εύρος μήκους κύματος (της τάξης των 10-1 έως 10-3 nm). Έτσι, στις εφαρμογές lidar μπορούμε να θεωρήσουμε ότι έχουμε την εκπομπή και διάδοση μονοχρωματικής α- κτινοβολίας στην ατμόσφαιρα, και οι εξισώσεις που θα αναπτυχθούν στα παρακάτω μπορούν να εφαρμοστούν.

36 36 Στο Σχήμα 2-2, συνοψίζεται η διάδοση του φωτός από ένα ατμοσφαιρικό στρώμα που έχει την ιδιότητα να σκεδάζει ή/και να απορροφά την διερχόμενη ακτινοβολία: Σχήμα 2-2: Διάδοση ακτινοβολίας σε ένα ατμοσφαιρικό στρώμα. Θεωρούμε μια μονοχρωματική ακτινοβολία μήκους κύματος λ που διαδίδεται σε ένα ατμοσφαιρικό στρώμα γεωμετρικού πάχους H (Σχήμα 2-2 (α)). Η ισχύς της εισερχόμενης ακτινοβολίας είναι F ( ) 0 λ. Θεωρούμε ότι η ισχύς της εξερχόμενης ακτινοβολίας είναι ίση με F ( λ ) όταν αυτή διαπεράσει το ατμοσφαιρικό στρώμα. Λόγω της εξασθένισης που θα υποστεί η ακτινοβολία αυτή, θα ισχύει: ( λ) ( λ ) F < F 0. Το ποσοστό της ενέργειας ακτινοβολίας που διαπερνά το ατμοσφαιρικό στρώμα εκφράζεται από την διαπερατότητα T του στρώματος, που ορίζεται από την σχέση: 0 ( λ ) ( λ ) F T = (2.1) F Η διαπερατότητα ενός στρώματος θα είναι ίση με μηδέν για την περίπτωση που μια ακτινοβολία δεν διαπεράσει το στρώμα αυτό, ενώ θα είναι ίση με την μονάδα όταν δεν λαμβάνει χώρα καμία διεργασία σκέδασης ή απορρόφησης της ακτινοβολίας μέσα στο στρώμα. Η διαπερατότητα ενός οπτικού μέσου για μία μονοχρωματική ακτινοβολία είναι μία ιδιότητα του ίδιου του μέσου για το συγκεκριμένο μήκος κύματος. Για να εκφράσουμε τη διαπερατότητα ενός ατμοσφαιρικού στρώματος που παρουσιάζει διαφορετικές ιδιότητες σκέδασης και απορρόφησης κατά τον οπτικό δρόμο που διανύει η μονοχρωματική ακτινοβολία μέσα σε αυτό, θεωρούμε ένα στοιχειώδες τμήμα του α- τμοσφαιρικού στρώματος, πάχους dz, σε θέση που απέχει απόσταση z από την αρχή του στρώματος αυτού (Σχήμα 2-2 (β)). Θεωρούμε ότι σε αυτό το στοιχειώδες τμήμα

37 37 του στρώματος, οι ιδιότητες της σκέδασης ή/και της απορρόφησης του μέσου παραμένουν σταθερές, δηλαδή ότι το μέσον είναι ομοιογενές. Αν F(, z) λ είναι η ισχύς της εισερχόμενης ακτινοβολίας στο στοιχειώδες ατμοσφαιρικό στρώμα, τότε η μείωση της ισχύος της ακτινοβολίας σε αυτό, θα δίδεται από την σχέση: Ως ( λ, a z) ( λ, ) ( λ, ) ( λ, ) df z = a z F z dz (2.2), ορίζεται ο συντελεστής εξασθένισης του μέσου, και εκφράζει την πιθανότητα ανά μονάδα οπτικής διαδρομής, να αφαιρεθεί ένα φωτόνιο από την αρχική ακτινοβολία λόγω σκέδασης ή απορρόφησης από το οπτικό μέσο. Διαιρώντας τα δύο μέλη της εξίσωσης (2.2) με F( λ, z) το ατμοσφαιρικό στρώμα, καταλήγουμε στην εξίσωση (2.3):, και ολοκληρώνοντας από 0 έως H για όλο ( λ) ( λ) F = F e 0 H a 0 ( λ, ) z dz (2.3) Η εξίσωση (2.3) είναι γνωστή στη βιβλιογραφία ως ο νόμος των Beer- Lambert, ο οποίος περιγράφει την ολική εξασθένιση μονοχρωματικής ακτινοβολίας από ένα ετερογενές οπτικό μέσο. Έτσι, η διαπερατότητα ενός ατμοσφαιρικού στρώματος πάχους Η για μονοχρωματική ακτινοβολία μήκους κύματος λ, μπορεί σύμφωνα με τον νόμο των Beer-Lambert να γραφεί: T( λ, H) = e H a 0 ( λ, ) z dz (2.4) Ο νόμος των Beer-Lambert περιγράφει την εξασθένιση μιας μονοχρωματικής ακτινοβολίας που διαδίδεται σε ένα οπτικό μέσο, με την θεωρητική υπόθεση ότι η ενέργεια της ακτινοβολίας διαδίδεται κατά μήκος μιας ευθείας, της λεγόμενης οπτικής ακτίνας. Η θεώρηση αυτή είναι σωστή όταν η ακτινοβολία είναι απόλυτα μονοχρωματική, και στην περίπτωση αυτή όλοι οι νόμοι της Οπτικής μπορούν να διατυπωθούν με απλές γεωμετρικές έννοιες (Γεωμετρική Οπτική). Στην πράξη όμως, η θεώρηση αυτή μπορεί να επιτευχθεί εργαστηριακά μόνο με μια «σημειακή» μονοχρωματική πηγή laser. Όλες όμως οι πηγές φωτός έχουν κάποιες διαστάσεις, και ακόμα και στις εφαρμογές lidar, η δέσμη laser παρουσιάζει κάποια, έστω και μικρή γωνιακή απόκλιση κατά την διάδοσή της στην ατμόσφαιρα, φωτίζοντας τελικά έναν κωνικό όγκο μέσα σ αυτήν. Στην περίπτωση αυτή, και για να υπολογίσουμε την συνολική εξασθένιση της ακτινοβολίας σε απόσταση z από την πηγή, πρέπει εκτός από την εξασθένιση λόγω σκέδασης και απορρόφησης από το μέσο, να συνυπολογίσουμε την

38 38 εξασθένιση της ισχύος της ευθύγραμμα διαδιδόμενης ακτινοβολίας λόγω της απόκλισης της δέσμης. Έτσι, ο νόμος των Beer-Lambert γίνεται πιο πολύπλοκος από την διατύπωση της εξίσωσης (2.3). Στις εφαρμογές lidar το πρόβλημα αυτό λύνεται σύμφωνα με τον κανόνα του Allard (Kovalev, 2004), ο οποίος εφαρμόζεται σε περιπτώσεις που οι διαστάσεις μιας πηγής φωτός μπορούν να θεωρηθούν απειροστές σε σχέση με την απόσταση z από την πηγή. Μία τέτοια πηγή μπορεί να θεωρηθεί σημειακή, και σύμφωνα με τον κανόνα του Allard για την περίπτωση αυτή, η πυκνότητα ροής της ακτινοβολίας που ανιχνεύει ένας απομακρυσμένος δέκτης σε απόσταση z, είναι αντιστρόφως ανάλογη του τετραγώνου της απόστασης πηγής-δέκτη και ανάλογη της διαπερατότητας του στρώματος που παρεμβάλλεται. Τελικά, η πυκνότητα ροής της ακτινοβολίας που θα μετρήσει ένας δέκτης σε απόσταση z από την πηγή θα είναι: ( λ, ) z a( λ, z ) dz E ( λ) 0 = (2.5) 2 I z e z όπου I (, z) λ, η πυκνότητα ροής της ακτινοβολίας στην απόσταση z από την σημειακή πηγή, και E ( λ ), η πυκνότητα ροής ακτινοβολίας στην πηγή Διαφορική Εξίσωση lidar Στις εφαρμογές lidar, ένας μονοχρωματικός παλμός φωτός έντασης F ( λ ) εκπέμπεται από μια πηγή laser στην ατμόσφαιρα. Το εκπεμπόμενο φως εξασθενεί κατά την διάδοσή του, καθώς ένα μέρος του αλληλεπιδρά σε κάθε ύψος με τα μόρια και τα αιωρούμενα σωματίδια της ατμόσφαιρας και είτε αυτό απορροφάται, είτε σκεδάζεται. Το σκεδαζόμενο φως επανεκπέμπεται από τον στόχο προς όλες τις κατευθύνσεις σύμφωνα με μια κατανομή πιθανότητας σκέδασης. Ένα μικρό μέρος του σκεδαζόμενου φωτός, η λεγόμενη οπισθοσκεδαζόμενη ακτινοβολία, δηλαδή η ακτινοβολία που σκεδάζεται σε γωνία σε σχέση με την προσπίπτουσα, φτάνει στο σύστημα ανίχνευσης του lidar. Το τηλεσκόπιο συλλέγει την οπισθοσκεδαζόμενη ακτινοβολία και την εστιάζει στον φωτοανιχνευτή, ο οποίος μετατρέπει το φως που δέχεται σε ηλεκτρικό σήμα. Η αναλογική έξοδος του σήματος από τον φωτοανιχνευτή ψηφιοποιεί-

39 39 ται από έναν μετατροπέα αναλογικού σε ψηφιακό σήμα και αποθηκεύεται σε έναν Η/Υ. Η σκέδαση του φωτός από τα μόρια και τα αιωρούμενα σωματίδια της ατμόσφαιρας διακρίνεται σε δύο γενικές κατηγορίες, την ελαστική σκέδαση όπου η σκεδαζόμενη ακτινοβολία είναι του ίδιου μήκους κύματος με την προσπίπτουσα, και την ανελαστική σκέδαση, όπου το μήκος κύματος της σκεδαζόμενης είναι διαφορετικό της προσπίπτουσας. Τυπικό παράδειγμα ανελαστικής σκέδασης είναι η σκέδαση Raman, όπου έχουμε μία συγκεκριμένη μετατόπιση του μήκους κύματος. Και για τα δύο είδη σκέδασης, το οπισθοσκεδαζόμενο σήμα σχετίζεται με την μοριακή και σωματιδιακή συγκέντρωση κατά την διεύθυνση διάδοσης της ακτινοβολίας, όπως και με την εξασθένισή της. Για ένα σύστημα lidar, το οπισθοσκεδαζόμενο σήμα που ανιχνεύεται από τον φωτοανιχνευτή είναι το άθροισμα της ελαστικά οπισθοσκεδαζόμενης ακτινοβολίας F elas,sin g, της ελαστικά πολλαπλά σκεδαζόμενης ακτινοβολίας, και του συνόλου των ακτινοβολιών διαφορετικών μηκών κύματος που προέρχονται από την ανελαστική σκέδαση του εκπεμπόμενου παλμού, Σ F inelas. F elas, mult F = F + F +ΣF bsc elas,sin g elas, mult inelas (2.6) Σημειώνουμε ότι κάθε παράγοντας στην σχέση (2.6) αναφέρεται στο φως που σκεδάζεται στις ως προς την προσπίπτουσα ακτινοβολία. Σε ένα σύστημα lidar οπισθοσκέδασης, η πληροφορία που ενδιαφέρει στο οπισθοσκεδαζόμενο φως, αφορά τον όρο F elas,sin g της απλής ελαστικής σκέδασης. Σε ένα σύστημα Raman lidar μας ενδιαφέρουν κυρίως οι όροι της ανελαστικής σκέδασης. Την περίπτωση αυτή θα την μελετήσουμε αναλυτικότερα παρακάτω. Για σχετικά καθαρές ατμόσφαιρες (πχ. με μικρές συγκεντρώσεις αερολυμάτων), το ποσοστό της ελαστικής σκέδασης είναι πολύ μεγαλύτερο από αυτό της πολλαπλής σκέδασης, και έτσι ο όρος στην εξίσωση (2.6) μπορεί να αγνοηθεί. Η πολλαπλή σκέδαση γίνεται σημαντική μόνο σε εξαιρετικά ρυπασμένες ατμοσφαιρικές συνθήκες. Επίσης, ο όρος ΣF inelas F elas, mult των ανελαστικών σκεδάσεων είναι σημαντικά μικρότερος από τον όρο που αφορά την ελαστική σκέδαση (συνήθως κατά μερικές τάξεις μεγέθους) και μπορεί να αγνοηθεί επίσης. Συνήθως, ο όρος της ανελαστικής σκέδασης αφαιρείται από το σήμα που ανιχνεύεται από τον φωτοανιχνευτή με την βοή-

40 40 θεια οπτικών φίλτρων που προηγούνται αυτού, ώστε να γίνεται τελικά μέτρηση φωτός σε μήκος κύματος ίδιο με το εκπεμπόμενο από το laser. Επιπλέον, υπάρχει και ένας όρος που παρουσιάζεται στις μετρήσεις που πραγματοποιούνται κατά την διάρκεια της ημέρας, και αφορά το υπόβαθρο της ηλιακής ακτινοβολίας, F bgr. Τελικά, ο ολική ροή ακτινοβολίας που προσπίπτει στον φωτοανιχνευτή,, δίνεται από την σχέση: F tot Ftot = Fbsc + Fbgr (2.7) Για να εκτιμήσουμε τον όρο του ατμοσφαιρικού υποβάθρου, βρίσκουμε στην κατακόρυφη κατανομή του μετρούμενου σήματος lidar μία περιοχή υψών όπου δεν περιμένουμε οπισθοσκέδαση από την εκπεμπόμενη ακτινοβολία, λόγω της ολικής ε- ξασθένισης των παλμών. Θεωρώντας ότι το σήμα που καταμετράται στον ανιχνευτή από τέτοιες περιοχές οφείλεται αποκλειστικά και μόνο στο ατμοσφαιρικό υπόβαθρο ίδιου μήκους κύματος με αυτό της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας από το σύστημα lidar, μπορούμε τελικά να απομονώσουμε τον όρο της ελαστικής σκέδασης που μας ενδιαφέρει, αφαιρώντας το από το ανιχνεύσιμο σήμα. Η διαφορική εξίσωση του lidar που θα αφορά το σήμα που μετρήθηκε λόγω ελαστικής οπισθοσκέδασης της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας, προκύπτει αν αναλύσουμε τις φυσικές διεργασίες που λαμβάνουν μέρος κατά την διάδοση ενός παλμού laser στην ατμόσφαιρα, όπως αυτές απεικονίζονται στο Σχήμα 2-3: Σχήμα 2-3: Διάδοση ενός παλμού laser στην ατμόσφαιρα. Η πηγή laser, στο σημείο O, εκπέμπει μονοχρωματικούς παλμούς laser στενού χρονικού-χωρικού εύρους, και έστω ότι η γωνιακή απόκλιση της δέσμης είναι Ω. Το τηλεσκόπιο που βρίσκεται στο σημείο P θεωρούμε ότι έχει οπτικό πεδίο που α-

41 41 ντιστοιχεί σε στερεά γωνία ω. Για να αναλύσουμε τις διάφορες αλληλεπιδράσεις θεωρούμε έναν παλμό φωτός ο οποίος διανύει χωρική απόσταση Δ z0 (Σχήμα 2-3 (α)) σε χρόνο n 0 (Σχήμα 2-3 (β)). Με άλλα λόγια, ο ατμοσφαιρικός όγκος που προκαλεί την ανιχνεύσιμη οπισθοσκέδαση του παλμού από το σύστημα, βρίσκεται μεταξύ των υψών z και z. Έτσι, το laser φωτίζει έναν ατμοσφαιρικό κωνικό όγκο διατομής 2 Ω z, όπου z, η απόσταση του ατμοσφαιρικού όγκου από την πηγή laser. Ο ατμοσφαιρικός όγκος θεωρείται στην πράξη κυλινδρικός και η απόσταση είναι η μέση απόσταση ( ) z από την πηγή z = 0.5 z + z. Καθώς ο φωτισμένος όγκος διαδίδεται στην ατμόσφαιρα, σκεδαζόμενο φως εκπέμπεται προς όλες τις κατευθύνσεις. Το οπισθοσκεδαζόμενο φως στις ανιχνεύεται από το τηλεσκόπιο και μετατρέπεται σε ηλεκτρικό σήμα στον φωτοανιχνευτή του lidar. Η ένταση του ανιχνεύσιμου φωτός για κάθε χρονική στιγμή εξαρτάται από τον συντελεστή οπισθοσκέδασης που χαρακτηρίζει τον ατμοσφαιρικό όγκο αλληλεπίδρασης του παλμού, όπως και από την εξασθένιση που προκαλείται στον παλμό φωτός κατά την διάδοσή του μέχρι τον όγκο αυτό. Υποθέτοντας ότι t = 0 είναι η χρονική στιγμή που η αρχή του παλμού εκπέμπεται από την πηγή laser, ας δούμε ποιο θα είναι το σήμα που ανιχνεύεται από την διάταξη lidar σε οποιαδήποτε χρονική στιγμή t n 0. Ο ατμοσφαιρικός όγκος αλληλεπίδρασης βρίσκεται μεταξύ των υψών z και z, και η σχέση μεταξύ του χρόνου όπως τον θεωρήσαμε και της θέσης του όγκου σκέδασης που ορίζεται από την αρχή ( z ) και το πέρας του παλμού ( z ) είναι: και όπου c 2z = c t (2.8) 2z = c( t n 0 ) (2.9) είναι η ταχύτητα του φωτός. Ο παλμός φωτός διαπερνά τον όγκο αλληλεπίδρασης δύο φορές, μία από το laser στην αντίστοιχη άκρη του παλμού και μία από την άκρη του παλμού προς το τηλεσκόπιο. Αυτός είναι ο λόγος που στις σχέσεις (2.8) και (2.9) εμφανίζεται ο παράγοντας 2. Όπως προκύπτει από τις σχέσεις (2.8) και (2.9), το γεωμετρικό μήκος της περιοχής από το z στο z, από όπου το οπισθοσκεδαζόμενο φως φτάνει στο τηλεσκόπιο, σχετίζεται με την χρονική διάρκεια του εκπεμπόμενου παλμού n 0 σύμφωνα με την σχέση: z z z c n 2 0 Δ 0 = = (2.10) t

42 42 Η διαφορική εξίσωση με την οποία περιγράφονται οι φυσικές διεργασίες που λαμβάνουν χώρα κατά την διάδοση και ανίχνευση ενός παλμού λέγεται εξίσωση lidar, και προκύπτει από τον νόμο Beer-Lambert και την εξίσωση σκέδασης για τις Η στιγμιαία ισχύς του παλμού την χρονική στιγμή dn είναι F ( λ, n) = dw dn, όπου W η ενέργεια του παλμού και ο χρόνος dn αντιστοιχεί στον ατμοσφαιρικό ό- γκο dz, σε απόσταση z, όπου λαμβάνει χώρα η σκέδαση. Η ροή ακτινοβολίας στον φωτοανιχνευτή του lidar που οφείλεται στην μοριακή και σωματιδιακή οπισθοσκέδαση που προκαλείται από τον ατμοσφαιρικό όγκο dz δίδεται από την σχέση: (, z) + (, z) βaer λl βmol λl df ( λl, z) = C1F ( λ, n) 2 z z exp 2 aaer ( λl, ζ ) + amol ( λl, ζ ) dζ dz 0 ) και a λ z) ) (2.11) όπου β ( λ, ) και β ( λ, ) είναι οι συντελεστές μοριακής και σωματιδιακής οπισθοσκέδασης σε σχέση με την διεύθυνση διάδοσης του εκπεμπόμενου παλμού, a mol είναι οι συντελεστές μοριακής και σωματιδιακής εξασθένισης και mol L z ( λ, z (, L F( λ, n aer L aer L z η ροή ακτινοβολίας που εκπέμπεται από το laser στο μήκος κύματος λ. Με τον συμβολισμό λ L, αναφερόμαστε στην ελαστική σκέδαση του αρχικού μήκους κύματος. Η σταθερά C 1 εξαρτάται από το σύστημα lidar και περιλαμβάνει όλες τις γεωμετρικές σταθερές του συστήματος σχετικά με τις οπτικές διατάξεις εκπομπής και ανίχνευσης της ακτινοβολίας. Εξαρτάται επίσης από την απόκλιση της δέσμης laser και την διάμετρο του τηλεσκοπίου. Ο εκθετικός όρος στην εξίσωση (2.11) εκφράζει την διαπερατότητα της ατμόσφαιρας για την διαδρομή από το lidar στον ατμοσφαιρικό όγκο σκέδασης, η οποία διανύεται δύο φορές από την ακτινοβολία: ( 0, ) 2 z 2 a L, 0 ( λ ζ ) dζ T z = e (2.12) όπου a ( λ, ζ ) είναι ο συνολικός συντελεστής εξασθένισης που ισούται με το άθροι- L σμα των συντελεστών που αφορούν την εξασθένιση λόγω μορίων και σωματιδίων. Ο εκπεμπόμενος παλμός laser στις εφαρμογές lidar είναι συνήθως μικρής χρονικής διάρκειας ( ~10ns ), συνεπώς το σήμα στον φωτοανιχνευτή την χρονική στιγμή t σχετίζεται με τις ιδιότητες σκέδασης ενός σχετικά μικρού πάχους ατμοσφαιρικού όγκου. Συνεπώς, η συνολική ροή ακτινοβολίας στον φωτοανιχνευτή την χρονική

43 43 στιγμή t, σχετίζεται με την οπισθοσκέδαση του εκπεμπόμενου παλμού από ολόκληρο τον ατμοσφαιρικό όγκο πάχους ( λ, ) F z = C L 1 Δ z 0. Έτσι: (, z) + (, z) F, n exp 2 aaer ( λl, ζ ) + amol ( λl, ζ ) dζ d z +Δz0 z βaer λl βmol λ L ( λ ) 2 z z 0 z (2.13) Υποθέτοντας ότι ο εκπεμπόμενος παλμός από το laser είναι τετραγωνικής μορφής ( ) (top hat) (δηλαδή ότι F λ, n = F = const. ), και ότι οι συντελεστές εξασθένισης και οπισθοσκέδασης παραμένουν σταθεροί στον ατμοσφαιρικό όγκο πάχους Δ z 0, μπορούμε να πάρουμε την τελική μορφή της εξίσωσης lidar, που είναι: (, z) + (, z) z cn β 0 aer λl βmol λ L F( λl, z) = C1F exp 2 2 aaer ( λl, ζ ) + amol ( λl, ζ ) dζ 2 z 0 (2.14) Η ισχύς του αναλογικού σήματος που τελικά καταγράφεται από το σύστημα lidar, P( λ z) L, ροής ακτινοβολίας, που προέρχεται από την απλή ελαστική σκέδαση της εκπεμπόμενης F( λ, z), δίνεται από την σχέση: L (, z) + (, z) z βaer λl βmol λ L P( λl, z) C0 exp 2 a 2 aer( λl, ζ ) amol( λl ) d z, = + ζ ζ 0 (2.15) όπου θεωρήσαμε ότι P( λ, z) γ F( λ z) L an L =,, με γ an ίσο με τον συντελεστή μετατροπής μεταξύ της ροής ακτινοβολίας F( z) λ στον φωτοανιχνευτή και της καταγεγραμμένης έντασης του ηλεκτρικού σήματος lidar P( z) L, λ. Η σταθερά ονομάζεται σταθερά του συστήματος lidar, εξαρτάται κάθε φορά από το συγκεκριμένο σύστημα lidar και δίδεται από την ακόλουθη σχέση: 0 C0 C1F0 γ an L, cn = (2.16) 2 Η διαφορική εξίσωση για ένα σύστημα lidar οπισθοσκέδασης, προέκυψε στην τελική της μορφή, με την βασική υπόθεση ότι η χωρική ανάλυση Δ z0 του παλμού C 0

44 44 είναι τόσο μικρή, ώστε ο όρος στο ολοκλήρωμα της εξίσωσης (2.13) να μπορεί να θεωρηθεί σταθερός. Αυτό μπορεί να ισχύει κάτω από τις ακόλουθες συνθήκες: 1) Όλες οι ατμοσφαιρικές παράμετροι που σχετίζονται με την οπισθοσκέδαση που προκαλεί ο ατμοσφαιρικός όγκος που φωτίζεται από τον παλμό laser, πρέπει να παραμένουν σταθερές στο διάστημα Δ z cn 2 0 = 0. Αυτή η συνθήκη απαιτεί να μην υπάρχουν μεγάλες αλλαγές στην αριθμητική πυκνότητα και στην σύσταση κατά κύριο λόγο των αιωρούμενων σωματιδίων μέσα στον α- τμοσφαιρικό όγκο. 2) Η εξίσωση lidar να εφαρμόζεται για αποστάσεις από το σύστημα, z, τέτοιες ώστε 2 z Δz 0, έτσι ώστε η διαφορά των τετραγώνων των αποστάσεων z και ( z+δ z 0 ) 2 να είναι αμελητέα. 3) Το οπτικό βάθος στην περιοχή Δ z0 πρέπει να είναι πολύ μικρό ( ), ώ- στε ο συντελεστής εξασθένισης στο ολοκλήρωμα της σχέσης (2.13) να μπορεί να θεωρηθεί σταθερός στην περιοχή ολοκλήρωσης από z έως z +Δ z0. 4) Ο ατμοσφαιρικός όγκος που εξετάζεται, πρέπει να βρίσκεται σε μιά περιοχή όπου η δέσμη laser, να βρίσκεται ολόκληρη μέσα στο οπτικό πεδίο του τηλεσκοπίου. Αυτό συμβαίνει για περιοχές υψών πάνω από ένα συγκεκριμένο ύ- ψος z 0, και κάτω από αυτό η περιοχή ονομάζεται περιοχή μη πλήρους επικάλυψης. Η περίπτωση αυτό περιγράφεται αναλυτικά στην επόμενη παράγραφο Mη πλήρης επικάλυψη Η ελλιπής επικάλυψη μεταξύ της δέσμη laser και του οπτικού πεδίου του δέκτη (field of view), έχει σημαντικές επιπτώσεις στις μετρήσεις lidar κυρίως σε κοντινές αποστάσεις (τυπικά στις πρώτες εκατοντάδες μέτρα). Για μία ορθή ανάλυση και ερμηνεία των δεδομένων lidar κοντινού πεδίου, είναι απαραίτητο να γίνουν γεωμετρικές εκτιμήσεις και διορθώσεις των λαμβανόμενων σημάτων lidar που αφορούν την περιοχή μη πλήρους επικάλυψης. Το πρόβλημα απεικονίζεται σχηματικά στο Σχήμα 2-4. Ως συνάρτηση επικάλυψης, O( z ), ορίζεται η συνάρτηση που μας δίνει το κλάσμα της ακτινοβολίας laser που έχει εισέλθει στο οπτικό πεδίο του τηλεσκοπίου. Η συνάρτηση επικάλυψης ισούται με μηδέν όταν η δέσμη του laser δεν έχει ακόμη εισέλθει στο οπτικό πεδίο του τηλεσκοπίου, ενώ είναι ίση με την μονάδα στην περιο-

45 45 C 0 χή πλήρους επικάλυψης. Διαιρώντας το λαμβανόμενο σήμα lidar με την συνάρτηση επικάλυψης, είναι δυνατόν να εφαρμόσουμε την εξίσωση lidar και σε ύψη όπου δεν έχουμε πλήρη επικάλυψη. Έτσι, η γενικότερη μορφή της διαφορικής εξίσωσης του lidar εξακολουθεί να έχει την μορφή της σχέσης (2.15), αν στην σταθερά του συστήματος συμπεριλάβουμε και την συνάρτηση επικάλυψης cn0 ( C0( z) = O( z) C1F0 γ an ). 2 Διάφορες προσπάθειες που έχουν γίνει κατά καιρούς για τον υπολογισμό της συνάρτησης επικάλυψης περιλαμβάνουν τόσο αναλυτικές (Halldorsson and Langerholc, 1978; Harms et al., 1978; Harms, 1979, Sassen and Dodd, 1982; Velotta et al., 1998; Chourdakis et al., 2002), όσο και πειραματικές μεθόδους προσδιορισμού (Sasano et al., 1979; Tomine et al., 1989; Dho et al., 1997; Wandinger and Ansmann, 2002). Το πρόβλημα του προσδιορισμού της συνάρτησης επικάλυψης δεν είναι απλό, μιας και οι πληροφορίες που χρειάζονται για τους υπολογισμούς δεν είναι πάντα διαθέσιμες και ακριβείς. Σχήμα 2-4: Επικάλυψη δέσμης laser με το οπτικό πεδίο του τηλεσκοπίου για ένα διαξονικό σύστημα lidar.

46 46 Η συνάρτηση επικάλυψης εξαρτάται από τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά του εκάστοτε συστήματος lidar. Ο αναλυτικός υπολογισμός της συνάρτησης επικάλυψης O ( ζ ), γίνεται με την ακόλουθη σχέση (Measures, 1984): όπου: όπου O ( ζ ) ( ) ( ) ( ) ( ζ ) + ( ζ ) ( ζ ) ( ζ ) S( ) X ( ) Y( ) S Y X X = π ζ ζ ζ cos 1 2 ( ζ ) + ( ζ ) ( ζ ) ( ζ ) 2 ( ) ( ) S X Y X πy( ζ ) S ζ X ζ cos ( ) + ( ) ( ) X ( ζ ) 2 ( ) ( ) S ζ S ζ X ζ Y ζ πy ζ X ζ S ζ X ζ sin cos Y ( ζ ) ζ z d0 =, S ( ) z ζ = r ζδ ( 1 + ζ φlaser ( z0 w0) ) 2 2 z 0 + W0 ( 1 ζφtelescope ) ( ζ ) =, X = 1+ ζφ telescope z είναι η απόσταση από το lidar, z 0 η διάμετρος του τηλεσκοπίου, W 0 (2.17) η αρχική διάμετρος της δέσμης του laser, φ laser η απόκλιση της δέσμης του laser, φ telescope η γωνία που καθορίζει το οπτικό πεδίο του τηλεσκοπίου, δ η γωνία μεταξύ της διεύθυνσης διάδοσης της δέσμης του laser και της διεύθυνσης παρατήρησης του τηλεσκοπίου, και d 0 (βλ. Σχήμα 2-4). η απόσταση μεταξύ του κέντρου του τηλεσκοπίου και της δέσμης του laser Σε συνήθεις συνθήκες μετρήσεων lidar, οι πληροφορίες που χρειάζονται για τον αναλυτικό προσδιορισμό της συνάρτησης επικάλυψης δεν είναι γνωστές. Μεγάλη αβεβαιότητα στις αναλυτικές μεθόδους εισάγει η γωνία δ μεταξύ της διεύθυνσης διάδοσης της δέσμης του laser και της διεύθυνσης παρατήρησης του τηλεσκοπίου. Η γωνία δ για ένα καλά ευθυγραμμισμένο σύστημα lidar θα πρέπει να είναι μηδέν, συνθήκη που δεν ισχύει σε όλες των περιπτώσεων ευθυγράμμισης. Είναι επίσης πιθανό η γωνία δ να μεταβάλλεται και κατά την διάρκεια μιας μέτρησης λόγω σταδιακής απευθυγράμμισης του συστήματος. Μεγάλη αβεβαιότητα, επίσης, εισάγεται και από την κατανομή της ενέργειας της δέσμης του laser, η οποία για την εξαγωγή αναλυτικών εξισώσεων υπολογισμού πρέπει να είναι γνωστή (Sassen and Dodd, 1982). Στην

47 47 σχέση (2.17) που προαναφέραμε, θεωρήθηκε μία κανονική (Gauss) κατανομή ενέργειας του laser σε κάθε κυκλική τομή της κωνικής κατανομής της δέσμης στον χώρο. Στο ΕΦΑ, και με την επιπλέον θεώρηση της τέλειας ευθυγράμμισης του συστήματος, ώστε η γωνία δ να μπορεί να θεωρηθεί ίση με μηδέν, υπολογίσαμε την συνάρτηση επικάλυψης για κανονική κατανομή ενέργειας του laser σύμφωνα με την σχέση (2.17). Τα γεωμετρικά δεδομένα του συστήματος που χρησιμοποιήθηκαν αναφέρονται αναλυτικά στο Κεφάλαιο 1, και η συνάρτηση επικάλυψης που τελικά υπολογίστηκε σύμφωνα με τα παραπάνω, φαίνεται στο διάγραμμα του Σχήματος 2-5: Ύψος (m) Συνάρτηση Επικάλυψης Σχήμα 2-5: Συνάρτηση επικάλυψης για το lidar του ΕΦΑ και για την ιδανική περίπτωση ευθυγράμμισης του συστήματος Ο αναλυτικός προσδιορισμός της συνάρτησης επικάλυψης για το lidar του ΕΦΑ μας έδειξε ότι για την ιδανική περίπτωση ευθυγράμμισης, η δέσμη του laser ε- πικαλύπτεται πλήρως με το οπτικό πεδίο του τηλεσκοπίου στα 500m από την μέση στάθμη της θάλασσας. Στους αλγόριθμους της αντιστροφής των σημάτων lidar, χρησιμοποιείται μία πρόσφατη πειραματική μέθοδος προσδιορισμού της συνάρτησης ε- πικάλυψης που προτάθηκε από τους Wandinger and Ansmann (2002), και παρουσιάζεται αναλυτικά σε επόμενη παράγραφο (2.5).

48 Αλγόριθμοι Επίλυσης Μεθοδολογία ανάλυσης σημάτων lidar οπισθοσκέδασης Όπως αναλύσαμε στην προηγούμενη παράγραφο, η εξίσωση οπισθοσκέδασης lidar για μονοχρωματική δέσμη laser μήκους κύματος λ L, που εκπέμπεται κατακόρυφα και σε ατμοσφαιρική περιοχή στην οποία λαμβάνει χώρα αποκλειστικά μεμονωμένη ελαστική σκέδαση, δίδεται από την σχέση: L (, z) z β λ L P( λl, z) = C0 exp 2 a 2 ( λl, ζ ) dζ z (2.18) 0 t (, z ) όπου P( λ, z) η στιγμιαία ισχύς που λαμβάνεται στον χρόνο, β λ ο χωρικός συντελεστής οπισθοσκέδασης, a( z) λ ο χωρικός συντελεστής εξασθένισης και L, η σταθερά του συστήματος. Η εξίσωση (2.18) ισχύει μόνο για περιοχή πλήρους επικάλυψης της δέσμης του laser και του οπτικού πεδίου του τηλεσκοπίου. Στην βιβλιογραφία υπάρχουν πολλές αναφορές που αφορούν την ανάλυση του οπισθοσκεδαζόμενου σήματος του lidar με χρήση τεχνικών αντιστροφής σήματος. Οι κυριότεροι από τους αλγόριθμους που περιγράφονται και που αφορούν την εξαγωγή πληροφορίας σχετική με τις οπτικές ιδιότητες των ατμοσφαιρικών σωματιδίων, είναι οι εξής: L C 0 1. Μέθοδος ανίχνευσης νεφών (cloud detection scheme) (Pal et al., 1992) 2. Μέθοδος κλίσης (slope method) (Collis, 1966; Klett, 1981; Kunz and de Leeuw, 1993), 3. Μέθοδος ολικής οπισθοσκέδασης (total integrated backscatter) (Roy et al., 1993), 4. Mέθοδος αναλυτικής αντιστροφής (analytical inversion) (Fernald et al., 1972; Klett, 1981; Klett, 1983; Sasano and Nakane, 1984; Fernald, 1984; Klett, 1985; Kaestner, 1986; Klett, 1986; Kovalev and Moosmuller, 1994). Από λεπτομερείς μελέτες των παραπάνω μεθόδων (Bösenberg, 1997), συμπεραίνεται ότι ο καταλληλότερος αλγόριθμος επεξεργασίας είναι η αναλυτική αντιστροφή του σήματος κατά Klett (Klett, 1981) (προς τα πίσω ολοκλήρωση) και κατά Fernald (Fernald, 1972) (προς τα εμπρός ολοκλήρωση). Η μέθοδος έχει το μειονέκτη-

49 49 μα να είναι πολύ ευαίσθητη στον ηλεκτρονικό θόρυβο του σήματος (ιδιαίτερα όταν ολοκληρώνουμε προς τα εμπρός), αλλά από την άλλη πλευρά, πρόκειται για την μοναδική μέθοδο που δίνει ακριβή μαθηματική λύση της εξίσωσης του lidar, και τα σφάλματα που υπεισέρχονται από τις παραδοχές μπορούν να υπολογιστούν με ακρίβεια. Στις επόμενες παραγράφους παρουσιάζουμε τις μεθόδους αναλυτικής αντιστροφής που εφαρμόζουμε στο ΕΦΑ. Λαμβάνοντας υπόψη ότι η ατμόσφαιρα αποτελείται από μόρια και ατμοσφαιρικά αιωρήματα, μπορούμε να γράψουμε τους συντελεστές οπισθοσκέδασης και εξασθένισης ως αθροίσματα των μοριακών και σωματιδιακών συνεισφορών: ( λ, ) = ( λ, ) + (, ) a z a z a λ z (2.19) L aer L mol L (, z ) (, z ) ( ) β λ = β λ + β λ z (2.20) L aer L mol L, Υπολογισμός μοριακών συνιστωσών εξασθένισης και οπισθοσκέδασης Όπως είναι γνωστό η μοριακή συνεισφορά στην εξασθένιση υπολογίζεται από το γινόμενο της ενεργού διατομής εξασθένισης του μέσου ατμοσφαιρικού μορίου και της αριθμητικής συγκέντρωσης των μορίων στην ατμόσφαιρα. Για τα μήκη κύματος των 355 και 532nm, η απορρόφηση από τα μόρια της ατμόσφαιρας θεωρείται αμελητέα και η εξασθένιση της ακτινοβολίας οφείλεται μόνο σε φαινόμενα σκέδασης. Ο μοριακός συντελεστής οπισθοσκέδασης προκύπτει από τον λόγο του συντελεστή εξασθένισης προς την αντίστροφη συνάρτηση φάσης που αφορά την σκέδαση στις (ονομαζόμενος και λόγος lidar (lidar ratio) για την μοριακή ατμόσφαιρα) Για τον υπολογισμό των κατακόρυφων κατανομών των μοριακών συντελεστών εξασθένισης και οπισθοσκέδασης, είναι απαραίτητο να γνωρίζουμε την κατακόρυφη κατανομή της αριθμητικής συγκέντρωσης των μορίων στην ατμόσφαιρα που μελετάμε κάθε φορά. H κατακόρυφη κατανομή της αριθμητικής συγκέντρωσης των μορίων της ατμόσφαιρας υπολογίζεται από την καταστατική εξίσωση των αερίων: k b ( ) N z b ( ) ( ) P z = (2.21) kt z όπου η σταθερά του Boltzman η οποία ισούται με kb 23 = ( N m/ K ), και ( ) P z, ( ) T z, οι κατακόρυφες κατανομές της πίεσης και της θερμοκρασίας με το ύψος z. Για κανονικές συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας ( P = hPa και T = K ), υπολογίζεται ότι η αριθμητική συ- s s

50 50 γκέντρωση των μορίων της ατμόσφαιρας είναι N = cm Οι κατακόρυφες κατανομές της πίεσης και της θερμοκρασίας υπολογίζονται συνήθως από α- τμοσφαιρικά μοντέλα (U.S. Standard Atmosphere, 1976) προσαρμοσμένα στην πίεση και την θερμοκρασία του εδάφους. Εναλλακτικά, μπορούν να χρησιμοποιηθούν μετρήσεις από ραδιοβολίσεις, όταν αυτές είναι διαθέσιμες. Για την περιοχή της Θεσσαλονίκης, ραδιοβολίσεις πραγματοποιούνται στον Μετεωρολογικό Σταθμό Ανώτερης Ατμόσφαιρας στο Αεροδρόμιο της Μίκρας καθημερινά στις 12:00 UTC. Η ενεργός διατομή σκέδασης Rayleigh, δηλαδή ο συντελεστής σκέδασης του μέσου ατμοσφαιρικού μορίου για κάθε μήκος κύματος, υπολογίζεται από την σχέση (McCartney, 1972): όπου ( ) σ λ 2 ( ns ) ( ns 2) π ρn = λ N 6 7ρ s n s (2.22) + N s η μοριακή αριθμητική συγκέντρωση σε κανονικές συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας, ρ n ο διορθωτικός παράγοντας πόλωσης λόγω ανισοτροπίας του μέσου ατμοσφαιρικού μορίου, και n s το πραγματικό μέρος του δείκτη διάθλασης του ατμοσφαιρικού αέρα σε κανονικές συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας. Ο δείκτης διάθλασης για το υπεριώδες και ορατό τμήμα του φάσματος δίδεται με ικανοποιητική ακρίβεια από την προσεγγιστική σχέση του Edlen, (1953, 1966): ( ) ns 1 = ν ν όπου ν = 1 λ, με λ το μήκος κύματος της ακτινοβολίας σε μικρόμετρα ( μ m ). (2.23) Όσον αφορά τον διορθωτικό παράγοντα πόλωσης, ρ n, για το μέσο ατμοσφαιρικό μόριο, στην βιβλιογραφία παρουσιάζονται διάφορες τιμές που αφορούν τον λεγόμενο διορθωτικό όρος του King, F k (Penndorf, 1957; Hoyt, 1977; Young, 1980): F k 6+ 3ρ n = 6 7ρ (2.24) n Ο διορθωτικός όρος του King, είναι μία συνάρτηση του μήκους κύματος και ο πιο ακριβής υπολογισμός του για διάφορες φασματικές περιοχές έχει γίνει από τον Bates (1984). Για τους υπολογισμούς που περιέχονται στον αλγόριθμο του ΕΦΑ, χρησιμοποιήθηκαν τιμές του όρου του King από την εργασία του Bates, αναγόμενοι στα μήκη κύματος ενδιαφέροντος με την μέθοδο της γραμμικής παρεμβολής.

51 51 Μετά τους υπολογισμούς του συντελεστή σκέδασης για το μέσο ατμοσφαιρικό μόριο, και για τα μήκη κύματος των 355 και 532nm, ο συντελεστής εξασθένισης, και με την προϋπόθεση ότι δεν έχουμε απορρόφηση, βρίσκεται από το γινόμενο της ενεργού διατομής σκέδασης του μέσου ατμοσφαιρικού μορίου με την αριθμητική συγκέντρωση: ( λ, ) σ ( λ ) ( ) a z = N z (2.25) mol L L Η κατακόρυφη κατανομή του μοριακού συντελεστή οπισθοσκέδασης προκύπτει από τον λόγο του συντελεστή εξασθένισης προς την αντίστροφη συνάρτηση φάσης που αφορά την σκέδαση στις λόγος lidar για την μοριακή ατμόσφαιρα θεωρείται ίσος με (λόγος lidar για την μοριακή ατμόσφαιρα). Ο 8π 3. Στον αλγόριθμο του ΕΦΑ, λαμβάνονται και πάλι υπόψη διορθώσεις που αφορούν την ανισότροπη μοριακή σκέδαση και αποκλίνουν την τιμή του μοριακού λόγου lidar από τα 8π 3. Η απόκλιση των υπολογισμών από την περίπτωση ισότροπης σκέδασης δεν ξεπερνά το 1.5% (Bucholtz, 1995). Πίεση (hpa) nm 532 nm (α) (β) (γ) Ύψος (m) Θερμοκρασία ( 0 C) x x x x10-6 Μοριακός Συντελεστής Μοριακός Συντελεστής Εξασθένισης (m -1 ) Οπισθοσκέδασης (m -1 sr -1 ) Σχήμα 2-6: Κατακόρυφες κατανομές (α) πίεσης και θερμοκρασίας, (β) μοριακών συντελεστών εξασθένισης και (γ) μοριακών συντελεστών οπισθοσκέδασης στα 355 και 532 nm, για κανονικές συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας εδάφους Στα διαγράμματα του Σχήματος 2-6, παρουσιάζονται τυπικές κατακόρυφες κατανομές (α) της πίεσης και της θερμοκρασίας, (β) των μοριακών συντελεστών εξασθένισης και (γ) των μοριακών συντελεστών οπισθοσκέδασης στα 355 και 532nm.

52 52 Οι υπολογισμοί των κατακόρυφων κατανομών πίεσης και θερμοκρασίας έγιναν με χρήση των δεδομένων της U.S. Standard Atmosphere 1976, για κανονικές συνθήκες 0 πίεσης και θερμοκρασίας εδάφους ( 1013 hpa,15 C ). Καθορισμός του λόγου lidar: Η εξίσωση lidar μετά τους υπολογισμούς που αφορούν την μοριακή ατμόσφαιρα, περιέχει δύο αγνώστους: τους συντελεστές οπισθοσκέδασης και εξασθένισης των σωματιδίων. Έτσι, η επίλυσή της είναι αδύνατη. Για την επίλυση της διαφορικής εξίσωσης αυτής, πρέπει να θεωρήσουμε μία επιπλέον σχέση μεταξύ των δύο παραμέτρων, που παραμένει σταθερή με το ύψος. Συγκεκριμένα, ορίζουμε τον λεγόμενο λόγο του lidar (για τα αιωρούμενα σωματίδια), που είναι ο λόγος του συντελεστή εξασθένισης προς τον συντελεστή οπισθοσκέδασης των αερολυμάτων: S ( λ, z) L a ( λl, z) ( λ, z) = aer (2.26) Ο λόγος lidar είναι μία παράμετρος που εξαρτάται από το μήκος κύματος και δεν είναι σταθερός με το ύψος. Από τον ορισμό του προκύπτει ότι πρόκειται για μία οπτική παράμετρο των αερολυμάτων που εξαρτάται από τον δείκτη διάθλασης και την κατανομή μεγεθών των σωματιδίων. Έχει βρεθεί ότι ο λόγος lidar μπορεί να πάρει ένα μεγάλο εύρος τιμών που κυμαίνεται από 2 έως 100sr (Ackermann, 1998). Η a priori υπόθεση του λόγου lidar, όπως και η υπόθεση ότι ο λόγος αυτός παραμένει σταθερός με το ύψος, αποτελούν την μεγαλύτερη πηγή αβεβαιοτήτων στην επίλυση της Δ.Ε. ενός lidar οπισθοσκέδασης (Bösenberg, 1997). Από μελέτες ευαισθησίας αλγορίθμων για την επιλογή του λόγου lidar, έχει βρεθεί ότι μία υπερεκτίμηση του λόγου lidar έως 40% καταλήγει σε αβεβαιότητα στον υπολογισμού του συντελεστή οπισθοσκέδασης της τάξης του -20% έως τα 2000m και ± 50% έως τα 4000m (Papayannis et al., 2005b). β aer L Καθορισμός του λόγου οπισθοσκέδασης: Μετά την παραδοχή του σταθερού με το ύψος λόγου lidar για τα αερολύματα και για την περιοχή πλήρους επικάλυψης της δέσμης laser με το οπτικό πεδίο του τηλεσκοπίου, η εξίσωση lidar μπορεί να επιλυθεί ως προς τον συντελεστή οπισθοσκέδασης των αιωρούμενων σωματιδίων με μία επιπλέον παραδοχή που αφορά την σταθερά βαθμονόμησης του συστήματος. Συνήθως, θεωρούμε μία περιοχή βαθμονόμησης του συ-

53 53 ντελεστή οπισθοσκέδασης των αιωρούμενων σωματιδίων σε ένα ύψος z 0, το λεγόμενο ύψος αναφοράς. Στον αλγόριθμο του ΕΦΑ, η παραδοχή αυτή γίνεται με τον ορισμό του λόγου οπισθοσκέδασης (backscatter ratio), R, ο οποίος ορίζεται ως το πηλίκο της ολικής προς την μοριακή οπισθοσκέδαση, και είναι ίσος με την μονάδα στην περιοχή της ατμόσφαιρας όπου δεν υπάρχουν αιωρούμενα σωματίδια: (, z0) + (,z 0 ) β ( λ, z ) βmol λl βaer λl R = mol L 0 (2.27) Μετά τις θεωρήσεις των λόγων lidar και οπισθοσκέδασης, η εξίσωση του lidar μπορεί να λυθεί ως προς τον συντελεστή οπισθοσκέδασης των αιωρούμενων σωματιδίων, σύμφωνα με τους Klett (1981, 1985) και Fernald (1972, 1984), σύμφωνα με την σχέση: (, z) (, z) β λ = β λ + aer L mol L z 2 P( λl, z) z exp 2 ( Saer Smol) βmol( λl, ζ ) dζ z0 2 z ζ P( λl, z0) z Saer P( λl, ζ ) ζ exp 2( Saer Smol ) βmol ( z ) dz dζ βaer ( z0) + βmol ( z0) z0 z0 (2.28) Η εξίσωση (2.28) επιλύεται με τις ολοκληρώσεις να πραγματοποιούνται είτε προς μεγαλύτερα είτε προς μικρότερα ύψη, ανάλογα με την επιλογή του ύψους αναφοράς στο έδαφος ή στην ανώτερη τροπόσφαιρα αντίστοιχα. Έχει βρεθεί (Klett, 1981) ότι η λύση με την επιλογή του ύψους αναφοράς σε μία ελεύθερη από σωματίδια ανώτερη τροπόσφαιρα, είναι πιο σταθερή αριθμητικά λόγω του καλύτερου προσδιορισμού του λόγου οπισθοσκέδασης (~1.01). Επίσης, παρουσιάζει πλεονεκτήματα από την άποψη του υπολογισμού των σφαλμάτων. Στην ελεύθερη τροπόσφαιρα και πάνω από τα 6000m κατά μέσο όρο για την περιοχή της Θεσσαλονίκης, η ατμόσφαιρα είναι συνήθως απαλλαγμένη από αιωρούμενα σωματίδια και ο λόγος οπισθοσκέδασης μπορεί να θεωρηθεί σχεδόν ίσος με την μονάδα. Η θεώρηση του λόγου οπισθοσκέδασης δεν εισάγει μεγάλη αβεβαιότητα, μιας και είναι εύκολο να υπολογιστεί η μοριακή και η σωματιδιακή συνεισφορά από το σήμα του lidar, και έτσι είναι εφικτός ο προσδιορισμός του ύψους αναφοράς για το οποίο θεωρούμε τον λόγο οπισθοσκέδασης ίσο με την μονάδα. Στον αλγόριθμο του ΕΦΑ, υπολογίζουμε αρχικά από την διαφορική εξίσωση lidar το διορθωμένο με την απόσταση σήμα του lidar θεωρώντας μόνο μοριακή ατμόσφαιρα χωρίς σωματιδιακή

54 54 συνεισφορά. Κανονικοποιώντας το διορθωμένο με την απόσταση σήμα που μετρήθηκε στην πραγματική ατμόσφαιρα σε μία περιοχή της ελεύθερης τροπόσφαιρας όπου δεν έχουμε νέφη ή στρωματώσεις αιωρούμενων σωματιδίων, βρίσκουμε από την σύγκριση των δύο σημάτων την περιοχή όπου δεν έχουμε σωματιδιακή συνεισφορά. Η μέθοδος αυτή πιστοποιεί και την καλή ευθυγράμμιση του συστήματος κατά την διάρκεια των μετρήσεων (Chourdakis et al., 2002). Στο Σχήμα 2-7 που ακολουθεί παρουσιάζουμε την μέθοδο με την οποία προσδιορίζεται η περιοχή της ελεύθερης από σωματίδια ανώτερης τροπόσφαιρας. Το διάγραμμα έχει προκύψει από την επεξεργασία σημάτων lidar που μετρήθηκαν με το σύστημα του ΕΦΑ στις 9 Αυγούστου Ολικό σήμα Μοριακό σήμα 09/08/2001, 18:47-19:41 UTC Ολικό σήμα Μοριακό σήμα Ύψος (m) Ύψος αναφοράς Διορθωμένο με την απόσταση σήμα lidar στα 355nm (Τ.Μ.) Διορθωμένο με την απόσταση σήμα lidar στα 532nm (Τ.Μ.) Σχήμα 2-7: Έλεγχος ευθυγράμμισης του συστήματος lidar και προσδιορισμός του ύψους αναφοράς Είναι φανερό στο παράδειγμά μας ότι η περιοχή όπου η ατμόσφαιρα είναι α- παλλαγμένη από αιωρούμενα σωματίδια, αφορά ύψη μεγαλύτερα από 4500m. Μετά τον υπολογισμό των λόγων lidar και οπισθοσκέδασης, είναι δυνατόν να υπολογιστούν οι κατακόρυφες κατανομές των συντελεστών οπισθοσκέδασης στα 355 και σύμφωνα με την εξίσωση (2.28). Από τις ίδιες κατακόρυφες κατανομές, είναι δυνατόν να υπολογιστεί ο χρωματικός δείκτης σύμφωνα με την ακόλουθη σχέση: 532nm ( ) ( βaer ( z) βaer ( z) ) ln ( ) ln 355, 532, c z = (2.29)

55 55 Ο χρωματικός δείκτης είναι ένα μέγεθος που είναι ενδεικτικό του μεγέθους των σωματιδίων. Πρόκειται για τον αντίστοιχο δείκτη του εκθέτη Ångström της εξασθένισης (Ångström, 1929), για την περίπτωση της οπισθοσκέδασης. Ορίζοντας τον λόγο οπισθοσκέδασης ίσο με 1.01 στα 4500m και τον λόγο lidar ίσο με 40sr για το παράδειγμα της 9 Αυγούστου 2001 που εξετάζουμε, υπολογίζονται τελικά με την μέθοδο κατά Klett οι κατακόρυφες κατανομές των συντελεστών οπισθοσκέδασης στα 355 και 532nm και του χρωματικού δείκτη. Τα αποτελέσματα παρουσιάζονται στο Σχήμα 2-8 που ακολουθεί /08/2001, 18:47-19:41 UTC Ύψος (m) x x Συντελεστής Οπισθοσκέδασης Συντελεστής Οπισθοσκέδασης Χρωματικός Δείκτης σωματιδίων στα 355nm (m -1 sr -1 ) σωματιδίων στα 532nm (m -1 sr -1 ) Σχήμα 2-8: Κατακόρυφες κατανομές συντελεστών οπισθοσκέδασης των αιωρούμενων σωματιδίων για τα 355 και 532nm και ο αντίστοιχος χρωματικός δείκτης Οι κατακόρυφες κατανομές του Σχήματος 2-8 αναφέρονται στην περιοχή της πλήρους επικάλυψης των δεσμών για τα 355 και 532nm και για τον λόγο αυτό δίδονται πάνω από τα 2000m για τα 355nm, και πάνω από τα 1000 m για τα 532nm, α- ντίστοιχα. Το ύψος όπου έχουμε πλήρη επικάλυψη υπολογίστηκε για το παράδειγμα αυτό, με την πειραματική μέθοδο που προτάθηκε από τους Wandinger and Ansmann (2002) Μεθοδολογία ανάλυσης σημάτων lidar Raman Το βασικό μειονέκτημα της μεθόδου επίλυσης της εξίσωσης lidar, όπως περιγράφηκε στην προηγούμενη παράγραφο, είναι η παραδοχή ύπαρξης μίας σταθερής με το ύψος

56 56 σχέσης μεταξύ του συντελεστή εξασθένισης και του συντελεστή οπισθοσκέδασης των αιωρούμενων σωματιδίων. Οι αυθαίρετες παραδοχές για την κατακόρυφη κατανομή του λόγου lidar και το ύψος αναφοράς z 0 συντελούν στην αύξηση της αβεβαιότητας και του σφάλματος της τελικής λύσης. Η τεχνική Raman προσφέρει τη δυνατότητα ενός ανεξάρτητου υπολογισμού του συντελεστή εξασθένισης από τον συντελεστή οπισθοσκέδασης, χωρίς την αναγκαιότητα οποιασδήποτε παραδοχής, εξασφαλίζοντας έτσι σημαντικά μικρότερα σφάλματα μέτρησης (Αnsmann et al., 1990). Το μειονέκτημα της μεθόδου είναι ότι απαιτείται πιο περίπλοκος και ακριβότερος εργαστηριακός εξοπλισμός. Συγκεκριμένα, απαιτούνται δύο κανάλια ανίχνευσης σήματος (ελαστικά οπισθοσκεδαζόμενο και Raman) σε σύγκριση με το μοναδικό κανάλι που χρειάζεται στην τεχνική ενός lidar οπισθοσκέδασης Υπολογισμός του συντελεστή εξασθένισης Στο σύστημα Raman lidar του ΕΦΑ, εκπέμπεται ακτινοβολία laser στα 355nm και ανιχνεύεται η ελαστικά οπισθοσκεδαζόμενη ακτινοβολία στο ίδιο μήκος κύματος και η ακτινοβολία η οποία προέρχεται από την σκέδαση Raman της εκπεμπόμενης από το μόριο του αζώτου ( N ) της ατμόσφαιρας (387 nm ). 2 Η διαφορική εξίσωση σε ένα σύστημα Raman lidar δίνεται από την σχέση (Ansmann et al., 1990): ( z) dσ ( π) N R P( λr, z) = C0 exp a λ, ζ + a λ ζ dζ 2 z d z R ( L ) (, R ) Ω 0 (2.30) όπου P( λ, z) είναι το σήμα που λαμβάνεται από απόσταση z στο μήκος κύματος R R των λ = 387nm της σκέδασης Raman, η σταθερά που εμπεριέχει όλες τις σταθερές του συστήματος (μαζί με την συνάρτηση επικάλυψης C 0 O( z ) ), N ( ) R z είναι η κατακόρυφη κατανομή της αριθμητικής συγκέντρωσης του αζώτου και d ( ) σ π dω η ενεργός διατομή της Raman οπισθοσκέδασης της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας των 355nm στα 387nm. Τέλος, a ( λ, ζ ) είναι ο συντελεστής εξασθένισης για το εκπεμπόμενο μήκος κύματος των 355nm L L λ = και ( ) a λ ζ ο συντελεστής εξασθένισης για το μήκος κύματος της σκέδασης Raman από το ατμοσφαιρικό άζωτο, λ = 387nm. R R, R

57 57 Υποθέτοντας μία εκθετική σχέση μεταξύ των συντελεστών εξασθένισης των σωματιδίων για τα μήκη κύματος των 355 και 387nm ( a k aer λ ), όπου είναι ο εκθέτης Ångström, η διαφορική εξίσωση Raman μπορεί να λυθεί ως προς τον συντελεστή εξασθένισης των σωματιδίων στο εκπεμπόμενο μήκος κύματος σύμφωνα με την σχέση (Ansmann et al., 1990): a ( λ, z) NR ( z) ( λ, ) d,, 2 amol L z amol R dz P R z z = λ L 1+ λ R aer L k ( λ ) ( λ z) k (2.31) όπου θεωρήθηκε ότι η ενεργός διατομή οπισθοσκέδασης Raman είναι ανεξάρτητη του ύψους ( d ( ) dz 0 σ λ = ). R Υπολογισμός μοριακής συνιστώσας εξασθένισης και συγκέντρωσης αζώτου Η μοριακή συνεισφορά στην εξασθένιση υπολογίζεται με τον ίδιο τρόπο που αναπτύχθηκε στην περίπτωση του lidar οπισθοσκέδασης. Επιπλέον, υπολογίζεται και η κατακόρυφη κατανομή της αριθμητικής συγκέντρωσης των μορίων του αζώτου στην ατμόσφαιρα, που σύμφωνα με την καταστατική εξίσωση των αερίων είναι: N R ( z) ( ) ( ) P z = (2.32) kt z καθόσον το άζωτο αποτελεί το 78.08% της μοριακής ατμόσφαιρας. Λόγω των μικρών τιμών της ενεργούς διατομής σκέδασης Raman, τα λαμβανόμενα σήματα Raman είναι αρκετά ασθενή και οι μετρήσεις αυτές περιορίζονται στις βραδινές ώρες. Όπως προαναφέρθηκε, για τον υπολογισμό των κατακόρυφων κατανομών της πίεσης και της θερμοκρασίας ( P( z ), b ), χρησιμοποιείται το ατμοσφαιρικό μοντέλο U.S. Standard Atmosphere 1976, προσαρμοσμένο σε μετρημένες τιμές πίεσης και θερμοκρασίας εδάφους για την χρονική περίοδο των μετρήσεων, μιας και δεν εκτελούνται βραδινές ραδιοβολίσεις. T( z) Υπολογισμός του εκθέτη Ångström: Για τον τελικό υπολογισμό του συντελεστή εξασθένισης των σωματιδίων, πρέπει να θεωρήσουμε μια τιμή για τον εκθέτη Ångström, k, ο οποίος για τόσο κοντινά μήκη κύματος όπως τα 355 και 387nm, και για σωματίδια διαμέτρου συγκρίσιμης των μηκών κύματος, μπορεί να θεωρηθεί ίσος με την μονάδα. Ο εκθέτης Ångström για το

58 58 υπεριώδες τμήμα του φάσματος, παίρνει τιμές από 0 έως 2 και είναι ενδεικτικός του μεγέθους των σωματιδίων. Το σφάλμα που εισάγεται από μια εσφαλμένη εκτίμηση του εκθέτη αυτού, μπορεί να οδηγήσει σε αβεβαιότητα στον υπολογισμό του συντελεστή εξασθένισης μικρότερη του 10% (Ferrare et al., 1998a). Στον αλγόριθμο του ΕΦΑ, χρησιμοποιούμε τιμές του εκθέτη Ångström που εξάγονται από τις μετρήσεις οπτικού βάθους που πραγματοποιούνται κατά την διάρκεια της ημέρας με το φασματοφωτόμετρο Brewer του εργαστηρίου, στην UV περιοχή του φάσματος. Για τον τελικό υπολογισμό του συντελεστή εξασθένισης των σωματιδίων από την σχέση (2.31), αρκεί να υπολογιστεί η παράγωγος της ποσότητας ( ) ( λ ) 2 N z P z z R R,. Ο υπολογισμός αυτός γίνεται στον αλγόριθμο του ΕΦΑ αριθμητικά, με τον υπολογισμό μιας μέσης κλίσης της ποσότητας σύμφωνα με την μέθοδο των ελαχίστων τετραγώνων, για περιοχές υψών που κυμαίνονται από 150 έως και 900m Υπολογισμός συντελεστή οπισθοσκέδασης Ο συντελεστής οπισθοσκέδασης για τα αιωρούμενα σωματίδια, μπορεί να υπολογιστεί με την χρήση των ελαστικά και ανελαστικά οπισθοσκεδαζόμενων σημάτων στα 355 και 387nm. Εάν θεωρήσουμε τον λόγο του ελαστικά οπισθοσκεδαζόμενου σήματος από τα σωματίδια (355 nm ) προς το ανελαστικά οπισθοσκεδαζόμενο σήμα από το άζωτο (387 nm ), σύμφωνα με τις διαφορικές εξισώσεις για lidar οπισθοσκέδασης και Raman για το ύψος και για ένα ύψος αναφοράς z 0 z, μπορούμε να υπολογίσουμε τον συντελεστή οπισθοσκέδασης στο μήκος κύματος εκπομπής, σύμφωνα με την εξίσωση (Ansmann et al., 1992): (, z) = (, z) + [ (, z0) + ( z0) P( λr, z0 ) P( λl, z) NR( z) P( λ, z ) P( λ, z) N ( z ) β λ β λ β λ β λ, ] aer L mol L aer L mol L L 0 R R 0 z exp aaer R, + mol R, z0 z exp aaer L, + mol L, z0 ( λ ζ ) a ( λ ζ ) ( λ ζ ) a ( λ ζ ) (2.33) Για την επίλυση της εξίσωσης (2.33), απαιτείται να θεωρήσουμε τον συντελεστή οπισθοσκέδασης για τα σωματίδια σε ένα ύψος αναφοράς z 0. Αυτό γίνεται πα-

59 59 ρόμοια με την περίπτωση επίλυσης της εξίσωσης lidar οπισθοσκέδασης, όπου θεωρούμε τον λόγο οπισθοσκέδασης για μία περιοχή στην ελεύθερη τροπόσφαιρα τέτοια ώστε β ( λ, z ) β ( λ, z ) και συνεπώς mol L 0 aer L 0 (, z ) + (, z ) (, z ) β λ β λ β λ aer L 0 mol L 0 mol L 0 ). Αντίστοιχα, υπολογίζονται στην ίδια περιοχή οι μέσοι όροι των λόγων των σημάτων lidar που χρησιμοποιούνται στην (2.33) ( (, ) ( P z P, z ), για την αποφυγή του θορύβου που εισάγεται όταν το ύψος α- λr 0 λl 0 ναφοράς ορίζεται σε ένα μόνο σημείο. Η περιοχή ονομάζεται περιοχή βαθμονόμησης του σήματος. Η διαπερατότητα των ατμοσφαιρικών στρωμάτων που προκύπτει από την ολοκλήρωση των συντελεστών εξασθένισης από το ύψος αναφοράς z 0 μέχρι το ύψος στην σχέση (2.33), υπολογίζεται από τους συντελεστές εξασθένισης των αιωρούμενων σωματιδίων που βρέθηκαν από την επίλυση της διαφορικής εξίσωσης Raman. z Υπολογισμός λόγου lidar Μετά τον προσδιορισμό του συντελεστή εξασθένισης και του συντελεστή οπισθοσκέδασης από τα προηγούμενα στάδια, είναι δυνατός ο υπολογισμός του λόγου lidar σύμφωνα με την σχέση (2.26) Παράδειγμα επίλυσης με τον αλγόριθμο του ΕΦΑ Οι αλγόριθμοι επεξεργασίας σημάτων lidar για τις μεθόδους Klett και Raman αναπτύχθηκαν στο ΕΦΑ και στα πλαίσια της παρούσας διατριβής και η αριθμητική τους ακρίβεια εξετάστηκε στα πλαίσια συγκρίσεων αλγορίθμων που έλαβαν χώρα στα πλαίσια του EARLINET (Böckmann, 2004; Pappalardo, 2005). Στο Σχήμα 2-9 που ακολουθεί, παρουσιάζονται οι κατακόρυφες κατανομές εξασθένισης, οπισθοσκέδασης και λόγου lidar, για την 09 Αυγούστου του Στους αλγορίθμους που αναπτύχθηκαν, περιλαμβάνονται πολλαπλές επιλογές δεδομένων εισόδου που αφορούν την εφαρμογή ενδιάμεσων αριθμητικών μεθόδων για τον υπολογισμό των παραγώγων και των ολοκληρωμάτων που περιλαμβάνονται στις σχέσεις που παρουσιάσαμε. Ε- φαρμόζονται επίσης φίλτρα για την μείωση του θορύβου του σήματος. Παίρνοντας υπόψη όλες τις ενδιάμεσες αριθμητικές επεξεργασίες στο αρχικό σήμα, μία τυπική χωρική ανάλυση των κατακόρυφων κατανομών για τα αποτελέσματα του αλγορίθμου

60 60 του ΕΦΑ βρίσκεται ότι είναι 330m μέχρι τα 2000m, 630m μέχρι τα 4000m και 930m για ύψη μεγαλύτερα των 4000m /08/2001, 18:47-19:41 UTC 4000 Ύψος (m) x x Συντελεστής Εξασθένησης σωματιδίων στα 355nm (m -1 ) Συντελεστής Οπισθοσκέδασης σωματιδίων στα 355nm (m -1 sr -1 ) Λόγος Lidar (sr) Σχήμα 2-9: Κατακόρυφες κατανομές συντελεστών εξασθένισης, οπισθοσκέδασης και λόγου lidar των αιωρούμενων σωματιδίων για τα 355 nm. Με την ολοκλήρωση του συντελεστή εξασθένισης, είναι δυνατός ο προσδιορισμός του οπτικού βάθους για τα 355nm, για την περιοχή πλήρους επικάλυψης της δέσμης laser και του οπτικού πεδίου του τηλεσκοπίου. Για το παράδειγμα του Σχήματος 2-9, το οπτικό βάθος για την περιοχή υψών από m, βρέθηκε ίσο με Την ίδια ημέρα, το οπτικό βάθος στα 355nm βρέθηκε από ανεξάρτητες μετρήσεις με το φασματοφωτόμετρο Brewer του εργαστηρίου του ΕΦΑ, να είναι ίσο με Το οπτικό βάθος που υπολογίζεται από ένα φωτόμετρο, αναμένεται να είναι μεγαλύτερο από αυτό που υπολογίζεται από μετρήσεις με την τεχνική Raman lidar στο ίδιο μήκος κύματος, λόγω της ύπαρξης της περιοχής μη πλήρους επικάλυψης για την μέθοδο lidar, στην οποία δεν είναι δυνατός ο υπολογισμός του συντελεστή εξασθένισης. Τέλος, οι δύο μετρήσεις με τα διαφορετικά όργανα, δεν θα μπορούσαν να είναι ποτέ ταυτόχρονες, μιας και η τεχνική Raman μπορεί να εφαρμοστεί μόνο μετά την δύση του ηλίου. Για την περίπτωση του παραδείγματος που δώσαμε παραπάνω, η η- μερήσια μέτρηση που πήραμε από το Brewer, έγινε στις μέτρηση lidar, έγινε μεταξύ τις 18 : : 41UTC. 16 : 05UTC, και η Raman

61 Πειραματικός υπολογισμός της συνάρτησης επικάλυψης Η συνάρτηση επικάλυψης για την περιοχή μη πλήρους επικάλυψης της δέσμης του laser και του οπτικού πεδίου του τηλεσκοπίου, είναι δυνατόν να προσδιοριστεί με μία πειραματική μέθοδο που προτάθηκε πρόσφατα από τους Wandinger and Ansmann (2002). Σύμφωνα με τη μέθοδο αυτή, είναι δυνατός ο υπολογισμός της συνάρτησης επικάλυψης από τα προφίλ των συντελεστών οπισθοσκέδασης που υπολογίζουμε με τις μεθόδους Klett και Raman. Για την περίπτωση του υπολογισμού του συντελεστή οπισθοσκέδασης με την μέθοδο Raman, γίνεται χρήση του λόγου των σημάτων στα 355 και 387nm, ο οποίος είναι απαλλαγμένος από την βάρυνση της συνάρτησης επικάλυψης, μιας και αυτή απλοποιείται κατά την διαίρεση. Αντίθετα, ο συντελεστής οπισθοσκέδασης που εξάγεται από την τεχνική Klett παράγεται από ένα σήμα ( 355nm ), το οποίο είναι βεβαρυμένο με την συνάρτηση επικάλυψης. Στο Σχήμα 2-10 που ακολουθεί, βλέπουμε τους συντελεστές οπισθοσκέδασης που υπολογίστηκαν με τις δύο μεθόδους για την περίπτωση του παραδείγματος που παρουσιάσαμε παραπάνω (Balis et al., 2002a) /08/2001, 18:47-19:41 UTC Μέθοδος Raman Μέθοδος Klett 3000 Ύψος (m) Συντελεστής Οπισθοσκέδασης σωματιδίων στα 355nm (m -1 sr -1 ) Σχήμα 2-10: Κατακόρυφες κατανομές συντελεστών οπισθοσκέδασης, υπολογισμένων με την μέθοδο Raman και Klett (Balis et al., 2002a)

62 62 Σύμφωνα με τις μελέτες των Wandiger and Ansmann (2002), η πληροφορία για την μορφή της συνάρτησης επικάλυψης εμπεριέχεται στην διαφορά που παρουσιάζουν οι παραπάνω κατακόρυφες κατανομές των συντελεστών οπισθοσκέδασης. Είναι φανερό από το Σχήμα 2-10, ότι η συνάρτηση επικάλυψης επηρεάζει την επίλυση κατά Klett για την περιοχή υψών από m. Για την περιοχή αυτή, και σύμφωνα με τους Wandinger and Ansmann (2002), η προσεγγιστική σχέση υπολογισμού της συνάρτησης επικάλυψης από τα παραπάνω προφίλ, για κάθε ύψος, ( ) O z (, z) klett (, z) (, z) + (, z) 1 z, είναι: raman βaer λl βaer λ L = 1+ raman βaer λl βmol λl (2.34) Αφού υπολογίσουμε την συνάρτηση επικάλυψης με την παραπάνω μέθοδο, επιλύουμε με τον αλγόριθμο του ΕΦΑ τις διαφορικές εξισώσεις για τα διορθωμένα σήματα, και επαναπροσδιορίζουμε την συνάρτηση επικάλυψης σύμφωνα με τους νέους συντελεστές οπισθοσκέδασης κατά Klett και κατά Raman. Η διαδικασία είναι ε- παναληπτική, και εφαρμόζεται δέκα (10) φορές για τον τελικό υπολογισμό της συνάρτησης επικάλυψης. Αν εφαρμόσουμε την μέθοδο στο παράδειγμα του Σχήματος 2-10, η συνάρτηση επικάλυψης που υπολογίζουμε είναι αυτή που παρουσιάζεται στο Σχήμα 2-11 που ακολουθεί (Balis et al., 2002a). Επιπλέον, στο διάγραμμα του Σχήματος 2-11 παραθέτουμε και την συνάρτηση επικάλυψης όπως αυτή υπολογίστηκε από την αναλυτική σχέση που παρουσιάσαμε στα προηγούμενα Πειραματικός προσδιορισμός Θεωρητικός προσδιορισμός 09/08/2001, 18:47-19:41 UTC 3000 Ύψος (m) Συνάρτηση Επικάλυψης Σχήμα 2-11: Συνάρτηση επικάλυψης σύμφωνα με την πειραματική και την αναλυτική μέθοδο προσδιορισμού.

63 63 Παρατηρούμε ότι η συνάρτηση επικάλυψης που υπολογίσαμε με την πειραματική μέθοδο διαφέρει κατά πολύ από την συνάρτηση επικάλυψης που υπολογίσαμε σύμφωνα με τη αναλυτική σχέση (2.17) βασιζόμενοι στα γεωμετρικά χαρακτηριστικά του συστήματος. Αυτή η διαφοροποίηση οφείλεται στην παραδοχή που κάναμε στην σχέση (2.17), ότι η γωνία μεταξύ της διεύθυνσης διάδοσης της δέσμης του laser και της διεύθυνσης παρατήρησης του τηλεσκοπίου είναι ίση με. Σε πραγματικές συνθήκες μετρήσεων, η παραλληλία μεταξύ των δύο διευθύνσεων δεν επιτυγχάνεται ε- πακριβώς. Κατά συνέπεια, η διαφοροποίηση της πειραματικής συνάρτησης επικάλυψης από την θεωρητικά υπολογιζόμενη μας δείχνει πόσο επιτυχής είναι και η ευθυγράμμιση του συστήματος. Στον αλγόριθμο αντιστροφής που χρησιμοποιούμε επιλύουμε τις διαφορικές εξισώσεις για Raman lidar και lidar οπισθοσκέδασης αφού γίνει διόρθωση των σημάτων με την τελική, πειραματικά προσδιορισμένη συνάρτηση επικάλυψης. Με την μέθοδο αυτή, είναι δυνατόν να υπολογιστούν οι κατακόρυφες κατανομές των συντελεστών εξασθένισης, οπισθοσκέδασης και λόγου lidar για τα πλήρους επικάλυψης nm, στην περιοχή μη Ο πειραματικός προσδιορισμός της συνάρτησης επικάλυψης, δεν μπορεί να εφαρμοστεί παρόλα αυτά, αν κάτω από το ύψος πλήρους επικάλυψης, βρίσκονται στρωματώσεις αιωρούμενων σωματιδίων διαφορετικής σύστασης και οπτικής συμπεριφοράς. Στην περίπτωση αυτή, η διαφορά μεταξύ των δύο κατακόρυφων προφίλ των συντελεστών οπισθοσκέδασης, οφείλεται και στους διαφορετικούς λόγους lidar, μιας και στην περίπτωση της επίλυσης κατά Klett θεωρείται ένας σταθερός λόγος lidar για όλη την κατακόρυφη κατανομή. Στον αλγόριθμο αντιστροφής που χρησιμοποιούμε γίνεται προσεκτική εφαρμογή της τεχνικής διόρθωσης των σημάτων, και για όλες τις περιπτώσεις εμπιστευόμαστε τα τελικά προφίλ μόνο για τιμές της συνάρτησης επικάλυψης μεγαλύτερες από 0.5.

64 Σύγκριση αλγορίθμων επεξεργασίας σημάτων lidar Εισαγωγή Στα πλαίσια του ευρωπαϊκού προγράμματος EARLINET (Bösenberg et al., 2003), έλαβαν χώρα συγκρίσεις των αλγορίθμων αντιστροφής και επεξεργασίας των σημάτων lidar που χρησιμοποιούνται από τις ομάδες που αποτελούν το δίκτυο. Οι συγκρίσεις έγιναν σε δύο στάδια και αφορούσαν τους αλγόριθμους επεξεργασίας σημάτων οπισθοσκέδασης και σημάτων που λαμβάνονται από σκέδαση Raman (Böckmann et al., 2004; Pappalardo et al., 2004). Στο πρώτο στάδιο συμμετείχαν 19 διαφορετικοί αλγόριθμοι, ενώ στο δεύτερο στάδιο οι αλγόριθμοι ήταν 11, όσα είναι και τα συστήματα Raman που συμμετέχουν στο δίκτυο EARLINET. Το ΕΦΑ συμμετείχε επιτυχώς και στους δύο ελέγχους και οι αλγόριθμοι επεξεργασίας βρέθηκαν να αποκλίνουν μέσα σε επιτρεπτά όρια από την πρότυπη λύση. Στο πρώτο στάδιο του ελέγχου, η ζητούμενη παράμετρος ήταν ο συντελεστής οπισθοσκέδασης, ενώ στο δεύτερο στάδιο ζητούνταν τα προφίλ των συντελεστών εξασθένισης, οπισθοσκέδασης και του λόγου lidar. Τα σήματα οπισθοσκέδασης και σκέδασης Raman που χρησιμοποιήθηκαν από τις διαφορετικές ομάδες, όπως και οι ατμοσφαιρικές αρχικές συνθήκες για την λύση των διαφορικών εξισώσεων ήταν κοινές, και αφορούσαν είτε πραγματικές μετρήσεις, είτε συνθετικά σήματα που αντιστοιχούσαν σε αφορούν πρότυπες ατμοσφαιρικές συνθήκες, αλλά ήταν απαλλαγμένα από ηλεκτρονικό θόρυβο Σύγκριση αλγορίθμου υπολογισμού συντελεστή οπισθοσκέδασης Στο πρώτο στάδιο των συγκρίσεων, εξετάστηκαν οι αλγόριθμοι για τον υπολογισμό του κατακόρυφου προφίλ του συντελεστή οπισθοσκέδασης από ένα σήμα ελαστικής οπισθοσκέδασης (Böckmann et al., 2004). Οι 21 ομάδες που συμμετείχαν στο στάδιο αυτό, επεξεργάστηκαν με τους αλγορίθμους τους τρία (3) συνθετικά σήματα lidar. Κάθε διαφορετικό στάδιο, και ανάλογα τις παραμέτρους εισόδου που διετίθεντο επιπρόσθετα με τα σήματα, είχε σκοπό να αξιολογήσει την αριθμητική ορθότητα και α- κρίβεια των αλγορίθμων, όπως επίσης και την εμπειρία των ομάδων. Τα σήματα που χρησιμοποιήθηκαν παράχθηκαν από ένα μοντέλο προσομοίωσης της τεχνικής lidar που λειτουργεί στο Ινστιτούτο Τροποσφαιρικής Έρευνας στο Leipzig της Γερμανίας.

65 65 Το μοντέλο αυτό, προσομοιώνοντας την διαδικασία μέτρησης με την μέθοδο lidar, μπορεί να παράγει ελαστικά και ανελαστικά σήματα lidar για διάφορα μήκη κύματος και για δεδομένη θεώρηση της ατμόσφαιρας, με την δυνατότητα επιλογής του φόρτου και της στρωμάτωσης των αιωρούμενων σωματιδίων και των νεφών. Έχει τέλος την δυνατότητα να προσομοιώνει το ηλιακό υπόβαθρο ακτινοβολίας, τον ηλεκτρονικό θόρυβο υποβάθρου και τον θόρυβο του σήματος Δεδομένα εισόδου Για τις ανάγκες της διαδικασίας σύγκρισης των αλγορίθμων, διατέθηκαν στις ομάδες που συμμετείχαν, τρεις ομάδες δεδομένων με ελαστικά σήματα οπισθοσκέδασης στα 355, 532 και 1064 nm. Η ομάδα του ΕΦΑ επεξεργάστηκε μόνο τα 355 και 532nm, τα μήκη κύματος δηλαδή που εκπέμπει το lidar του ΕΦΑ. Η ατμόσφαιρα και στις τρεις περιπτώσεις θεωρήθηκε ότι είναι η πρότυπη ατμόσφαιρα σύμφωνα με την US Standard Atmosphere 1976, με επιφανειακή πίεση 1013hPa και θερμοκρασία 0 C. Οι 0 μοριακοί συντελεστές εξασθένισης και οπισθοσκέδασης φαίνονται μαζί με τα προφίλ της θερμοκρασίας και της πίεσης στο διάγραμμα του Σχήματος Τα σήματα προσομοιώθηκαν χωρίς να θεωρηθεί ότι υπάρχει κάποιας μορφής θόρυβος (πχ. ηλεκτρονικός). Η επικάλυψη της δέσμης της ακτινοβολίας και του οπτικού πεδίου του τηλεσκοπίου θεωρήθηκε πλήρης πάνω από τα 250m. Σε όλες τις περιπτώσεις, η παρουσία των αιωρούμενων σωματιδίων ορίστηκε σε ύψη μικρότερα των 4.5km, ενώ για την ελεύθερη τροπόσφαιρα η σκέδαση από τα σωματίδια θεωρήθηκε αμελητέα. Επίσης, η ατμόσφαιρα θεωρήθηκε ελεύθερη από νέφη. Οι τρεις προσομοιώσεις αφορούσαν διαφορετικές ατμοσφαιρικές συνθήκες, με αυξανόμενο βαθμό δυσκολίας στην επεξεργασία. Αναλυτικά, για την κάθε προσομοίωση οι θεωρήσεις ήταν οι ακόλουθες: Προσομοίωση 1: Η πρώτη περίπτωση δεν αφορούσε πραγματικές ατμοσφαιρικές συνθήκες. Ο συντελεστής εξασθένισης θεωρήθηκε ανεξάρτητος του μήκους κύματος. Το κατακόρυφο προφίλ του συντελεστή εξασθένισης θεωρήθηκε ότι αλλάζει βηματικά με το ύψος παίρνοντας τις τιμές 3 10 m ύψη μεταξύ των 1500 και 2000m, 4 10 m και 10 m για ύψη μικρότερα των 1500m, m 4 1 για 4 1 για ύψη μετα 2 m, ξύ των 000 και 2440 για μεγαλύτερ α ύψη. Ο λόγος του lidar θεωρήθηκε ίσος με 50sr για όλα τα ύψη και τα μήκη κύματος. Τα δεδομένα εισόδου που διατέθηκαν στις ομάδες για

66 66 το πρώτο αυτό στάδιο παρουσιάζονται στα διαγράμματα του Σχήματος 2-12 που ακολουθεί Πίεση (hpa) nm 532 nm Ύψος (m) Θερμοκρασία ( 0 C) Συντελεστής Εξασθένισης Σωματιδίων (m -1 Λόγος Lidar (sr) ) Σχήμα 2-12: Δεδομένα εισόδου για την πρώτη προσομοίωση Π ροσομοίωση 2: Στο δεύτερο στάδιο προσομοιώθηκε με το μοντέλο σημαντικός φόρτος αιωρούμενων σωματιδίων μέχρι τα 4000m. Θεωρήθηκαν ρεαλιστικές τιμές για τον συντελεστή ε- ξασθένισης, και λήφθηκε υπόψη και η εξάρτιση του από το μήκος κύματος, θεωρώντας μεγαλύτερους συντελεστές εξασθένισης για τα μικρότερα μήκη κύματος. Ο λόγος lidar ήταν και πάλι σταθερός με το ύψος, και ίσος με 64sr για τα 355nm και 62sr για τα 532nm. Για ύψη μεγαλύτερα των 4500m, ο λόγος lidar ήταν σταθερός και ίσος με 45sr γι α όλα τα μήκη κύματος. Τα δεδομένα εισόδου για την δεύτερη προσομοίωση παρουσιάζονται στο διάγραμμα του Σχήματος 2-13 που ακολουθεί. Π ροσομοίωση 3: Στην τρίτη προσομοίωση, θεωρήθηκε μεγάλος φόρτος αιωρούμενων σωματιδίων μέχρι τα 3000m. Οι κατακόρυφες κατανομές των συντελεστών εξασθένισης και του λόγου lidar ήταν μεταβλητές με το ύψος και πιο ρεαλιστικές από τις προηγούμενες προσομοιώσεις. Ο συντελεστής εξασθένισης είχε διαφορετική συμπεριφορά για κάθε μήκος κύματος, αλλά ο λόγος lidar θεωρήθηκε ανεξάρτητος του μήκους κύματος και κοινός για τα 355 και 532nm. Για ύψη μικρότερα των 3600m ο λόγος lidar κυμαινόταν μεταξύ των 24 κα ι 69sr, ενώ πάνω από τα 3600m, ήταν σταθερός και ίσος με

67 67 45sr για όλα τα μήκη κύματος. Τα δεδομένα εισόδου για την τρίτη προσομοίωση παρουσιάζονται στο διάγραμμα του Σχήματος 2-14: Πίεση (hpa) nm 532 nm Ύψος (m) Θερμοκρασία ( 0 C) Συντελεστής Εξασθένισης Λόγος Lidar (sr) Σωματιδίων (m -1 ) Σχήμα 2-13: Δεδομένα εισόδου για την δεύτερη προσομοίωση Πίεση (hpa) nm 532 nm Ύψος (m) Θερμοκρασία ( 0 C) Συντελεστής Εξασθένισης Λόγος Lidar (sr) Σωματιδίων (m -1 ) Σχήμα 2-14: Δεδομένα εισόδου για την τρίτη προσομοίωση Στάδια επεξεργασίας Για το πρώτο στάδιο, τα δεδομένα εισόδου που χρησιμοποιήθηκαν στο μοντέλο προσομοίωσης για την εξαγωγή του σήματος δόθηκαν εξ ολοκλήρου στις ομάδες. Ο σκοπός του πρώτου σταδίου επεξεργασίας ήταν να εξασκηθούν οι ομάδες στην επε-

68 68 ξεργασία ενός σήματος για το οποίο η λύση ήταν γνωστή. Η πραγματική σύγκριση των αλγορίθμων έγινε στις προσομοιώσεις 2 και 3, και η διαδικασία ακολούθησε τρία στάδια: Στάδιο 1: Τα συνθετικά σήματα lidar δόθηκαν στις ομάδες χωρίς καμία πληροφορία για τις πα- ραμέτρους εισόδου, εκτός από τις ατμοσφαιρικές συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας. Κάθε ομάδα υπολόγισε τα προφίλ του συντελεστή οπισθοσκέδασης για τα αιωρούμενα σωματίδια, υποθέτοντας τις απαραίτητες παραμέτρους εισόδου και χρησιμοποιώντας τον δικό της αλγόριθμο. Σ τάδιο 2: Εκτός από τα σήματα, lidar δόθηκε στις ομάδες η κατακόρυφη κατανομή του λόγου lidar για κάθε προσομοίωση. Σ τάδιο 3: Εκτός από τα σήματα, και την κατακόρυφη κατανομή του λόγου lidar, δόθηκε και το ύψος βαθμονόμησης του σήματος, και η τιμή του συντελεστή οπισθοσκέδασης στο ύψος αυτό (ύψος αναφοράς). Για κάθε στάδιο, τα αποτελέσματα των διαφορετικών αλγορίθμων συλλέχθηκαν και επεξεργάστηκαν από το Ινστιτούτο Μαθηματικών Επιστημών του Πανεπιστημίου του Potsdam στην Γερμανία. Το Ινστιτούτο επιλέχθηκε ως αντικειμενικός κριτής των αποτελεσμάτων γιατί δεν συμμετείχε στην διαδικασία σύγκρισης των αλγορίθμων και γενικά δεν είναι από τις ομάδες του EARLINET που πραγματοποιούν μετρήσεις lidar. Οι αλγόριθμοι μπορούν να ελεγχθούν και να συγκριθούν ως προς την αριθμητική σταθερότητα και ακρίβειά τους, μόνο στο τρίτο στάδιο, όπου όλες οι παράμετροι εισόδου ήταν γνωστές. Ο βαθμός δυσκολίας ήταν μεγαλύτερος για το πρώτο στάδιο της σύγκρισης, μιας και στην περίπτωση αυτή οι ομάδες δεν γνώριζαν τίποτε άλλο εκτός από τις ατμοσφαιρικές συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας για τον υπολογισμό του μοριακού συντελεστή οπισθοσκέδασης και εξασθένισης. Το στάδιο αυτό είχε σκοπό να εκτιμήσει και την εμπειρία των ομάδων στην επιλογή του ύψους αναφοράς και τον ορισμό ενός λογικού λόγου lidar, επιλογές που καλούνται να κάνουν και στην περίπτωση των μετρήσεων που οι ίδιες πραγματοποιούν. Βέβαια, η επιλογή του λό-

69 69 γου lidar δεν είναι δυνατή όταν κάποιος δεν έχει γνώση του είδους του σωματιδιακού φόρτου, και για τον λόγο αυτό εξετάστηκαν μόνο το δεύτερο και το τρίτο μέρος της διαδικασίας, όπου ο λόγος lidar είναι δεδομένος Αποτελέσματα επεξεργασίας Στον Πίνακα 2-1 που ακολουθεί, δίδονται λεπτομέρειες για τις ομάδες που συμμετείχαν στην σύγκριση και για τις δυνατότητες του αλγορίθμου που χρησιμοποιείται από κάθε ομάδα. Πίνακας 2-1: Ερευνητικές ομάδες που συμμετείχαν στην σύγκριση αλγορίθμων και οι δυνατότητες του κάθε αλγόριθμου Ομάδα Lidar Φορά Λόγος Ραδιοβόλ ολοκλή Lidar ιση ρωσης Α1 Lidar Group, Ecole Polytechnique Federale de Lausane, Switzerland ναι ναι ναι Α2 Observatory of Neuchatel, Switzerland ναι ναι ναι Α3 Institut Für Tropospharenforschung, Leipzig, Germany ναι ναι ναι Α4 Physics Department, National Technical University of Athens, Greece ναι οχι οχι Α5 Max-Planck-Institut Für Meteorologie, Hamburg, Germany ναι ναι ναι Α6 Leibniz-Institut Kuhlungsborn der Universitat Rostock, Germany ναι ναι ναι Α7 Department of Physics, Universita degli Studi, L Aquila, Italy ναι ναι ναι Α8 Institute of Physics, National Academy of Sciences, Belarus ναι ναι ναι Α9 Laboratory of Atmospheric Physics, Aristotle University of Thessaloniki, Greece ναι ναι ναι Α10 Meteorologisches Institut der Universitat Munchen, Germany ναι ναι ναι Α11 I.N.F.M. Napoli and Dipartimento di Scienze Fisiche Universita di Napoli, Italy ναι ναι ναι Α12 Diparimento de Fisica and I.N.F.M. Unita di Lecce, Italy ναι ναι ναι Α13 Fraunhofer-Institut Für Atmospharische Umweltforschung, Garmisch-Partenkirchen, Germany ναι ναι οχι Α14 Universitat Politecnica de Catalunya, Barcelona, Spain ναι οχι οχι Α15 Institute Pierre Simone Laplace, Paris-Jussieu, France ναι ναι ναι Α16 Physics Department, University of Wales, Aberystwyth, United Kingdom ναι ναι ναι Α17 Istituto Nazionale per la Fisica della Materia and Istituto di Metodologie per l Analisi Ambientale, Potenza, Italy ναι ναι ναι Α18 Forsvarets Forskninganstalt, Linkoping, Sweden ναι ναι ναι Συγκεκριμένα, και για κάθε αλγόριθμο, δίνεται η απάντηση σε κάθε μία από τις παρακάτω ερωτήσεις:

70 70 Είναι δυνατός ο υπολογισμός του συντελεστή οπισθοσκέδασης, αν ως δεδομένο εισόδου δοθεί το ακριβές προφίλ του μεταβλητού με το ύψος λόγου lidar? Είναι δυνατή να λυθεί η διαφορική εξίσωση του lidar με φορά ολοκλήρωσης προς τα εμπρός και προς τα πίσω? Είναι δυνατόν να χρησιμοποιηθούν για δεδομένα εισόδου, κατακόρυφα προφίλ πίεσης και θερμοκρασίας από ραδιοβόλιση? Η ομάδα του ΕΦΑ, υποσημειώνεται στα διαγράμματα που ακολουθούν με την συντόμευση Α9. Τα αποτελέσματα που συλλέχθηκαν από τους διαφορετικούς αλγορίθμους συγκρίθηκαν με τα δεδομένα εισόδου που χρησιμοποιήθηκαν για την παραγωγή των σημάτων. Τα αποτελέσματα των αλγορίθμων που συμμετείχαν στην σύγκριση για την προσομοίωση 2 και για τα μήκη κύματος των 355 και 532nm, όπως και το πρότυπο προφίλ που χρησιμοποιήθηκε για την εξαγωγή των σημάτων, παρουσιάζονται στα διαγράμματα του Σχήματος 2-15, για κάθε στάδιο: Σχήμα 2-15: Συντελεστής οπισθοσκέδασης από τους αλγόριθμους που συμμετείχαν στην δεύτερη προσομοίωση, για τα μήκη κύματος των 355 και 532 nm και για κάθε στάδιο (Böckmann et. al., 2004) Τα αντίστοιχα αποτελέσματα των αλγορίθμων που συμμετείχαν στην σύγκριση για την προσομοίωση 3 και για τα μήκη κύματος των 355 και 532nm, όπως και το πρότυπο προφίλ που χρησιμοποιήθηκε για την εξαγωγή των σημάτων, παρουσιάζονται στα διαγράμματα του Σχήματος 2-16 που ακολουθεί, για κάθε στάδιο.

71 71 Για την σύγκριση της πραγματικής λύσης για τον συντελεστή οπισθοσκέδασης με την κατακόρυφη κατανομή που εξήγαγε ο κάθε αλγόριθμος, υπολογίστηκαν η απόλυτη και η σχετική διαφορά των δύο προφίλ για κάθε ύψος. Οι σχέση που χρησιμοποιήθηκε για τον υπολογισμό της απόλυτης διαφοράς, και για τον υπολογισμό της σχετικής διαφοράς ( Δ ): Δ gabs, είναι: Δ gabs = gr gex (2.35) grel Δgabs Δ grel = 100% (2.36) g Η μέση απόλυτη ή σχετική διαφορά υπολογίστηκε αντίστοιχα από την σχέση: όπου n Δ g = abs / rel ex n i= 1 Δg n abs / rel (2.37) ο αριθμός των υψών που αθροίζονται. Τέλος, η τυπική απόκλιση από την μέση απόλυτη ή σχετική διαφορά υπολογίστηκε σύμφωνα με την σχέση: g i= 1 δ abs / rel ( Δgabs / rel Δgabs / rel ) n 2 = n 12 (2.38) Σχήμα 2-16: Συντελεστής οπισθοσκέδασης από τους αλγόριθμους που συμμετείχαν στην τρίτη προσομοίωση, για τα μήκη κύματος των 355 και 532 nm και για κάθε στάδιο (Böckmann et. al., 2004)

72 72 Τα αποτελέσματα των υπολογισμών για τις αποκλίσεις που παρουσίασε κάθε αλγόριθμος φαίνονται στα διαγράμματα του Σχήματος Για την προσομοίωση 2 και για το πρώτο στάδιο της επεξεργασίας, η μέση σχετική διαφορά των προφίλ που παραδόθηκαν από τις ομάδες κυμαινόταν από 0 120%. Οι μεγαλύτερες αποκλίσεις παρουσιάστηκαν στα 355nm, και παρατηρήθηκε ότι οι αποκλίσεις γίνονταν μικρότερες όσο το μήκος κύματος μεγάλωνε. Η μέση σχετική διαφορά για όλες τις ομάδες και για τα μήκη κύματος των 355, 532 και 1064nm, ήταν κατά προσέγγιση 65%, 30% και 15% αντίστοιχα. Στο δεύτερο στάδιο και με δεδομένη την κατακόρυφη κατανομή του λόγου lidar, οι ίδιες διαφορές πέφτουν αισθητά και βρέθηκαν να κυμαίνονται μεταξύ. Η μέση σχετική διαφορά για όλες τις ομάδες και για τα μήκη κύματος των 355, 532 και 1064 nm, ήταν κατά προσέγγιση 7%, 5% και 8% αντίστοιχα. Τα σφάλματα για το τρίτο στάδιο της επεξεργασίας, παρουσιάζονται επίσης στο Σχήμα % Σχήμα 2-17: Κατακόρυφες κατανομές των σχετικών αποκλίσεων για τις προσομοιώσεις 2 και 3 και για το τρίτο στάδιο της επεξεργασίας, στα 355 και 532 nm (Böckmann et. al., 2004) Παρατηρούμε ότι με αυξανόμενη γνώση των παραμέτρων εισόδου και κατά κύριο λόγο του προφίλ του λόγου lidar, τα σφάλματα σε σχέση με το πραγματικό προφίλ οπισθοσκέδασης μειώνονται, και για το στάδιο 3 είναι μικρότερα του 5% στα ύψη m. Η συμπεριφορά αυτή παρατηρείται σε όλους τους αλγορίθμους και σε όλα τα μήκη κύματος. Η μέση σχετική διαφορά παραμένει κάτω από 2%

73 73 για όλες τις ομάδες. Στην περιοχή υψών μεταξύ m, η μέση απόλυτη 5 διαφορά είναι μικρότερη από 1 10 ( km sr) 1. Οι αποκλίσεις αυτές αποδεικνύουν ότι οι αλγόριθμοι λειτουργούν ικανοποιητικά και μπορούν να αναπαράγουν την κατακόρυφη κατανομή του συντελεστή οπισθοσκέδασης που χρησιμοποιήθηκε για την προσομοίωση, αν οι παράμετροι εισόδου είναι γνωστοί. Οι μεγάλες διαφορές που παρατηρούνται στην περιοχή κάτω από τα 250m, οφείλονται στην μη πλήρη επικάλυψη της δέσμης του laser με το οπτικό πεδίο του τηλεσκοπίου. Η συνάρτηση επικάλυψης που εισάχθηκε στα δεδομένα δεν διανεμήθηκε στις ομάδες, και η διόρθωση των σημάτων για την περιοχή αυτή δεν ήταν δυνατή. Για την προσομοίωση 3, η οποία αντιστοιχούσε σε πιο ρεαλιστικές ατμοσφαιρικές συνθήκες, ο λόγος lidar ήταν μεταβλητός με το ύψος. Για το στάδιο 1 της επεξεργασίας, οι μέσες σχετικές διαφορές για όλες τις ομάδες και για τα μήκη κύματος των 355, 532 και 1064 nm, ήταν κατά προσέγγιση 40%, 20% και 17% αντίστοιχα. Οι αντίστοιχες διαφορές για το στάδιο 2 της επεξεργασίας ήταν 10%, 8% και 7%. Για το τελευταίο στάδιο (3) της επεξεργασίας, οι μέσες σχετικές διαφορές βρέθηκαν να είναι μεγαλύτερες από αυτές του σταδίου 2, και αυτό οφείλεται στον μεταβλητό με το ύψος λόγο lidar που χρησιμοποιήθηκε ως δεδομένο εισόδου. Συγκεκριμένα, και για τα ύψη μεταξύ των m, η μέση σχετική διαφορά για όλα τα μήκη κύματος δεν υπερβαίνει τα 3%, για όλες τις ομάδες. Για τα ύψη μεταξύ των km, ( ) η μέση απόλυτη διαφορά για όλες τις ομάδες είναι μικρότερη του 1 10 km sr. Τα αποτελέσματα της σύγκρισης των αλγορίθμων δείχνουν ότι οι διαφορετικοί τρόποι χειρισμού των δεδομένων από τις ομάδες λειτουργούν σε ικανοποιητικό βαθμό, ακόμη και όταν τα δεδομένα εισόδου είναι σχετικά ελλειπή. Στην περίπτωση που τα δεδομένα εισόδου γίνονται γνωστά, οι μέσες σχετικές διαφορές των διαφορετικών λύσεων και του πρότυπου προφίλ του συντελεστή οπισθοσκέδασης δεν ξεπερνά τα λίγα μέρη στα εκατό. Ο ορισμός του συντελεστή οπισθοσκέδασης στο ύψος α- ναφοράς όπως και η ακριβής επιλογή του ύψους αυτού δεν έχουν ιδιαίτερη σημασία για την λύση της εξίσωσης lidar σε όλες τις προσομοιώσεις που εξετάστηκαν, μιας και θεωρήθηκαν μεγάλες περιοχές στην ελεύθερη τροπόσφαιρα όπου κυριαρχούσε η μοριακή σκέδαση Rayleigh. Κάτι τέτοιο δεν ισχύει πάντα σε κανονικές ατμοσφαιρικές συνθήκες, και ιδιαίτερα για τα 1064 nm, όπου η σωματιδιακή σκέδαση υπερισχύει στο σήμα lidar, πολλές φορές σε όλα τα ύψη.

74 Αναλυτική σύγκριση του αλγορίθμου του ΕΦΑ Τα αποτελέσματα του αλγορίθμου του ΕΦΑ σε σχέση με τα πρότυπα προφίλ για την προσομοίωση 2 και το στάδιο 3 της επεξεργασίας, για τα 355 και 532nm, παρουσιάζονται στο Σχήμα 2-18 που ακολουθεί. Για τα αποτελέσματα του διαγράμματος του Σχήματος 2-18, θεωρήσαμε ως δεδομένα εισόδου όλες τις πληροφορίες που είχαμε, όπως τα προφίλ πίεσης και θερμοκρασίας, τον μεταβλητό με το ύψος λόγο lidar και την αρχική συνθήκη που δόθηκε για τους συντελεστές οπισθοσκέδασης στο ύψος α- ναφοράς Προσομοίωση 2 - Στάδιο 3 Μοντέλο ΕΦΑ Μοντέλο ΕΦΑ 3000 Ύψος (m) Συντελεστής Εξασθένισης Συντελεστής Εξασθένισης Σωματιδίων στα 355nm (m -1 ) Σωματιδίων στα 532nm (m -1 ) Σχήμα 2-18: Αποτελέσματα του αλγορίθμου του ΕΦΑ για την προσομοίωση 2 και το στάδιο 3 της επεξεργασίας, για τα 355 και 532nm Μετά από βελτιώσεις που έγιναν στον αλγόριθμο του ΕΦΑ και την εκ νέου εφαρμογή του στα συνθετικά δεδομένα, η μέση σχετική διαφορά για την περιοχή υ- ψών από m βρέθηκε ίση με 0.51% για τα 355nm και 0.57% για τα 532nm. Ο παλαιότερος αλγόριθμος που χρησιμοποιήθηκε στην σύγκριση των αλγορίθμων, υπολόγιζε τα ίδια προφίλ με αντίστοιχες μέσες σχετικές διαφορές 5.57% και 2.90% στα 355 και 532 nm αντίστοιχα.

75 Προσομοίωση 3 - Στάδιο 3 Μοντέλο ΕΦΑ Μοντέλο ΕΦΑ 3000 Ύψος (m) Συντελεστής Εξασθένισης Συντελεστής Εξασθένισης Σωματιδίων στα 355nm (m -1 ) Σωματιδίων στα 532nm (m -1 ) Σχήμα 2-19: Αποτελέσματα του αλγορίθμου του ΕΦΑ για την προσομοίωση 3 και το στάδιο 3 της επεξεργασίας, για τα 355 και 532nm Για την προσομοίωση 3 και το στάδιο 3 της επεξεργασίας, τα αντίστοιχα αποτελέσματα παρουσιάζονται στο διάγραμμα του Σχήματος Η μέση σχετική διαφορά για την περιοχή υψών από m με τον νέο αλγόριθμο, βρέθηκε 0.63% για τα 355nm και 0.97% για τα 532nm. Ο παλαιότερος αλγόριθμος που χρησιμοποιήθηκε στην σύγκριση των αλγορίθμων, υπολόγιζε τα ίδια προφίλ με αντίστοιχες μέσες σχετικές διαφορές 5.34% και 2.88% στα 355 και 532 nm αντίστοιχα Σύγκριση αλγορίθμου υπολογισμού συντελεστή εξασθένισης και οπισθοσκέδασης με την μέθοδο Raman Στο δεύτερο στάδιο εξετάστηκαν οι αλγόριθμοι επεξεργασίας για την εξαγωγή του συντελεστή εξασθένισης από σήμα lidar ανελαστικής οπισθοσκέδασης, και του συντελεστή οπισθοσκέδασης από τον συνδυασμό των σημάτων ελαστικής και ανελαστικής οπισθοσκέδασης (Pappalardo et al., 2004). Οι 11 ομάδες που συμμετείχαν στην σύγκριση, επεξεργάστηκαν με τους αλγορίθμους τους ελαστικά σήματα lidar στα 355 και 532nm, και ανελαστικά σήματα στα 387 και 607nm αντίστοιχα, σε δύο (2) στάδια. Τα σήματα που χρησιμοποιήθηκαν παράχθηκαν με το μοντέλο προσομοίωσης της τεχνικής Raman lidar που λειτουργεί στο Ινστιτούτο Τροποσφαιρικής Έ- ρευνας στην Λειψία (Leipzig) της Γερμανίας. Τα συνθετικά σήματα που παράχθηκαν με το μοντέλο, ανταποκρίνονται σε δεδομένα εισόδου που αντιστοιχούν σε ατμο-

76 76 σφαιρικά πιθανή κατάσταση. Θεωρήθηκαν δεδομένες ατμοσφαιρικές συνθήκες πίεσης, θερμοκρασίας, συντελεστή εξασθένισης και οπισθοσκέδασης των σωματιδίων όπως και λόγου lidar Δεδομένα εισόδου Στις ερευνητικές ομάδες διατέθηκαν δύο ομάδες δεδομένων σημάτων lidar, ένα για μήκος κύματος εκπομπής. Στο μήκος κύματος εκπομπής των τα σήματα lidar από ελαστική σκέδαση στα από το άζωτο της ατμόσφαιρας στα 532nm διανεμήθηκαν και ανελαστική σκέδαση Raman 387nm, ενώ στο μήκος κύματος εκπομπής των διανεμήθηκαν τα σήματα lidar από ελαστική σκέδαση στα και ανελαστική σκέδαση Raman από το άζωτο της ατμόσφαιρας στα 607nm. Για την παραγωγή αυτών των σημάτων από το μοντέλο προσομοίωσης, θεωρήθηκαν οι ατμοσφαιρικές συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας που παρουσιάζονται στα Σχήματα 2-20 και 2-21 που ακολουθούν. Στα Σχήματα 2-20 και 2-21 παρουσιάζονται επίσης οι συντελεστές εξασθένισης των αιωρούμενων σωματιδίων στα 355 και αντίστοιχα, όπως και οι συντελεστές οπισθοσκέδασης και οι λόγοι lidar που χρησιμοποιήθηκαν ως δεδομένα εισόδου στο μοντέλο προσομοίωσης. Στην κατακόρυφη κατανομή της θερμοκρασίας θεωρήθηκε μία θερμοκρασιακή αναστροφή στα 1500 m, που αντιστοιχεί σε μια στρωμάτωση σωματιδίων που είναι εμφανής και στην κατανομή του συντελεστή εξασθένισης. Όπως επίσης φαίνεται από τα προφίλ εξασθένισης, θεωρήθηκε φόρτος αιωρούμενων σωματιδίων στα χαμηλά στρώματα μέχρι τα 2000m, που αποτελεί μία τυπική κατάσταση κατακόρυφης κατανομής σωματιδίων για ένα καλά ανεπτυγμένο οριακό στρώμα. Προσομοιώθηκε επίσης μία στρωμάτωση αιωρούμενων σωματιδίων στα m, που θα μπορούσε να αντιστοιχεί σε μεταφερόμενη αέρια μάζα από την έρημο της Σαχάρα, ή φόρτο σωματιδιακών ρύπων από καύση βιομάζας. Ο συντελεστής Ångström για το ορατό και υπεριώδες τμήμα του φάσματος θεωρήθηκε ίσος με 1.8 για όλα τα ύψη. 355nm 355nm 532nm 532nm

77 Πίεση (hpa) nm Ύψος (m) Θερμοκρασία ( 0 C) Συντελεστής Εξασθένισης Λόγος Lidar (sr) Σωματιδίων (m -1 ) Σχήμα 2-20: Δεδομένα εισόδου για την προσομοίωση Raman στα 355nm Πίεση (hpa) nm Ύψος (m) Θερμοκρασία ( 0 C) Συντελεστής Εξασθένισης Λόγος Lidar (sr) σωματιδίων (m -1 ) Σχήμα 2-21: Δεδομένα εισόδου για την προσομοίωση Raman στα 532nm Στάδια επεξεργασίας Η σύγκριση των αλγορίθμων πραγματοποιήθηκε σε δύο στάδια: Στάδιο1:

78 78 Για το πρώτο στάδιο της επεξεργασίας διανεμήθηκαν στις ομάδες μόνο τα συνθετικά σήματα της ελαστικής και ανελαστικής σκέδασης Raman, όπως και η θερμοκρασία και η πίεση του εδάφους. Οι ομάδες καλούνταν να υπολογίσουν τα προφίλ των συντελεστών εξασθένισης και οπισθοσκέδασης μέχρι τα 6000m, και την κατακόρυφη κατανομή του λόγου lidar μέχρι τα 4000m για τα μήκη κύματος εκπομπής των 355 και 532nm. Σκοπός του σταδίου 1 της επεξεργασίας ήταν να εξεταστεί η εμπειρία των ομάδων στην εφαρμογή των αλγορίθμων τους κάτω από συνήθεις συνθήκες μετρήσεων, όταν μόνο οι παραπάνω πληροφορίες είναι γνωστές. Στάδιο 2: Στο δεύτερο στάδιο της επεξεργασίας, διανεμήθηκαν στις ομάδες όλα τα δεδομένα εισόδου που χρησιμοποιήθηκαν στο μοντέλο προσομοίωσης. Συγκεκριμένα, δόθηκαν τα κατακόρυφα προφίλ της πίεσης και της θερμοκρασίας που φαίνονται στα Σχήματα 2-20 και 2-21, και ο συντελεστής Ångström που σε όλα τα ύψη και για το ορατό και υπεριώδες τμήμα του φάσματος θεωρήθηκε ίσος με 1.8. Επίσης, ορίστηκαν κοινές τιμές του συντελεστή οπισθοσκέδασης στα 355 και σε δεδομένο ύψος αναφοράς, πληροφορία που χρειάζεται για τον υπολογισμό της κατακόρυφης κατανομής του συντελεστή οπισθοσκέδασης. Συγκεκριμένα, ορίστηκε ένας μέσος συντελεστής οπισθοσκέδασης στην περιοχή υψών από 532nm m, ίσος με στα 355nm και 5 10 m sr στα 532 nm. Σκοπός του σταδίου αυτού, ήταν να εξεταστούν οι διαφορές των αλγορίθμων λόγω αριθμητικών υπολογισμών. Για την εξαγωγή των συντελεστών εξασθένισης και οπισθοσκέδασης με την τεχνική Raman α- παιτείται εφαρμογή διάφορων αριθμητικών μεθόδων στις οποίες υπεισέρχονται διαδικασίες γραμμικής παρεμβολής και εφαρμογής φίλτρων εξομάλυνσης στα σήματα σε συγκεκριμένες περιοχές υψών. Έτσι, κρίθηκε σκόπιμο να δοθεί στις ομάδες η ακριβής χωρική ανάλυση για την εφαρμογή των αριθμητικών μεθόδων του κάθε αλγορίθμου. Τελικά, κάθε ομάδα έπρεπε να υπολογίσει τις κατακόρυφες κατανομές των συντελεστών εξασθένισης και οπισθοσκέδασης μέχρι τα 6000m m sr με χωρική ανάλυση μέχρι τα 700m, 300m μέχρι τα 1900 m και 735m για ύψη μεγαλύτερα των 1900 m. Για τον λόγο lidar έπρεπε να υπολογιστεί η κατακόρυφη κατανομή του μέχρι τα 2000m, και μία μέση τιμή για την περιοχή υψών μεταξύ των m. 150m Αποτελέσματα επεξεργασίας

79 79 Τα αποτελέσματα που συλλέχθηκαν από τους διαφορετικούς αλγορίθμους συγκρίθηκαν με τα δεδομένα εισόδου που χρησιμοποιήθηκαν για την παραγωγή των σημάτων. Για την σύγκριση των κατανομών με το πρότυπο προφίλ, χρησιμοποιήθηκαν δύο στατιστικές παράμετροι, η βεβαρημένη μέση απόκλιση και η βεβαρημένη μέση διωνυμική απόκλιση, που ορίζονται αντίστοιχα από τις παρακάτω σχέσεις: όπου x i και βεβαρημένη μέση απόκλιση βεβαρημένη τετραγωνικ ή μέση απόκλιση s i x s s i i = (2.39) i x w s i i = si 2 w 12 (2.40) είναι οι τιμές της παραμέτρου προς σύγκριση για το παραγόμενο από τις ομάδες και το πρότυπο προφίλ αντίστοιχα, στο ύψος z i. Ο συμβολισμός w, αναφέρεται στον τρόπο υπολογισμού των στατιστικών παραμέτρων, οι οποίες υπολογίστηκαν παίρνοντας υπόψη έναν παράγοντα βάρους για κάθε αποτέλεσμα. Το βάρος ήταν το στατιστικό σφάλμα υπολογισμού της κάθε παραμέτρου, που είναι ενδεικτικό της αξίας του αποτελέσματος. Για τον υπολογισμό της βεβαρημένης μέσης τιμής των αποκλίσεων a i σε ένα εύρος υψών χρησιμοποιήθηκε η σχέση: βεβαρημένη μέση τιμ ή = i όπου w το βάρος της απόκλισης a, που ορίζεται από την σχέση: i i i wa i w i i (2.41) w i 1 = (2.42) ( σ ) 2 i όπου σ το στατιστικό σφάλμα της απόκλισης. Η βεβαρημένη μέση τιμή των α- i ποκλίσεων μας δίνει ένα μέτρο της διαφοράς των προφίλ που παραδόθηκαν από τις ομάδες με το πρότυπο προφίλ, ενώ η βεβαρημένη τετραγωνική μέση τιμή των αποκλίσεων είναι ανάλογη της μέσης διακύμανσης μιας λύσης γύρω από την πρότυπη λύση σε ένα εύρος υψών. Στα παρακάτω παρουσιάζονται τα αποτελέσματα για κάθε στάδιο επεξεργασίας ανά ζητούμενη παράμετρο: a i α) Συντελεστής εξασθένισης: Στα διαγράμματα των Σχημάτων 2-22(Ι) και 2-22(ΙΙ), παρουσιάζονται οι κατακόρυφες κατανομές του συντελεστή εξασθένισης στα (a) 355nm και (b) 532 nm που εξή-

80 80 χθησαν από κάθε αλγόριθμο για το πρώτο και δεύτερο στάδιο της επεξεργασίας αντίστοιχα, σε σχέση με το πρότυπο προφίλ που απεικονίζεται με πιο παχιά γραμμή. Επίσης, στα διαγράμματα (c) των ίδιων σχημάτων, παρουσιάζονται οι βεβαρημένες μέσες αποκλίσεις και βεβαρημένες τετραγωνικές μέσες αποκλίσεις μεταξύ των λύσεων της κάθε ομάδας και του πρότυπου προφίλ, για τις περιοχές υψών m m και β) Συντελεστής οπισθοσκέδασης: Στα διαγράμματα των σχημάτων 2-23(Ι) και 2-23(ΙΙ) που ακολουθούν, παρουσιάζονται οι κατακόρυφες κατανομές του συντελεστή οπισθοσκέδασης στα (a) 355 nm και (b) 532nm που εξήχθησαν από κάθε αλγόριθμο για το πρώτο και δεύτερο στάδιο της επεξεργασίας αντίστοιχα, σε σχέση με το πρότυπο προφίλ που απεικονίζεται με πιο παχιά γραμμή. Σχήμα 2-22: (Ι) (a), (b) Σύγκριση κατακόρυφων κατανομών του συντελεστή εξασθένισης στα 355 και 532nm που εξήχθησαν από κάθε αλγόριθμο σε σχέση με την πρότυπη κατανομή (παχιά γραμμή) για το πρώτο στάδιο της επεξεργασίας. (c) Βεβαρημένες μέσες αποκλίσεις και βεβαρημένες τετραγωνικές μέσες αποκλίσεις μεταξύ των λύσεων της κάθε ομάδας και της πρότυπης κατανομής, για τις περιοχές υψών m και m, για το πρώτο στάδιο της επεξεργασίας. (ΙΙ) Ομοίως με το (Ι) για το δεύτερο στάδιο της επεξεργασίας (Pappalardo et. al., 2004)

81 81 Σχήμα 2-23: (Ι) (a), (b) Σύγκριση κατακόρυφων κατανομών του συντελεστή οπισθοσκέδασης στα 355 και 532nm που εξήχθησαν από κάθε αλγόριθμο σε σχέση με την πρότυπη κατανομή (παχιά γραμμή) για το πρώτο στάδιο της επεξεργασίας. (c) Βεβαρημένες μέσες αποκλίσεις και βεβαρημένες τετραγωνικές μέσες αποκλίσεις μεταξύ των λύσεων της κάθε ομάδας και της πρότυπης κατανομής, για τις περιοχές υψών m και m, για το πρώτο στάδιο της επεξεργασίας. (ΙΙ) Ομοίως με το (Ι) για το δεύτερο στάδιο της επεξεργασίας (Pappalardo et. al., 2004) Στα διαγράμματα (c) των ίδιων σχημάτων, παρουσιάζονται οι βεβαρημένες μέσες α- ποκλίσεις και βεβαρημένες τετραγωνικές μέσες αποκλίσεις μεταξύ των λύσεων της κάθε ομάδας και του πρότυπου προφίλ, για τις περιοχές υψών m m και γ) Λόγος Lidar: Στα διαγράμματα των σχημάτων 2-24(Ι) και 2-24(ΙΙ) που ακολουθούν, παρουσιάζονται οι κατακόρυφες κατανομές του λόγου lidar στα (a) 355 nm και (b) 532 nm που εξήχθησαν από κάθε αλγόριθμο για το πρώτο και δεύτερο στάδιο της επεξεργασίας αντίστοιχα, σε σχέση με το πρότυπο προφίλ που απεικονίζεται με πιο παχιά γραμμή. Επίσης, στα διαγράμματα (c) των ίδιων σχημάτων, παρουσιάζονται οι βεβαρημένες μέσες αποκλίσεις και βεβαρημένες τετραγωνικές μέσες αποκλίσεις μεταξύ των λύσεων της κάθε ομάδας και του πρότυπου προφίλ, για τις περιοχές υψών και m m

82 82 Σχήμα 2-24: (a), (b) Σύγκριση κατακόρυφων κατανομών του λόγου lidar στα 355 και 532nm που εξήχθησαν από κάθε αλγόριθμο σε σχέση με την πρότυπη κατανομή (παχιά γραμμή) για το πρώτο στάδιο της επεξεργασίας. (c) Βεβαρημένες μέσες αποκλίσεις και βεβαρημένες τετραγωνικές μέσες αποκλίσεις μεταξύ των λύσεων της κάθε ομάδας και της πρότυπης κατανομής, για τις περιοχές υψών m και m, για το πρώτο στάδιο της επεξεργασίας. (ΙΙ) Ομοίως με το (Ι) για το δεύτερο στάδιο της επεξεργασίας (Pappalardo et. al., 2004) Αναλυτική σύγκριση του αλγορίθμου του ΕΦΑ Τα αποτελέσματα του αλγορίθμου του ΕΦΑ σε σχέση με τις πρότυπες κατακόρυφες κατανομές για το στάδιο 2 της επεξεργασίας παρουσιάζονται στα Σχήματα 2-25 και 2-26 που ακολουθούν, για τα 355 και 532nm αντίστοιχα. Για τα αποτελέσματα που παρουσιάζονται στα Σχήματα 2-25 και 2-26, χρησιμοποιήσαμε ως δεδομένα εισόδου όλες τις πληροφορίες που είχαμε, όπως τις κατακόρυφες κατανομές πίεσης και θερμοκρασίας, τον μεταβλητό με το ύψος λόγο lidar και την αρχική συνθήκη που δόθηκε για τους συντελεστές οπισθοσκέδασης στο ύψος αναφοράς. Σημειώνουμε εδώ, ότι για τον αλγόριθμο που αφορά την τεχνική Raman lidar έλαβαν χώρα επιπλέον βελτιώσεις που αφορούσαν την αριθμητική του ακρίβεια, μετά την σύγκριση αλγορίθμων που παρουσιάσαμε εδώ.

83 83 Οι βεβαρημένες μέσες αποκλίσεις μεταξύ της λύσης του αλγορίθμου του ΕΦΑ και του πρότυπου προφίλ, για κάθε παράμετρο και για δύο περιοχές υψών ( m και m ), δίδονται στους Πίνακες 2-2 και 2-3 που ακολουθούν, για τα 355 και 532nm αντίστοιχα. Για σύγκριση, παρατίθενται οι αποκλίσεις πριν και μετά την βελτίωση του αλγορίθμου του ΕΦΑ. Πίνακας 2-2: Βεβαρημένες μέσες αποκλίσεις για τα 355nm (Δεύτερο στάδιο της επεξεργασίας) Συντελεστής Εξασθένισης Συντελεστής Οπισθοσκέδασης Λόγος Lidar πριν μετά πριν μετά πριν μετά m m Πίνακας 2-3: Βεβαρημένες μέσες αποκλίσεις για τα 532nm (Δεύτερο στάδιο της επεξεργασίας) Συντελεστής Εξασθένισης Συντελεστής Οπισθοσκέδασης Λόγος Lidar πριν μετά πριν μετά πριν μετά m m Στην συγκεκριμένη προσομοίωση, και λόγω του χαμηλού λόγου σήματος προς θόρυβο για μεγάλα ύψη, ο λόγος lidar ήταν πολύ δύσκολο να υπολογιστεί πάνω από τα 2000m. Παρόλα αυτά, μπορεί να γίνει μία εκτίμηση του βεβαρημένου μέσου λόγου lidar για την περιοχή υψών από m, όπου σύμφωνα με τα δεδομένα προσομοίωσης υπάρχει σημαντικός φόρτος αιωρούμενων σωματιδίων. Η τιμή του λόγου lidar για το στρώμα αυτό, θεωρήθηκε κατά την προσομοίωση ίση με τα 355nm, και 50 sr για τα 532nm. Σύμφωνα με τους υπολογισμούς με τον αλγόριθμο του ΕΦΑ, η βεβαρημένη μέση τιμή του λόγου lidar για το στρώμα αυτό, βρέθηκε ίση με 58 ± 8sr για τα 355nm, και 51± 5sr για τα 532 nm. 60sr για

84 Στάδιο 2, 355nm Μοντέλο ΕΦΑ 4000 Ύψος (m) x x Συντελεστής Εξασθένισης Σωματιδίων στα 355nm (m -1 ) Συντελεστής Οπισθοσκέδασης Σωματιδίων στα 355nm (m -1 sr -1 ) Λόγος Lidar στα 355nm (sr) Σχήμα 2-25: Αποτελέσματα νέου αλγορίθμου του ΕΦΑ για το στάδιο 2 της επεξεργασίας, στα 355nm Στάδιο 2, 532nm Μοντέλο ΕΦΑ 4000 Ύψος (m) x x x Συντελεστής Εξασθένισης Σωματιδίων στα 532nm (m -1 ) Συντελεστής Οπισθοσκέδασης Σωματιδίων στα 532nm (m -1 sr -1 ) Λόγος Lidar στα 532nm (sr) Σχήμα 2-26: Αποτελέσματα νέου αλγορίθμου του ΕΦΑ για το στάδιο 2 της επεξεργασίας, στα 532nm

85 85 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 3. ΚΛΙΜΑΤΟΛΟΓΙΑ ΑΙΩΡΟΥΜΕΝΩΝ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ ΓΙΑ ΤΗΝ ΠΕΡΙΟΧΗ ΤΗΣ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΑΠΟ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ LIDAR 3.1. Περίληψη Στα πλαίσια της παρούσας διατριβής πραγματοποιήθηκαν συστηματικές μετρήσεις lidar στην Θεσσαλονίκη για την περίοδο Ιανουάριος 2001 Δεκέμβριος Οι μετρήσεις πραγματοποιούνταν κάθε Δευτέρα μεσημέρι και βράδυ και κάθε Πέμπτη βράδυ, σύμφωνα με το πρόγραμμα μετρήσεων που θεσπίστηκε στα πλαίσια του EARLINET. Μετά την λήξη του EARLINET, μετρήσεις με το ίδιο χρονικό πρόγραμμα συνεχίζονται να πραγματοποιούνται στο ΕΦΑ. Στην χρονική περίοδο έγιναν 236 μετρήσεις lidar που αφορούσαν είτε συστηματικές παρατηρήσεις, είτε μετρήσεις σε περιπτώσεις ειδικών επεισοδίων σωματιδιακής ρύπανσης (πχ σκόνη από την Σαχάρα, καύση βιομάζας). Στο κεφάλαιο αυτό, παρουσιάζουμε την στατιστική ανάλυση που εφαρμόσαμε στα δεδομένα που συλλέχθηκαν για την περίοδο Ιανουάριος 2001 Δεκέμβριος Η ανάλυση αναφέρεται στις μετρήσεις Raman lidar στα 355nm. Επιλέξαμε να αναλύσουμε τις παρατηρήσεις Raman λόγω της αναλυτικής πληροφορίας που εξάγεται από αυτές ως προς τις οπτικές ιδιότητες των αιωρούμενων σωματιδίων. Για την στατιστική ανάλυση χρησιμοποιήθηκαν 88 κατακόρυφες κατανομές των συντελεστών εξασθένισης, οπισθοσκέδασης και λόγου lidar. Οι μέσες οπτικές ιδιότητες υπολογίστηκαν τόσο για το οριακό στρώμα όσο και για την ελεύθερη τροπόσφαιρα. Για τα τέσσερα χρόνια των μετρήσεων βρέθηκε ότι το μέσο οπτικό βάθος στα 355nm ήταν

86 86 ίσο με 0.63± 0.27 (ΑΟΣ) βρέθηκε ίσο με, ενώ το μέσο οπτικό βάθος για το ατμοσφαιρικό οριακό στρώμα. Τα αιωρούμενα σωματίδια της ελεύθερης τροπόσφαιρας βρέθηκε ότι συνεισφέρουν στο μέσο οπτικό βάθος 30% κατά μέσο όρο. Η τροποσφαιρική συνεισφορά κυμαινόταν από 5% (καθαρή ελεύθερη τροπόσφαιρα) μέχρι 55% (κυρίως επεισόδια ρύπανσης σωματιδιακής σκόνης από την Σαχάρα). Για τις ημέρες που εξετάστηκαν, οι εκτιμήσεις του οπτικού βάθους με την καθ ύψος ο- λοκλήρωση του συντελεστή εξασθένισης βρέθηκαν να συμφωνούν με τις μετρήσεις του οπτικού βάθους στα 0.44 ± nm με την χρήση του φασματοφωτομέτρου Brewer του ΕΦΑ. Ο μέσος λόγος lidar για την περίοδο των μετρήσεών μας βρέθηκε ίσος με 40sr, ενώ η τυπική απόκλιση ήταν 21sr. Στην εργασία μας παρουσιάζονται μέσες κατακόρυφες κατανομές του λόγου lidar, καθώς και των συντελεστών εξασθένισης και οπισθοσκέδασης. Εξετάζεται επίσης η εποχική διακύμανση των μεγεθών, όπου βρέθηκε μία σημαντική μεταβλητότητα των μέσων οπτικών ιδιοτήτων στην ελεύθερη τροπόσφαιρα. Η ανάλυση των δεδομένων με την χρήση οπισθοτροχιών έδειξε επίσης την εξάρτηση του οπτικού βάθους και του λόγου lidar από την προέλευση των αερίων μαζών Εισαγωγή Τα αιωρούμενα σωματίδια της τροπόσφαιρας σκεδάζουν και απορροφούν την ηλιακή ακτινοβολία και την υπέρυθρη ακτινοβολία που εκπέμπεται από την Γη και μέσω αυτών των διαδικασιών επηρεάζουν το ισοζύγιο ακτινοβολίας (Charlson et al., 1992; Hansen et al., 1997). Τα αιωρούμενα σωματίδια παρουσιάζουν μεγάλη μεταβλητότητα στην ατμόσφαιρα τόσο στην σύσταση και το μέγεθός τους όσο και στην συγκέντρωσή τους, λόγω της ανομοιογένειας των πηγών τους, των χημικών και φυσικών διεργασιών συμπύκνωσης και συσσωμάτωσης, αλλά και των μετεωρολογικών συνθηκών. Τα αιωρούμενα σωματίδια διαχωρίζονται σε κατηγορίες ανάλογα με τις πηγές τους, και μπορούν να διαχωριστούν αρχικά σε σωματίδια σκόνης, θαλάσσια και ηπειρωτικά αιωρήματα, αστικά και ηφαιστειακά ανθρακικά ή θειικά αιωρήματα, προερχόμενα από διάφορες φυσικές και ανθρωπογενείς πηγές. Η αβεβαιότητα για τα επίπεδα των κλιματικών επιπτώσεων των αιωρούμενων σωματιδίων λόγω της επίδρασής τους στο ισοζύγιο της ακτινοβολίας είναι μεγάλη σε σχέση με την κλιματική επίδραση των θερμοκηπικών αερίων (Ιntergovernmental Panel on Climate Change (IPCC),

87 ). Για την βελτιστοποίηση των προβλέψεων των κλιματικών μοντέλων είναι α- παραίτητο να μειωθούν οι αβεβαιότητες που σχετίζονται με τα αιωρούμενα σωματίδια. Τα αιωρούμενα σωματίδια στην περιοχή της Μεσογείου είναι ένα μείγμα θαλάσσιων συστατικών (θαλάσσια αιωρήματα από την θάλασσα της Μεσογείου), σωματιδίων σκόνης (μεταφορά αιωρημάτων από την έρημο της Σαχάρα και τοπικές πηγές σκόνης) και αερολυμάτων από ανθρωπογενείς εκπομπές από τοπικές και μεγάλης απόστασης πηγές (Barnaba and Gobbi, 2004). Την τελευταία δεκαετία έχουν πραγματοποιηθεί πολλές μελέτες για τα αιωρούμενα σωματίδια στην περιοχή της Μεσογείου (Luria et al., 1996; Pinker et al., 1997; Mihalopoulos et al., 1997; Paronis et al., 1998; Formenti et al., 2001a, b, 2002a, b; Lelieveld et al., 2002; Kouvarakis et al., 2002; Gerasopoulos et al., 2003; Balis et al., 2003a; Balis et al., 2004a; Papayannis et al., 2005b). Σύμφωνα με υπολογισμούς μοντέλων διάδοσης της ακτινοβολίας, προβλέπεται ότι το επίπεδα ακτινοβολίας στην περιοχή της Μεσογείου θα έχουν την μεγαλύτερη αβεβαιότητα λόγω των θειικών αιωρημάτων που εκλύονται στην περιοχή (Charlson et al., 1991; Kiehl and Rodhe, 1995; Boucher and Anderson, 1995). Η συσσώρευση των αιωρούμενων σωματιδίων στην περιοχή και η ισχυρή οπισθοσκέδαση λόγω αυξημένων συγκεντρώσεων ευνοείται από τις μετεωρολογικές συνθήκες, ιδιαίτερα αυτές που επικρατούν στην Ανατολική Μεσόγειο. Οι συγκεντρώσεις των ιχνηθετών αερίων ρύπων και των αιωρούμενων σωματιδίων στην περιοχή είναι διπλάσιες με δεκαπλάσιες των αντίστοιχων συγκεντρώσεων πάνω από τον Βόρειο Ειρηνικό Ωκεανό, ο οποίος θεωρείται η λιγότερο ρυπασμένη περιοχή στα μέσα Βόρεια γεωγραφικά πλάτη (Lelieveld et al., 2002). Στην περιοχή της Ανατολικής Μεσογείου, το Αιγαίο Πέλαγος και οι παραλιακές περιοχές της ηπειρωτικής Ελλάδας βρίσκονται σε μία γεωγραφική θέση όπου εκτός από τις τοπικές πηγές αιωρημάτων παρατηρείται μεταφορά αιωρούμενων σωματιδίων από απομακρυσμένες πηγές, όπως τα θαλάσσια αιωρήματα, τα σωματίδια σκόνης από την Σαχάρα και τα ανθρωπογενή αιωρήματα που προέρχονται από εξαιρετικά πολυπληθή αστικά κέντρα και βιομηχανικές περιοχές της Κεντρικής και Ανατολικής Ευρώπης, όπως και σωματίδια καπνού που προέρχονται από καύσεις βιομάζας στις γειτονικές περιοχές (Formenti et al., 2002a; 2002b; Balis et al., 2003a). Στην ελεύθερη τροπόσφαιρα της περιοχής, η σωματιδιακή ρύπανση από βιομηχανικά κέντρα της Ευρώπης είναι κατά κύριο λόγο υπεύθυνη για τη μείωση της ποιότητας του ατμοσφαιρικού αέρα, ιδιαίτερα τους καλοκαιρινούς μήνες, όπου η

88 88 τροποσφαιρική ρύπανση επηρεάζεται από μεταφορά σωματιδίων μεσαίας κλίμακας (Eisinger and Burrows, 1998; Zerefos et al., 2000; Lelieveld et al., 2002; Balis et al., 2003a; Balis et al., 2004a) και πιθανά διηπειρωτικής κλίμακας (Papayannis and Tsaknakis, 2005a). Τα αιωρούμενα σωματίδια είναι από τις πιο σημαντικές παραμέτρους στην Ατμοσφαιρική Φυσική, αλλά υπάρχουν μεγάλα ερωτηματικά στην επιστημονική κοινότητα σχετικά με τις μικροφυσικές ιδιότητές τους και την επίδραση που προκαλούν στο κλίμα. Μεγάλα κενά υπάρχουν κυρίως για την κατακόρυφη κατανομή των αιωρούμενων σωματιδίων. Η πληροφορία αυτή είναι ουσιώδης όσον αφορά την επίδραση των αιωρημάτων στο ισοζύγιο της ακτινοβολίας (Kaufman and Fraser, 1997a; Kaufman et al., 1997b). Οι επίγειες μετρήσεις μας δίνουν πληροφορίες για τις φυσικές και οπτικές ιδιότητες των αιωρούμενων σωματιδίων, αλλά δεν μπορούν να εκτιμήσουν την μεταβολή τους με το ύψος. Μετρήσεις με αεροπλάνα μπορούν να μας δώσουν την πληροφορία για τις οπτικές ιδιότητες των σωματιδίων σε συγκεκριμένα ύψη, αλλά όχι για μεγάλα χρονικά διαστήματα. Αντίθετα, οι μετρήσεις lidar μας παρέχουν την πλήρη πληροφορία για την κατακόρυφη κατανομή των οπτικών ιδιοτήτων των αιωρούμενων σωματιδίων με μεγάλη χωρική και χρονική ανάλυση. Με την μέθοδο lidar είναι δυνατόν να υπολογιστούν οι οπτικές ιδιότητες των αιωρούμενων σωματιδίων ξεχωριστά στο οριακό στρώμα, όπου τα αιωρήματα εκπέμπονται κατά κύριο λόγο από τοπικές πηγές και στην ελεύθερη τροπόσφαιρα όπου συχνά έχουμε μεταφορά μέσης και μεγάλης κλίμακας (Wandinger et al., 2002a; Mattis et al., 2004; Matthias et al., 2004b, Müller et al, 2004, Papayannis and Tsaknakis, 2005a). Την τελευταία δεκαετία έχουν πραγματοποιηθεί διάφορες καμπάνιες μετρήσεων πεδίου για τον χαρακτηρισμό των φυσικών και οπτικών ιδιοτήτων των αιωρούμενων σωματιδίων. Τα περισσότερα από τα πειράματα αυτά επικεντρώθηκαν σε περιοχές όπου συμβαίνουν μεγάλα επεισόδια σωματιδιακής ρύπανσης. Για παράδειγμα, τα πειράματα TARFOX (Russell et al., 1999), INDOEX (Ramanathan et al., 2001), LACE 98 (Ansmann et al., 2002), ACE-1 και ACE-2 (Bates et al., 1998; Raes et al., 2000), επικεντρώθηκαν στην σωματιδιακή ρύπανση από ηπειρωτικές περιοχές, ενώ τα SCAR-B (Kaufman et al., 1998) και SAFARI (Swap et al., 2002) στην ρύπανση από καύσεις βιομάζας. Στα πειράματα αυτά καταγράφηκαν δεδομένα σχετικά με την κατακόρυφη κατανομή των οπτικών παραμέτρων των αιωρούμενων σωματιδίων (Ferrare et al., 2000; Masonis et al., 2002; Wandinger et al., 2002a). Το πείραμα ACE- Asia, το οποίο συμπεριλιέλαβε και μετρήσεις lidar, ήταν. ένα από τα μεγαλύτερα πει-

89 89 ράματα που είχε σαν στόχο τον χαρακτηρισμό των αιωρούμενων σωματιδίων (Murayama et al., 2001) και ειδικότερα τον χαρακτηρισμό των ανθρωπογενών αιωρούμενων σωματιδίων και σωματιδίων σκόνης από ερήμους. Η πρώτη οργανωμένη προσπάθεια για την πραγματοποίηση μακροχρόνιων συστηματικών μετρήσεων lidar στην Ευρωπαϊκή ήπειρο ξεκίνησε το 1997 οπότε και δημιουργήθηκε το Γερμανικό δίκτυο lidar (German Lidar Network, Bösenberg et al., 2001) που αποτελείτο από 5 σταθμούς στην Γερμανία και κάλυπτε μία γεωγραφική περιοχή μερικών εκατοντάδων χιλιομέτρων. Καμία άλλη προσπάθεια δεν είχε καταγραφεί για την μακροχρόνια και συστηματική καταγραφή κατακόρυφων κατανομών των ιδιοτήτων των αιωρούμενων σωματιδίων σε διηπειρωτική κλίμακα, μέχρι την έ- ναρξη του EARLINET (Bösenberg et al., 2003). Οι μετρήσεις των οπτικών ιδιοτήτων των αιωρούμενων σωματιδίων με την τεχνική lidar, με την μεγάλη χωρική και χρονική ανάλυση παρέχουν λεπτομερείς πληροφορίες για την παρουσία, την έκταση και την ανάπτυξη των κατακόρυφων δομών και στρωματώσεων στην ατμόσφαιρα. Όπως προαναφέρθηκε ο προσδιορισμός της κατακόρυφης κατανομής του λόγου lidar είναι εφικτός με την τεχνική Raman μέσω της οποίας είναι δυνατός ο ταυτόχρονος και ανεξάρτητος προσδιορισμός της κατακόρυφης κατανομής των συντελεστών εξασθένισης και οπισθοσκέδασης (Ansmann et al., 1992). Ο λόγος lidar περιέχει πληροφορίες για τον τύπο των αιωρούμενων σωματιδίων, μιας και η συγκεκριμένη οπτική ιδιότητα εξαρτάται από τον δείκτη διάθλασης και την κατανομή μεγεθών των αιωρούμενων σωματιδίων (Ackermann, 1998). Η κλιματολογία του λόγου lidar έχει μεγάλη σημασία μιας και τα περισσότερα επίγεια αλλά και δορυφορικά lidar (π.χ. CALΙPSO) που έχουν προγραμματιστεί να λειτουργήσουν, είναι lidar απλής οπισθοσκέδασης και, επομένως, για την αντιστροφή των σημάτων και τον υπολογισμό του συντελεστή εξασθένισης των αερολυμάτων χρειάζονται σαν δεδομένο εισόδου τον λόγο lidar (βλ. Κεφ. 2). Στο κεφάλαιο αυτό θα παραθέσουμε τα στατιστικά αποτελέσματα ως προς τις οπτικές ιδιότητες των αιωρούμενων σωματιδίων όπως αυτές μετρήθηκαν με το σύστημα UV-Raman lidar του ΕΦΑ στην Θεσσαλονίκη, από τον Ιανουάριο του 2001 έως τον Δεκέμβριο του Οι μετρήσεις lidar συγκρίνονται με αντίστοιχες μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν με το φασματοφωτόμετρο Brewer του εργαστηρίου του ΕΦΑ. Κατόπιν, εξετάζονται ξεχωριστά οι οπτικές ιδιότητες των αιωρούμενων σωματιδίων στο οριακό στρώμα και την ελεύθερη τροπόσφαιρα. Παρατίθενται επίσης οι μέσες κατακόρυφες κατανομές του λόγου lidar και των συντελεστών εξασθένισης και

90 90 οπισθοσκέδασης για τα 4 χρόνια των μετρήσεών μας. Εξετάζεται, τέλος, η εποχική διακύμανση των μεγεθών αυτών, και η εξάρτηση του οπτικού βάθους και του λόγου lidar από την προέλευση των αερίων μαζών Πειραματικά αποτελέσματα και ανάλυση δεδομένων Όπως προαναφέρθηκε, οι μετρήσεις που παρουσιάζουμε εδώ, πραγματοποιήθηκαν στην Θεσσαλονίκη από τον Ιανουάριο του 2001 έως τον Δεκέμβριο του 2004 στα πλαίσια του Ευρωπαϊκού προγράμματος EARLINET. Η στατιστική ανάλυση αφορά μόνο τις μετρήσεις με την μέθοδο Raman οι οποίες πραγματοποιούνται τις απογευματινές ώρες για την αποφυγή του έντονου ατμοσφαιρικού υποβάθρου (κάθε Δευτέρα και Πέμπτη απόγευμα). Η κάθε μέτρηση διαρκεί από 30 έως 60 λεπτά. Εκτός από τις συστηματικές κλιματολογικές μετρήσεις, στο ΕΦΑ πραγματοποιούνται μετρήσεις lidar κατά την διάρκεια επεισοδίων ρύπανσης, όπως η μεταφορά σκόνης από την έρημο της Σαχάρα, η μεταφορά ηφαιστειακής σκόνης από το ηφαίστειο της Έτνα, ή η μεταφορά σωματιδίων καπνού από γειτονικές πυρκαγιές και καύσεις βιομάζας. Στα 4 χρόνια λειτουργίας lidar του ΕΦΑ, υπήρξαν ημέρες όπου δεν πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις λόγω μη ευνοϊκών καιρικών συνθηκών που δεν επιτρέπουν την λειτουργία του οργάνου (βροχόπτωση, ισχυρός βόρειος άνεμος, συνθήκες πλήρους νεφοκάλυψης, ομίχλη). Στις συνολικά 88 μετρήσεις Raman lidar που επεξεργασθήκαμε, εντοπίσαμε 29 περιπτώσεις με πιθανή μεταφορά σκόνης από την έρημο της Σαχάρα (σύμφωνα με τις προβλέψεις του μοντέλου μεταφοράς DREAM (Nickovic, 2001). Από τις 29 ημέρες που είχαμε ένδειξη για μεταφοράς σκόνης από την Σαχάρα στην ελεύθερη τροπόσφαιρα της Θεσσαλονίκης, μόνο για τις 17 περιπτώσεις επιβεβαιώθηκε ότι η προέλευση των αερίων μαζών ήταν η περιοχή της ερήμου Σαχάρα, σύμφωνα με ανάλυση μετεωρολογικών δεδομένων για τον υπολογισμό των οπισθοτροχιών των αερίων μαζών με χρήση του μοντέλου HYSPLIT (Draxler and Hess, 1997). Παρατηρήθηκαν επίσης 6 περιπτώσεις μεταφοράς αερολυμάτων καπνού από καύση βιομάζας σε γειτονικές περιοχές και μία περίπτωση μεταφοράς ηφαιστειακής σκόνης από την Έτνα. Για τις 88 περιπτώσεις των μετρήσεων Raman lidar, υπολογίσαμε το οπτικό βάθος στα 355nm με την ολοκλήρωση της κατακόρυφης κατανομής του συντελεστή εξασθένισης των αερολυμάτων. Για την περιοχή της μη πλήρους επικάλυψης της δέ-

91 91 σμης του laser με το οπτικό πεδίο του τηλεσκοπίου, θεωρήσαμε ότι ο συντελεστής εξασθένισης είναι ίσος με εκείνον που υπολογίστηκε για το χαμηλότερο από τα ύψη της περιοχής υψών πλήρους επικάλυψης. Αυτή είναι εν γένει μια λογική υπόθεση, μιας και το οριακό στρώμα είναι ακόμη ανεπτυγμένο τις απογευματινές ώρες. Η υπόθεση αυτή χρησιμοποιείται γενικά στις μελέτες με την μέθοδο lidar (Mattis et al, 2004; Matthias et al, 2004b). Στην ανάλυσή μας εξετάζονται, επίσης, οι κατακόρυφες κατανομές του λόγου lidar. Ο λόγος lidar αποτελεί μία ένδειξη για το είδος και την προέλευση των αερολυμάτων, καθόσον εξαρτάται από τον δείκτη διάθλασης και την κατανομή μεγεθών των αιωρούμενων σωματιδίων. Μέσες τιμές του λόγου lidar υπολογίστηκαν για κάθε ημέρα και για ύψη μεγαλύτερα των 1000 m κατά μέσο όρο, όπου έχουμε πλήρη επικάλυψη της δέσμης του laser και του οπτικού πεδίου του τηλεσκοπίου. Στο Σχήμα 3-1 παρουσιάζουμε την εποχική διακύμανση του οπτικού βάθους και του μέσου λόγου lidar των αερολυμάτων για τα 4 χρόνια των μετρήσεών μας (Amiridis et al., 2005a). Aerosol Optical Depth days gliding average 355nm Lidar Ratio (sr) Julian Day Σχήμα 3-1: Εποχική διακύμανση του οπτικού βάθους και του μέσου λόγου lidar των αερολυμάτων για 4 χρόνια μετρήσεων Raman lidar ( ) στην Θεσσαλονίκη (Amiridis et al., 2005a)

92 92 Στο Σχήμα 3-1 παρουσιάζεται, επίσης, ο κυλιόμενος μέσος όρος 15 ημερών για το οπτικό βάθος και τον λόγο lidar των αερολυμάτων. Παρατηρούμε ότι το οπτικό βάθος παρουσιάζει μια εποχικότητα με μέγιστες τιμές περίπου ίσες με 1.0 το καλοκαίρι και ελάχιστες τιμές της τάξεως του 0.2 το φθινόπωρο. Η μέση τιμή του οπτικού βάθους για τα 4 χρόνια των παρατηρήσεών μας βρέθηκε ίση με. Τα αποτελέσματα συμφωνούν με τους υπολογισμούς των Kazadzis et al. (2005), που βασίστηκαν σε 7 χρόνια μετρήσεις του οπτικού βάθους με το φασματοφωτόμετρο Brewer του ΕΦΑ. Η μέση τιμή του λόγου lidar βρέθηκε ίση με 40 ± 21sr. Οι λόγοι lidar κυμαίνονταν μεταξύ των 20 και 0.63± sr. Ο λόγος lidar παρουσιάζει, επίσης, μία εποχική διακύμανση (μεγαλύτερες τιμές παρουσιάζονται κατά τους καλοκαιρινούς μήνες), αλλά όχι τόσο έντονη όσο η αντίστοιχη του οπτικού βάθους. Στο συγκριτικό διάγραμμα του Σχήματος 3-2 παρουσιάζουμε τα οπτικά βάθη των αερολυμάτων για τις ημέρες που είχαμε απογευματινές μετρήσεις lidar σε σχέση με τα αντίστοιχα μέσα ημερήσια οπτικά βάθη που υπολογίστηκαν με το φασματοφωτόμετρο Brewer του ΕΦΑ (Amiridis et al., 2005a) correlation coefficient = 0.82 Y = X 355nm LIDAR Aerosol Optical Depth BREWER Aerosol Optical Depth Σχήμα 3-2: Συγκριτικό διάγραμμα για τα οπτικά βάθη των αερολυμάτων από την μέθοδο lidar σε σχέση με τα αντίστοιχα μέσα ημερήσια οπτικά βάθη από το φασματοφωτόμετρο Brewer του ΕΦΑ, για τα 4 χρόνια μετρήσεων Raman lidar ( ) στην Θεσσαλονίκη (Amiridis et al., 2005a)

93 93 Οι μέθοδοι μέτρησης της ολικής ακτινοβολίας και υπολογισμού του οπτικού βάθους με το φασματοφωτόμετρο Brewer του ΕΦΑ έχουν καταγραφεί επαρκώς στην βιβλιογραφία (Bais et al., 1996; Marenco et al., 1997; Kazadzis et al., 2005). Οι δύο διαφορετικές μέθοδοι υπολογισμού του οπτικού βάθους δείχνουν καλή συμφωνία και ο συντελεστής συσχέτισης βρέθηκε ίσος με Το γεγονός αυτό ισχυροποιεί την υπόθεση που κάνουμε για τον συντελεστή εξασθένισης στην περιοχή μη πλήρους ε- πικάλυψης της δέσμης του laser και του οπτικού πεδίου του τηλεσκοπίου. Από το Σχήμα 3-2 μπορούμε επίσης να δούμε ότι η συμφωνία μεταξύ των δύο μεθόδων είναι καλύτερη για μικρά οπτικά βάθη. Αυτό συμβαίνει γιατί για τις ημέρες με μικρό οπτικό βάθος η ημερήσια μεταβλητότητα της παραμέτρου είναι μικρή. Μεγαλύτερες διαφορές μεταξύ των δύο μεθόδων παρατηρούνται για ημέρες με μεγάλα οπτικά βάθη λόγω της μεγάλης διακύμανσης που παρουσιάζει η παράμετρος κατά την διάρκεια της ημέρας. Παρόμοια συμπεράσματα βρέθηκαν και σε άλλες μελέτες όπου επιχειρήθηκαν αντίστοιχες συγκρίσεις των δύο μεθόδων (Mattis et al., 2004; Takamura et al., 1994). Υπάρχουν πολλά παραδείγματα στο σύνολο των δεδομένων μας όπου παρατηρείται μεταφορά σκόνης από την έρημο Σαχάρα και όπου η μεταβλητότητα στην στρωμάτωση και τον φόρτο των σωματιδίων αυτών ήταν πολύ μεγάλη κατά την διάρκεια της ημέρας. Για να εκτιμήσουμε την συνεισφορά των αιωρούμενων σωματιδίων της ελεύθερης τροπόσφαιρας στο συνολικό οπτικό βάθος της ατμοσφαιρικής στήλης, υπολογίσαμε τα οπτικά βάθη για το ΑΟΣ και την ελεύθερη τροπόσφαιρα ξεχωριστά. Οι υ- πολογισμοί έγιναν με την καθ ύψος ολοκλήρωση του συντελεστή εξασθένισης για ύψη κάτω και πάνω από το ύψος του ΑΟΣ. Για τον υπολογισμό του ύψους του ΑΟΣ στις εφαρμογές lidar χρησιμοποιούνται σαν ιχνηθέτες τα αιωρούμενα σωματίδια. Από την κατακόρυφη κατανομή ενός σήματος lidar μπορεί να βρεθεί το ύψος εκείνο κάτω από το οποίο παρατηρούνται οι μεγαλύτερες συγκεντρώσεις αιωρούμενων σωματιδίων. Η κύρια πηγή των ατμοσφαιρικών αιωρημάτων βρίσκεται στην επιφάνεια της Γης με αποτέλεσμα η συγκέντρωση τους στο ΑΟΣ να είναι πολύ μεγαλύτερη εκείνης της ελεύθερης τροπόσφαιρας και να προκαλείται μέσα σε αυτό μεγαλύτερη σκέδαση του φωτός της πηγής laser. Έτσι, ένα lidar μπορεί εύκολα να ανιχνεύσει το σύνορο μεταξύ των δυο στρωμάτων (Matthias and Bösenberg, 2002; Bösenberg et al., 2003). Ο προσδιορισμός του ύψους του ΑΟΣ από ένα σήμα lidar γίνεται μέσω του υπολογισμού της πρώτης παραγώγου του σήματος ως προς το ύψος. Θεωρείται ως ύψος του

94 94 ΑΟΣ το ύψος του πρώτου ελαχίστου της παραγώγου. Το ελάχιστο της παραγώγου υποδεικνύει την απότομη μείωση της οπισθοσκέδασης από τα αιωρούμενα σωματίδια λόγω της μείωσης της συγκέντρωσής τους στο ύψος αυτό αλλά και λόγω της μείωσης της σχετικής υγρασίας που γενικά είναι μεγαλύτερη μέσα στο ΑΟΣ. Η μέθοδος είναι σχετικά απλή, έχει χρησιμοποιηθεί για πολλά χρόνια στις εφαρμογές lidar (Russell et al., 1974; Flamant et al., 1997; Menut et al., 1999) και έχει επικυρωθεί μέσω συγκρίσεων με άλλες μεθόδους προσδιορισμού του ύψους του οριακού στρώματος δείχνοντας καλή συμφωνία ιδιαίτερα κάτω από συνθήκες ισχυρής ανάμειξης (Coulter et al., 1979; Kaimal et al., 1982). Η μέθοδος μπορεί να εφαρμοστεί επίσης και για ύψη που βρίσκονται στην περιοχή μη πλήρους επικάλυψης της δέσμης του laser με το οπτικό πεδίο του τηλεσκοπίου, αν εφαρμοστούν διορθώσεις στο σήμα (Wandinger and Ansmann, 2002). Σύμφωνα με τους υπολογισμούς μας για τα 4 χρόνια των μετρήσεων lidar στην Θεσσαλονίκη, το ύψος του οριακού στρώματος κυμάνθηκε από 890 σε 2900m και το μέσο ύψος βρέθηκε ίσο με 1500 ± 560m. Στην εργασία τους οι Matthias et al., (2004b), βρήκαν ότι το μέσο ύψος του οριακού στρώματος στην Θεσσαλονίκη ήταν ίσο με 1363± 416m, βασιζόμενοι παρόλα αυτά σε μετρήσεις lidar που πραγματοποιήθηκαν μεταξύ των ετών 2001 και Η μέθοδος προσδιορισμού του ύψους του ΑΟΣ με την μέθοδο lidar μπορεί να αποτύχει σε περιπτώσεις που επικρατούν ειδικές τοπικές συνθήκες αέριας κυκλοφορίας όπως η θαλάσσια αύρα. Επιπλέον, στις μετρήσεις που επεξεργαστήκαμε στην εργασία αυτή βρέθηκαν αρκετές ημέρες για τις οποίες ο προσδιορισμός του ύψους του ΑΟΣ δεν ήταν εφικτός λόγω της μη πλήρους επικάλυψης της δέσμης του laser και του οπτικού πεδίου του τηλεσκοπίου που σε πολλές περιπτώσεις έφτανε και τα 1500m, ακόμη και όταν ε- φαρμόζονταν οι αντίστοιχες διορθώσεις. Οι Matthias et al., (2004b), σε μια στατιστική ανάλυση δεδομένων Raman lidar από 10 σταθμούς του EARLINET (συμπεριλαμβανομένης της Θεσσαλονίκης) υπολόγισαν οπτικά βάθη ολοκληρώνοντας τον συντελεστή εξασθένισης για ύψη μεγαλύτερα και μικρότερα των 2000m. Σύμφωνα με την εργασία αυτή, οι υπολογισμοί με όριο τα 2000m δεν διέφεραν πολύ από τους αντίστοιχους υπολογισμούς με όριο το ύψος του ΑΟΣ όπως αυτό βρέθηκε από τα σήματα lidar. Για την Θεσσαλονίκη οι διαφοροποιήσεις στους υπολογισμούς του οπτικού βάθους του οριακού στρώματος ήταν της τάξης του 0.1. Για την Θεσσαλονίκη ο υπολογισμός του ύψους του ΑΟΣ με την μέθοδο lidar δεν είναι τόσο απλός λόγω της πολύπλοκης στρωμάτωσης που παρατηρείται στην ατμόσφαιρα της πόλης. Οι συχνές θα-

95 95 λάσσιες αύρες και η παρουσία στρωματώσεων σκόνης από την Σαχάρα σε ύψη μικρότερα ακόμη και των 2000m λόγω της σχετικά μικρής απόστασης που διανύουν τα σωματίδια από την έρημο (Papayannis et al., 2001; Kalabokas et al., 2002), κάνουν ακόμη πιο δύσκολο τον υπολογισμό του ύψους του ΑΟΣ. Στην εργασία τους οι Matthias et al., (2004b), κατέδειξαν την δυσκολία του υπολογισμού του ύψους του ΑΟΣ και υποστήριξαν την επιπρόσθετη μελέτη των οπτικών ιδιοτήτων σε περιοχές υψών μικρότερες και μεγαλύτερες των 2000m. Στην δική μας ανάλυση θεωρήσαμε το όριο των 2000m και υπολογίσαμε τα οπτικά βάθη για ύψη μικρότερα και μεγαλύτερα από αυτό θεωρώντας ότι αντιστοιχούν στο ΑΟΣ και την ελεύθερη τροπόσφαιρα αντίστοιχα. Στο Σχήμα 3-3 παρουσιάζονται, ξεχωριστά, οι εποχικές διακυμάνσεις των οπτικών βαθών για το ΑΟΣ και την ελεύθερη τροπόσφαιρα (Amiridis et al., 2005a). FT Aerosol Optical Depth days gliding average 355nm PBL Aerosol Optical Depth Julian Day Σχήμα 3-3: Εποχική διακύμανση του οπτικού βάθους στο οριακό στρώμα και την ελεύθερη τροπόσφαιρα για τα 4 χρόνια μετρήσεων Raman lidar ( ) στην Θεσσαλονίκη (Amiridis et al., 2005a)

96 96 Τα αιωρούμενα σωματίδια της ελεύθερης τροπόσφαιρας βρέθηκε ότι συνεισφέρουν στο οπτικό βάθος της ατμοσφαιρικής στήλης από 3% (καθαρή ελεύθερη τροπόσφαιρα) έως και 54% (κυρίως επεισόδια μεταφοράς σκόνης από την Σαχάρα), ενώ η μέση συνεισφορά βρέθηκε ίση με 30%. Στα δεδομένα εφαρμόστηκε ένας κυλιόμενος μέσος όρος 15 ημερών που επίσης παρουσιάζεται στα διαγράμματα του Σχήματος 3-3. Παρατηρούμε ότι η διακύμανση των οπτικών βαθών στο οριακό στρώμα είναι μεγάλη, αλλά δεν δείχνει να υφίσταται κάποια εποχικότητα, αν εξαιρέσουμε ένα μικρό μέγιστο κατά το καλοκαίρι. Τα αποτελέσματα είναι λίγο διαφορετικά από τα αντίστοιχα που υπολογίστηκαν για την Θεσσαλονίκη από τους Matthias et al. (2004b), αν και σε εκείνη τη εργασία είχαν χρησιμοποιηθεί δεδομένα lidar για 2 έτη ( ). Το γεγονός αυτό δείχνει την αναγκαιότητα για μακροχρόνιες συστηματικές μετρήσεις lidar. Οι τοπικές και περιφερειακές ανθρωπογενείς πηγές των αιωρούμενων σωματιδίων στο ΑΟΣ δεν αναμένεται να έχουν σημαντική εποχικότητα και η μικρή μεταβλητότητα που παρουσιάζει το οπτικό βάθος του ΑΟΣ σχετίζεται με την διακύμανση των μετεωρολογικών παραμέτρων και της μεταφοράς αιωρούμενων σωματιδίων από απομακρυσμένες πηγές σε μερικές των περιπτώσεων. Το οπτικό βάθος στην ελεύθερη τροπόσφαιρα παρουσιάζει πιο έντονη εποχικότητα με δύο εμφανή διακριτά μέγιστα κατά την διάρκεια της άνοιξης και του καλοκαιριού. Η συμπεριφορά αυτή μπορεί να αποδοθεί (α) στην εποχικότητα που παρουσιάζουν τα επεισόδια μεταφοράς σκόνης από την έρημο της Σαχάρα που για την Ανατολική Μεσόγειο συμβαίνουν πιο συχνά κατά τους πρώτους μήνες της άνοιξης (Moulin et al., 1998) και (β) στις αυξημένες εκπομπές αιωρούμενων σωματιδίων από καύσεις βιομάζας που παρατηρούνται συχνά κατά τον Αύγουστο, όπως και στους επικρατούντες ΒορειοΑνατολικούς ανέμους κατά τους καλοκαιρινούς μήνες στην Θεσσαλονίκη που μεταφέρουν σωματιδιακή ρύπανση από περιοχές όπως τα Ανατολικά Βαλκάνια (Balis et al., 2003a). Στο διάγραμμα του Σχήματος 3-4 παρουσιάζονται οι μέσες κατακόρυφες κατανομές των συντελεστών εξασθένισης και οπισθοσκέδασης και του λόγου lidar για τα 4 χρόνια των μετρήσεων στην Θεσσαλονίκη. Η χωρική ανάλυση των κατακόρυφων κατανομών είναι ίση με 500m. Οι τυπικές αποκλίσεις αντιπροσωπεύουν την α- τμοσφαιρική μεταβλητότητα των παραμέτρων στα 4 χρόνια των μετρήσεων. Ο μέσος συντελεστής εξασθένισης δείχνει να μειώνεται εκθετικά με το ύψος. Στην κατακόρυφη κατανομή αυτή εφαρμόσαμε μία προσέγγιση εκθετικής μείωσης και βρήκαμε ότι η υψομετρική κλίμακα για την συνάρτηση προσέγγισης ήταν ίση με 1802 m. Η τιμή αυ-

97 97 τή για την υψομετρική κλίμακα υποστηρίζει την υπόθεσή μας ότι τα 2000m είναι ένα αντιπροσωπευτικό ύψος για την Θεσσαλονίκη, κάτω από το οποίο βρίσκουμε τις μεγαλύτερες συγκεντρώσεις αιωρούμενων σωματιδίων. Το μέσο προφίλ του συντελεστή εξασθένισης που βρέθηκε από τις μετρήσεις μας διαφέρει κατά πολύ, τόσο στην μορφή όσο και στις τιμές που παίρνει ο συντελεστής, από το αντίστοιχο τυπικό προφίλ του Elterman (Elterman, 1968) που χρησιμοποιείται από μοντέλα διάδοσης ακτινοβολίας και που παρατίθεται επίσης για σύγκριση στο Σχήμα 3-4. Ακολούθως, οι μετρήσεις lidar μπορούν να χρησιμοποιηθούν σαν δεδομένα εισόδου σε υπολογισμούς μοντέλων για την πιο αξιόπιστη προσομοίωση των ατμοσφαιρικών συνθηκών (Guibert et al., 2005) exponential fit Elterman's profile Exponential Fit E = a*exp(-h/b) a = ± b = ± nm Height (m) x x x Extinction Coefficient (m -1 ) Backscatter Coefficient (m -1 sr -1 ) Lidar Ratio (sr) Σχήμα 3-4: Μέσες κατακόρυφες κατανομές των συντελεστών εξασθένισης και οπισθοσκέδασης και του λόγου lidar για 4 χρόνια μετρήσεων Raman lidar ( ) στην Θεσσαλονίκη (Amiridis et al., 2005b) Από τις κατακόρυφες κατανομές των συντελεστών εξασθένισης και οπισθοσκέδασης του Σχήματος 3-4 παρατηρούμε, επίσης, μία μέση στρωμάτωση που παρουσιάζεται σε ύψη μεγαλύτερα από 6000m. Από την ανάλυσή μας βρέθηκε ότι η στρωμάτωση αυτή οφείλεται αποκλειστικά στην μεταφορά σκόνης από την έρημο της Σαχάρα, μιας και αν απομονώσουμε από την άθροιση τις 17 ημέρες τέτοιων επεισοδίων, η στρωμάτωση εξαφανίζεται. Οι παρατηρήσεις μας είναι συμβατές με την ανά-

98 98 λυση που πραγματοποιήθηκε από τους Papayannis et al., (2005b) και αφορούσε την κατακόρυφη κατανομή των αιωρούμενων σωματιδίων κατά την διάρκεια επεισοδίων μεταφοράς σκόνης από την Σαχάρα. Από τη μέση κατακόρυφη κατανομή του λόγου lidar παρατηρείται μία αύξηση των τιμών για ύψη μικρότερα των 1500 m. Αυτό συμβαίνει γιατί η συγκεκριμένη περιοχή υψών συμπίπτει σε πολλές περιπτώσεις με το οριακό στρώμα, κυρίως κατά τις καλοκαιρινές μετρήσεις μας. Η ρύπανση από τις τοπικές πηγές θεωρείται υπεύθυνη για τις αυξημένες τιμές του λόγου lidar στο οριακό στρώμα. Οι ανεξάρτητες κατακόρυφες κατανομές του λόγου lidar παρουσιάζουν σε πολλές περιπτώσεις μεγάλη μεταβλητότητα με το ύψος και αυτό οφείλεται στην διαφορετική χωρική προέλευση των αιωρούμενων σωματιδίων με αποτέλεσμα την διαφορετική χημική σύστασή τους. Η μεταβλητότητα αυτή είναι υπεύθυνη για τις μεγάλες τυπικές αποκλίσεις που παριστάνονται με τις γραμμές σφαλμάτων στο Σχήμα 3-4. Όπως είδαμε από τα διαγράμματα του Σχήματος 3-1, ο λόγος lidar παρουσιάζει μια εποχική διακύμανση. Με σκοπό να διερευνήσουμε τους λόγους που προκαλούν αυτή την εποχικότητα, υπολογίσαμε τα μέσα προφίλ του λόγου lidar που αντιστοιχούν σε κάθε εποχή. Τα αποτελέσματά μας παρουσιάζονται στο Σχήμα 3-5: Winter Spring Summer Autumn 4000 Height (m) Lidar Ratio (sr) Σχήμα 3-5: Μέσες κατακόρυφες κατανομές του λόγου lidar για κάθε εποχή, για 4 χρόνια μετρήσεων Raman lidar ( ) στην Θεσσαλονίκη (Amiridis et al., 2005a)

99 99 Στο Σχήμα 3-5 είναι εμφανής η εξάρτηση του λόγου lidar από την εκάστοτε εποχή. Για ύψη μεγαλύτερα των 4000m, τα μέσα προφίλ του λόγου lidar δεν παρουσιάζουν κάποια εξάρτηση από την εποχή μιας και κυμαίνονται όλα γύρω από την τιμή των 40sr, με εξαίρεση το καλοκαιρινό προφίλ που παρουσιάζει λίγο μεγαλύτερες τιμές, γύρω στα 45sr. Το γεγονός αυτό μας δείχνει ότι για τα μεγάλα ύψη δεν υπάρχει μεταβολή του λόγου lidar με την εποχή και κατά συνέπεια έχουμε συγκεκριμένη σύσταση άρα και προέλευση σωματιδιακού φόρτου. Το γεγονός αυτό επιβεβαιώνεται και από την ανάλυση με την χρήση οπισθοτροχιών για ύψη μεγαλύτερα των 3000m, όπου βρέθηκε ότι οι αέριες μάζες έχουν κοινή προέλευση στις περισσότερες των ημερών (Δυτικοί και ΒορειοΔυτικοί άνεμοι). Το καλοκαιρινό μέσο προφίλ του λόγου lidar είναι μεγαλύτερο από το χειμερινό για ύψη μικρότερα των 4000m, όπου τα δύο προφίλ έχουν μέσες τιμές 29sr και 45sr αντίστοιχα, καθώς τα προφίλ για την άνοιξη και το φθινόπωρο κείτονται σε ενδιάμεσες τιμές. Για ύψη μικρότερα των 2000m παρατηρείται μια αύξηση των τιμών του λόγου lidar σε σχέση με μεγαλύτερα ύψη σχεδόν για όλες τις εποχές με μεγαλύτερη αύξηση κατά το καλοκαίρι και την άνοιξη. Η εμφανής αύξηση για τους καλοκαιρινούς μήνες σχετίζεται με το μεγαλύτερο ύψος του ΑΟΣ, μιας και στις περιπτώσεις αυτές μπορεί να παρατηρηθεί μείξη των αερίων μαζών της ελεύθερης τροπόσφαιρας και του ΑΟΣ. Στον Πίνακα 3-1 παρουσιάζουμε τις μέσες τιμές των οπτικών μεγεθών και την εποχική εξάρτησή τους για το στρώμα από 0 έως 2000m (ΑΟΣ) και την ελεύθερη τροπόσφαιρα (ΕΤ) ξεχωριστά: Πίνακας 3-1: Οπτικές ιδιότητες αιωρούμενων σωματιδίων ανά εποχή και για το στρώμα από 0 έως Οπτικές ιδιότητες αιωρούμενων σωματιδίων στα 355nm 2000m (ΑΟΣ) και την ελεύθερη τροπόσφαιρα (ΕT) ξεχωριστά Χειμώνας Άνοιξη Καλοκαίρι Φθινόπωρο Οπτικό βάθος 0.67 ± ± ± ± 0.19 Οπτικό βάθος (ΑΟΣ) 0.47 ± ± ± ± 0.19 Οπτικό βάθος (ΕT) 0.20 ± ± ± ± 0.08 Οπισθοσκέδαση ± ± ± ± Οπισθοσκέδαση (ΑΟΣ) ± ± ± ± Οπισθοσκέδαση (ΕT) ± ± ± ± Μέσος λόγος lidar 31.8 ± ± ± ± 21.3 Μέσος λόγος lidar (ΑΟΣ) 25.4 ± ± ± ± 24.6 Μέσος λόγος lidar (ΕT) 31.3 ± ± ± ± 15.8

100 100 Για την περαιτέρω διερεύνηση των διαφοροποιήσεων των λόγων lidar και του οπτικού βάθους στα διαφορετικά ατμοσφαιρικά στρώματα αναλύσαμε τα δεδομένα lidar με την χρήση οπισθοτροχιών αερίων μαζών για να βρούμε αν υπάρχει εξάρτηση των οπτικών ιδιοτήτων από την προέλευση της αέριας μάζας. AOD = Mean columnar aerosol optical 355nm AOD1 = Mean PBL aerosol optical 355nm AOD2 = Mean FT aerosol optical 355nm cluster 3 (7%) AOD = AOD1 = AOD2 = cluster 2 (24%) AOD = AOD1 = AOD2 = cluster 6 (27%) AOD = AOD1 = AOD2 = cluster 5 (30%) AOD = AOD1 = AOD2 = cluster 1 (6%) AOD = AOD1 = AOD2 = cluster 4 (6%) AOD = AOD1 = AOD2 = Σχήμα 3-6: Μέσες τροχιές όπως υπολογίστηκαν από την ανάλυσης κατά συστάδες καθώς και οι μέσες τιμές του οπτικού βάθους για κάθε μέση τροχιά, όπως και οι αντίστοιχοι υπολογισμοί για το ΑΟΣ και την ελεύθερη τροπόσφαιρα, για 4 χρόνια μετρήσεων Raman lidar ( ) στην Θεσσαλονίκη (Amiridis et al., 2005a) Στην εργασία μας χρησιμοποιήσαμε το μοντέλο υπολογισμού οπισθοτροχιών HYSPLIT για να υπολογίσουμε οπισθοτροχιές τεσσάρων ημερών για το ύψος άφιξης των 1500m πάνω από την Θεσσαλονίκη. Η πλήρης περιγραφή του μοντέλου HYSPLIT για τον υπολογισμό οπισθοτροχιών με την χρήση μετεωρολογικών δεδομένων της Εθνικής Μετεωρολογικής Υπηρεσίας των Ηνωμένων Πολιτειών ΕΤΑ είναι διαθέσιμη στην βιβλιογραφία (Draxler and Hess, 1997). Οι υπολογισμοί επιλέχθηκαν να γίνουν για το ύψος των 1500 m μιας και στο ύψος αυτό βρέθηκε ότι έχουμε το μέ-

101 101 γιστο για τον μέσο συντελεστή οπισθοσκέδασης (Σχήμα 3-4). Οι οπισθοτροχιές υπολογίστηκαν για τον χρόνο άφιξης των 19:00 UTC, που αντιστοιχεί κατά μέσο όρο στον χρόνο των απογευματινών μετρήσεων Raman που πραγματοποιήθηκαν στα πλαίσια της παρούσας διατριβής. Στα δεδομένα οπισθοτροχιών εφαρμόσαμε τον αλγόριθμο ανάλυσης κατά συστάδες (cluster analysis) που προτάθηκε από τους Dorling et al. (1992) για τον διαχωρισμό των οπισθοτροχιών σε μέσες τροχιές. Στα Σχήματα 3-6 και 3-7 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της ανάλυσης κατά συστάδες καθώς και οι μέσες τιμές του οπτικού βάθους και του λόγου lidar για κάθε μέση τροχιά, ό- πως και οι αντίστοιχοι υπολογισμοί για το ΑΟΣ και την ελεύθερη τροπόσφαιρα. LR = Mean columnar aerosol optical 355nm LR1 = Mean PBL aerosol optical 355nm LR2 = Mean FT aerosol optical 355nm cluster 3 (7%) LR = LR1 = LR2 = cluster 2 (24%) LR = LR1 = LR2 = cluster 6 (27%) LR = LR1 = LR2 = cluster 5 (30%) LR = LR1 = LR2 = cluster 1 (6%) LR = LR1 = LR2 = cluster 4 (6%) LR = LR1 = LR2 = Σχήμα 3-7: Μέσες τροχιές όπως υπολογίστηκαν από την ανάλυσης κατά συστάδες καθώς και οι μέσες τιμές του λόγου lidar για κάθε μέση τροχιά, όπως και οι αντίστοιχοι υπολογισμοί για το ΑΟΣ και την ελεύθερη τροπόσφαιρα, για 4 χρόνια μετρήσεων Raman lidar ( ) στην Θεσσαλονίκη (Amiridis et al., 2005a) Στον Πίνακα 3-2 παραθέτουμε τα κύρια χαρακτηριστικά των μέσων τροχιών, σημειώνοντας επίσης τις πηγές των αιωρούμενων σωματιδίων που αντιστοιχούν σε κάθε γεωγραφική περιοχή.

102 102 Πίνακας 3-2: Χαρακτηριστικά των επιμέρους συστάδων Συστάδα Κατεύθυνση Πιθανές πηγές Συστάδα 1 SW (ΝΔ) Σαχάρα Συστάδα 2 WNW (ΔΒΔ) Καθαρές θαλάσσιες αέριες μάζες από τα Δυτικά Συστάδα 3 NE (ΒΑ) Βαλκάνια, Ανατολική Ευρώπη, Καύσεις Βιομάζας Συστάδα 4 SSW (ΝΝΔ) Σαχάρα, Τοπική ρύπανση, Θαλάσσια αιωρήματα από την Μεσόγειο Συστάδα 5 NE (ΒΑ) Βαλκάνια, Ανατολική Ευρώπη, Καύσεις Βιομάζας Συστάδα 6 NW (ΒΔ) Κεντρική Ευρώπη, Ιταλία Ο αλγόριθμος ανάλυσης των αεροτροχιών κατά συστάδες αυτοπροσδιορίζει τον καταλληλότερο αριθμό των μέσων τροχιών ώστε η συνολική γεωμετρική διασπορά των επιμέρους ως προς τις μέσες τροχιές να είναι η μικρότερη. Για την Θεσσαλονίκη βρέθηκε ότι ο αριθμός των μέσων τροχιών είναι ίσος με έξι. Στο Σχήμα 3-6 παρατηρούμε ότι τα μικρότερα οπτικά βάθη, της τάξεως του 0.5, αντιστοιχούν στις συστάδες 2 και 3, όπου έχουμε γρήγορη μεταφορά από τον Ατλαντικό Ωκεανό και την Βόρεια Ρωσία αντίστοιχα. Η συνεισφορά των αιωρούμενων σωματιδίων της ελεύθερης τροπόσφαιρας στο συνολικό οπτικό βάθος είναι σχετικά μικρή για τις δύο αυτές συστάδες, κατά μέσο όρο μικρότερη από Οι ημέρες που ανήκουν στην συστάδα 2 αντιπροσωπεύουν το 25% των μετρήσεών μας, ενώ οι ημέρες που ανήκουν στην συστάδα 3, μόνο το 7%. Οι μεγαλύτερες τιμές του οπτικού βάθους παρατηρούνται στις ημέρες που ανήκουν στην συστάδα 4, όπου η μέση τιμή βρέθηκε ίση με Παρόλα αυτά, οι ημέρες που ανήκουν στην συστάδα 4 αντιπροσωπεύουν μόνο το 6% των μετρήσεών μας. Τα μετεωρολογικά συστήματα που επικρατούν στην συστάδα αυτή έχουν να κάνουν με τοπικές συνθήκες κυκλοφορίας και ο σωματιδιακός φόρτος για τις ημέρες αυτές αποδίδεται σε τοπικές κατά κύριο λόγο πηγές αλλά και στην μεταφορά σκόνης από την Σαχάρα σε κάποιες των περιπτώσεων. Τα οπτικά βάθη του ΑΟΣ και της ελεύθερης τροπόσφαιρας βρέθηκαν για την συστάδα 4 ίσα με 0.6 και 0.37 αντίστοιχα, και το γεγονός αυτό ενισχύει τις παραπάνω υποθέσεις μας. Για τις συστάδες 1 και 5 το μέσο οπτικό βάθος ήταν της τάξης του 0.7, και η συνεισφορά των σωματιδίων της ελεύθερης τροπόσφαιρας βρέθηκε μεγάλη. Στην συστάδα 1 ανήκουν οι ημέρες όπου έχουμε μεταφορά σκόνης από την έρημο της Σαχάρα. Παρατηρήθηκε για τις ημέρες αυτές ότι η συνεισφορά των αιωρούμενων σωματιδίων της ελεύθερης τροπόσφαιρας στο οπτικό βάθος ήταν της τάξης του 0.3, παρόμοια δηλαδή με αυτή των σωματιδίων του ΑΟΣ (0.4). Στην συστάδα 5 παρατη-

103 103 ρείται μεταφορά σωματιδίων από τα Βαλκάνια και την ανατολική Ευρώπη. Για το 30% των μετρήσεών μας που ανήκουν στην συστάδα αυτή το οπτικό βάθος της ελεύθερης τροπόσφαιρας βρέθηκε ίσο με 0.25, ενώ το οπτικό βάθος του ΑΟΣ 0.5. Σύμφωνα με την εργασία των Zerefos et al, (2000), οι συγκεντρώσεις του SO 2 για την Θεσσαλονίκη παρουσιάζουν εμφανή αύξηση όταν έχουμε μετεωρολογικά συνοπτικά συστήματα που δικαιολογούν μεταφορά από ΒορειοΑνατολικές περιοχές. Τα συνοπτικά αυτά συστήματα κυριαρχούν κατά τους καλοκαιρινούς μήνες, και στις περιοχές αυτές παρατηρείται επίσης καύση βιομάζας (π.χ. Balis et al., 2003a). Τέλος, ένα μεγάλο μέρος των μετρήσεών μας αντιστοιχεί στην συστάδα 6 ό- που παρατηρείται μεταφορά αερίων μαζών από την Κεντρική Ευρώπη. Το μέσο οπτικό βάθος είναι επίσης υψηλό για τις ημέρες αυτές (ο μέσος όρος βρέθηκε ίσος με 0.6), ενώ η τροποσφαιρική συνεισφορά βρέθηκε να είναι λιγότερο σημαντική από την αντίστοιχη των συστάδων 1 και 5. Η διαφορά μεταξύ των οπτικών βαθών της ελεύθερης τροπόσφαιρας μεταξύ των συστάδων 6 και 5 μπορεί να οφείλεται στις διαφορετικές πολιτικές ρύπανσης που ακολουθούνται στην Κεντρική και Ανατολική Ευρώπη, και τα διαφορετικά όρια για τις συγκεντρώσεις ρύπων που έχουν θεσπιστεί. Γενικά, τα οπτικά βάθη που παρατηρούνται στην Θεσσαλονίκη έχουν βρεθεί μεγαλύτερα από άλλων σταθμών του EARLINET (Matthias et al., 2004b). Μικρότερα οπτικά βάθη παρατηρήθηκαν ακόμη και σε σταθμούς του δικτύου με μεγάλο πληθυσμό και ισχυρή βιομηχανία. Το γεγονός αυτό δείχνει την σημασία της διασυνοριακής ρύπανσης για τον σωματιδιακό φόρτο της Θεσσαλονίκης. Η ανάλυση κατά συστάδες εφαρμόστηκε και για τους λόγους lidar και τα αποτελέσματα παρουσιάζονται στο Σχήμα 3-7. Μικρές τιμές των λόγων lidar βρέθηκε ότι σχετίζονται με την γρήγορη μεταφορά από ΝοτιοΔυτικές κατευθύνσεις (συστάδα 2). Μεγαλύτερες τιμές του λόγου lidar σχετίζονται με επεισόδια ρύπανσης με αντίστοιχα μεγάλα οπτικά βάθη όταν έχουμε μεταφορά από Νότιες και ΒορειοΑνατολικές διευθύνσεις (συστάδες 1, 4, 5). Για τις συστάδες 3 και 6, οι τιμές των οπτικών βαθών και των λόγων lidar είναι παρόμοιες, παρόλο που για την συστάδα 6 η μέση τροχιά δείχνει γρήγορη μεταφορά των αερίων μαζών ενώ για την συστάδα 3 παρατηρούνται περισσότερο στάσιμες μετεωρολογικές συνθήκες. Στην εργασία τους για τα επεισόδια μεταφοράς σκόνης από την Σαχάρα πάνω από την Θεσσαλονίκη (συστάδες 1 και 4 εδώ), οι Balis et al., (2004a), έδειξαν ότι οι λόγοι lidar κυμαίνονταν μεταξύ των 20 και 100sr. Οι παρατηρήσεις αυτές συμφωνούν με την ανάλυση που έγινε στην παρούσα εργασία, όπου στην συστάδα 1 παρατηρούνται γενικά μεγάλες τιμές του λόγου

104 104 lidar (κατά μέσο όρο μεταξύ 60 και της τάξης των 80sr ), ενώ στην συστάδα 4 οι λόγοι lidar ήταν 40sr. Οι Balis et al., (2004a), έδειξαν ότι υφίσταται μία σημαντική αντι-συσχέτιση μεταξύ των μέσων λόγων lidar και του μέσου χρωματικού δείκτη στις περιοχές υψών που παρατηρήθηκαν οι στρωματώσεις σκόνης από την Σαχάρα. Το γεγονός αυτό αποδόθηκε στην ηλικία της μελετούμενης αέριας μάζας, δεδομένου ότι τα μεγάλα σε μέγεθος σωματίδια σκόνης απομακρύνονται γρήγορα από την ατμόσφαιρα μέσω διαδικασιών ξηρής απόθεσης. Τα μεγάλα σωματίδια σκόνης δεν έχουν σφαιρικό σχήμα και οι μέσοι λόγοι lidar αναμένονται να είναι γύρω στα (π.χ. Ansmann et al., 2003). Η διαφορά μεταξύ των λόγων lidar που υπολογίζονται για την περίπτωση της σκόνης από τις ερήμους από τα μοντέλα (της τάξης των 35 sr ) και αυτών που πραγματικά μετρώνται στην ατμόσφαιρα, οφείλεται στις διαφορές της οπισθοσκέδασης από τα σφαιρικά και μη σφαιρικά σωματίδια (Mishchenko et al., 1997; Mattis et al., 2002). 80sr Τα μοντέλα στους υπολογισμούς για την σκέδαση θεωρούν σφαιρικά σωματίδια. Σύμφωνα με τους Balis et al., (2004a), μικρότερες τιμές του λόγου lidar σχετίζονταν με μεγαλύτερους χρωματικούς δείκτες και κατά συνέπεια μικρότερα σωματίδια. Σε αυτές οι αέριες μάζες τα μεγαλύτερα σωματίδια ( > 1μm ) είχαν ήδη αποσυρθεί κατά την μεταφορά τους. Τα αποτελέσματα της εργασίας που δημοσιεύθηκε πρόσφατα από τους Balis et al., (2004a), για την μεταφορά σκόνης από την Σαχάρα στην τροπόσφαιρα της Θεσσαλονίκης, αναλύονται στο Κεφάλαιο 4 που ακολουθεί. Τέλος, ο μέσος λόγος lidar που βρέθηκε για την συστάδα 6 ήταν της τάξης των 35sr, ο οποίος είναι κατά 10 sr μικρότερος αν τον συγκρίνουμε με τον μέσο λόγο lidar που έχει υπολογιστεί για αέριες μάζες με την ίδια προέλευση για άλλους σταθμούς του EARLINET Συμπεράσματα Στο κεφάλαιο αυτό παρουσιάσαμε τα αποτελέσματα της στατιστικής επεξεργασίας των μετρήσεων Raman lidar που πραγματοποιήθηκαν στην Θεσσαλονίκη από το 2001 έως το 2004 στα πλαίσια της παρούσας διατριβής. Για τις 88 ημέρες των μετρήσεών μας, υπολογίσαμε τις οπτικές ιδιότητες ξεχωριστά στο ΑΟΣ και την ελεύθερη τροπόσφαιρα. H σύγκριση μεταξύ των οπτικών βαθών που υπολογίσαμε με την μέθοδο lidar και των οπτικών βαθών που υπολογίστηκαν με το φασματοφωτόμετρο

105 105 Brewer του ΕΦΑ, έδειξε καλή συμφωνία μεταξύ των δύο μεθόδων μιας και ο συντελεστής συσχέτισης βρέθηκε ίσος με Στην χρονοσειρά των οπτικών βαθών βρέθηκε μία εποχική διακύμανση με μέγιστα που έφθαναν ακόμα και την μονάδα και που παρουσιάστηκαν, κυρίως, κατά τους πρώτους ανοιξιάτικους μήνες και το καλοκαίρι. Η εποχικότητα αυτή αποδόθηκε στον αυξημένο σωματιδιακό φόρτο που παρατηρείται στην ελεύθερη τροπόσφαιρα τις συγκεκριμένες χρονικές περιόδους λόγω μεταφοράς σκόνης από την Σαχάρα. Η αντίστοιχη χρονοσειρά για τους μέσους λόγους lidar έδειξε μία ασθενέστερη εποχική διακύμανση με μέγιστες τιμές της τάξης των 42 sr να παρατηρούνται το καλοκαίρι. Επίσης, υπολογίσαμε τα μέσα προφίλ των συντελεστών εξασθένισης και οπισθοσκέδασης όπως και του λόγου lidar για τα 4 χρόνια των μετρήσεων και βρήκαμε ότι παρουσιάζεται μία μέση στρωμάτωση στα 6000m, η οποία αποδίδεται στην μεταφορά σκόνης από την Σαχάρα. Η στατιστική ανάλυση των δεδομένων σε σχέση με την προέλευση των αερίων μαζών στην ελεύθερη τροπόσφαιρα κατέδειξε ότι τα μεγαλύτερα οπτικά βάθη στην Θεσσαλονίκη (0.7) παρουσιάζονται όταν έχουμε ΒορειοΑνατολικό ρεύμα. Ο μέσος λόγος lidar για την περίπτωση αυτή ήταν ίσος με 47sr. Οι μετρήσεις μας αποδόθηκαν στα μεγάλα επίπεδα ρύπανσης που έχουν καταμετρηθεί στα Βαλκάνια και την Ανατολική Ευρώπη. Η διασυνοριακή ρύπανση για την Θεσσαλονίκη είναι πολύ σημαντική όταν οι αέριες μάζες προέρχονται από τις ΒορειοΑνατολικές γειτονικές περιοχές, και οι συγκεκριμένες μετεωρολογικές συνθήκες επικρατούν κατά κύριο λόγο το καλοκαίρι. Τα Δυτικά ρεύματα χαρακτηρίζονται από μεγάλες ταχύτητες μεταφοράς και κατά κύριο λόγο καταβατικές κινήσεις στο κατακόρυφο λόγω των αντικυκλωνικών συνοπτικών συστημάτων στην Μεσόγειο. Για τις ημέρες που παρατηρήθηκε μεταφορά σωματιδίων από τα Δυτικά το μέσο οπτικό βάθος βρέθηκε ίσο με 0.5 και ο μέσος λόγος lidar ίσος με 28sr. Οι τιμές αυτές καταδεικνύουν καθαρές αέριες μάζες που προέρχονται από μεγάλα τροποσφαιρικά ύψη όπου δεν έχουμε ιδιαίτερη σωματιδιακή ρύπανση. Η καταβατική κίνηση των αερίων μαζών δικαιολογεί το γεγονός ότι οι αέριες μάζες δεν επηρεάζονται από την ρύπανση της Κεντρικής Ευρώπης. Οι μέγιστες τιμές οπτικού βάθους (0.9) και λόγου lidar ( 60sr ) παρουσιάστηκαν όταν είχαμε μεταφορά αερίων μαζών από την έρημο της Σαχάρα, ή σωματιδιακή ρύπανση από τοπικές πηγές. Η μεταβλητότητα του λόγου lidar με την εποχή του έ- τους και τις πηγές προέλευσης της σωματιδιακής ρύπανσης στην Θεσσαλονίκη κατα-

106 106 δεικνύει την αναγκαιότητα για περισσότερες μετρήσεις αυτής της οπτικής ιδιότητας των αιωρούμενων σωματιδίων. Η κλιματολογία για τον λόγο lidar είναι απαραίτητη για εφαρμογές όπως τα lidar οπισθοσκέδασης εδάφους αλλά και δορυφόρων.

107 107 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 4. ΕΙΔΙΚΑ ΕΠΕΙΣΟΔΙΑ ΣΩΜΑΤΙΔΙΑΚΗΣ ΡΥΠΑΝΣΗΣ 4.1. Περίληψη Στην χρονική περίοδο , τα επεισόδια σωματιδιακής ρύπανσης στην ελεύθερη τροπόσφαιρα της Θεσσαλονίκης που καταγράφηκαν με την τεχνική lidar στο ΕΦΑ, αφορούσαν μεταφορά σκόνης από την έρημο της Σαχάρα, και μέσης ή μεγάλης κλίμακας μεταφορά σωματιδιακών ρύπων από καύση βιομάζας. Στο κεφάλαιο αυτό, παρουσιάζονται συνολικά 12 χαρακτηριστικές περιπτώσεις μεταφοράς σκόνης από την έρημο της Σαχάρα, και μια περίπτωση μεταφοράς ρύπων από καύση βιομάζας που αναφέρεται σε μέσης κλίμακας μεταφορά ρύπων από γειτονικές πυρκαγιές στην Ιταλία και την Μαύρη Θάλασσα Μεταφορά σκόνης από την έρημο της Σαχάρα Εισαγωγή Μία από τις μεγαλύτερες φυσικές πηγές αιωρούμενων σωματιδίων στην ατμόσφαιρα, είναι οι έρημοι. Κάθε χρόνο μεγάλες ποσότητες σκόνης εκλύονται στην ελεύθερη τροπόσφαιρα κατά τη διάρκεια περιόδων µε ισχυρούς ανέμους στις περιοχές των μεγάλων ερήμων. Ανάλογα με τις μετεωρολογικές συνθήκες (συνοπτικά συστήματα) που μπορεί να επικρατούν πάνω από τις ερήμους, μπορεί να συμβεί μέσης ή μεγάλης κλίμακας μεταφορά των σωματίδιων άμμου που έχουν διεισδύσει στην ελεύθερη τροπόσφαιρα (Hamonou et al., 1999; Ansmann et al., 2003; Sakai et al., 2003). Τα

108 108 περισσότερα από τα σωματίδια σκόνης είναι μεγάλης διαμέτρου ( > 1μm ) και εναποτίθενται κοντά στην περιοχή της πηγής, ενώ μέρος των μικρότερων σωματιδίων (διαμέτρου μεταξύ 0.5 1μm ) μπορεί να μεταφερθεί σε μεγάλες αποστάσεις. Σε παγκόσμια κλίμακα, η έρημος της Σαχάρα είναι η σημαντικότερη πηγή ορυκτών αερολυμάτων. Από την περιοχή αυτή υπολογίζεται ότι κάθε έτος αρκετές εκατοντάδες εκατομμύρια τόνοι (Prospero et al., 1996) μέχρι και ένα δισεκατομμύριο τόνοι (D'Almeida, 1986) σκόνης εξάγονται στο Βόρειο Ατλαντικό Ωκεανό και τη Μεσόγειο (Prospero και Carlson, 1972; Prospero et al., 1993; Prospero, 1999; Rodriguez et al., 2001). Σύμφωνα µε τις οπτικές ιδιότητες των αερολυμάτων, όπως αυτές υπολογίζονται από το Ραδιόμετρο Υψηλής Ευκρίνειας (Advanced Very High Resolution Radiometer, AVHRR), η Μεσόγειος θεωρείται ως μία από τις περιοχές µε τα υψηλότερα οπτικά βάθη στον κόσμο (Husar et al., 1997), κυρίως κατά τη διάρκεια επεισοδίων μεταφοράς σκόνης από την έρημο της Σαχάρα. Τα επεισόδια μεταφοράς σκόνης από τη Σαχάρα προς τη περιοχή της Μεσογείου έχουν μελετηθεί για περισσότερο από 20 έτη, κυρίως µε την χρήση δορυφορικών στοιχείων (Dulac et al., 1992; Jankowiak και Tanré, 1992; Moulin et al., 1997a; Moulin et al., 1997b). Η ανάμιξη των σωματιδίων σκόνης με αιωρούμενα σωματίδια από ανθρωπογενείς πηγές κάνουν δύσκολο τον καθορισμό των οπτικών τους ιδιοτήτων. Η μέτρηση των οπτικών ιδιοτήτων με μεθόδους που εκτιμούν μία μέση τιμή που αναφέρεται σε ολόκληρη την ατμοσφαιρική στήλη (π.χ. δορυφορικές μετρήσεις ή μετρήσεις με φασματοφωτόμετρα εδάφους) είναι ανεπαρκής για την περίπτωση των στρωματώσεων σκόνης. Η μέθοδος lidar είναι η μόνη που μπορεί να δώσει πληροφορίες για την κατακόρυφη κατανομή των οπτικών ιδιοτήτων των αιωρούμενων σωματιδίων. Πολύ λίγες δημοσιεύσεις υπάρχουν στην διεθνή βιβλιογραφία σχετικά µε την κατακόρυφη κατανομή των σωματιδίων σκόνης (Hamonou et al., 1999; Gobbi et al., 2000; Di Sarra et al., 2001). Κατά συνέπεια, δεν υπάρχει συστηματική καταγραφή δεδομένων που να αφορούν την κατακόρυφη κατανομή των σωματιδίων, καθώς επίσης και τη χρονική και χωρική εξέλιξη τους στην περιοχή της Ανατολικής Μεσογείου. Εξαίρεση αποτελεί ένας περιορισμένος αριθμός δημοσιεύσεων που αφορούν μετρήσεις που ε- λήφθησαν κατά τη διάρκεια μικρών περιόδων μετρήσεων πεδίου (Balis et al., 2000; Gobbi et al., 2000; Balis et al., 2005b). Για μία ικανοποιητική χρονική και χωρική περιγραφή ενός επεισοδίου μεταφοράς σκόνης, είναι απαραίτητη η ταυτόχρονη καταγραφή των κατακόρυφων κατα-

109 109 νομών οπτικών ιδιοτήτων της αέριας μάζας από συστήματα lidar που καλύπτουν γεωγραφικά την περιοχή ενδιαφέροντος. Τέτοια δίκτυα lidar υπάρχουν στην Ευρώπη (δίκτυο EARLINET) και στην Ασία (δίκτυο Asian Dust Network), (Bösenberg et al., 2003, Murayama et al., 2001). Κατά την διάρκεια του EARLINET, έχει καταγραφεί από το δίκτυο ένα ισχυρό επεισόδιο μεταφοράς σκόνης από την Σαχάρα που συνέβη τον Οκτώβριο του 2001, κατά το οποίο τα αερολύματα έφτασαν μέχρι και την Σκανδιναβία. Στην περίπτωση αυτή, ήταν δυνατή μία πλήρης περιγραφή των οπτικών ιδιοτήτων των σωματιδίων σκόνης (Ansmann et al., 2003; Müller et al,, 2003). Στη χρονική περίοδο καταγράφηκαν στην Θεσσαλονίκη συνολικά 29 περιπτώσεις μεταφοράς σκόνης από την Σαχάρα, για τις οποίες ήταν δυνατό να πραγματοποιηθούν μετρήσεις lidar με την μέθοδο Raman. Οι μετρήσεις λάμβαναν χώρα μετά από σχετική προειδοποίηση που βασιζόταν στα αποτελέσματα του μοντέλου πρόβλεψης μεταφοράς σκόνης από την έρημο Σαχάρα (μοντέλο DREAM) που αναπτύχθηκε από τους Nickovic et al., 2001 και που περιγράφεται στην επόμενη παράγραφο. Η παρουσία των σωματιδίων σκόνης στην ελεύθερη τροπόσφαιρα της Θεσσαλονίκης επιβεβαιώνονται με την ανάλυση οπισθοτροχιών και τα αποτελέσματα του μοντέλου DREAM που αφορούν τον φόρτο των σωματιδίων και την ξηρή εναπόθεσή τους. Στην εργασία μας αναλύσαμε τις 12 περιπτώσεις μεταφοράς σκόνης από την Σαχάρα που παρατηρήθηκαν κατά τα έτη Ήταν η χρονική περίοδος για την οποία διαθέταμε ταυτόχρονες αναλυτικές (και όχι προγνωστικές) εκτιμήσεις από το μοντέλο DREAM. Όπως αναλύσαμε σε προηγούμενα κεφάλαια, με την μέθοδο Raman είναι δυνατόν να προσδιοριστούν ανεξάρτητα οι κατακόρυφες κατανομές των συντελεστών εξασθένισης και οπισθοσκέδασης, όπως και η κατακόρυφη κατανομή του λόγου lidar. Στις επόμενες παραγράφους παρουσιάζονται αναλυτικά τα αποτελέσματα των μετρήσεων και τα συμπεράσματα για τους σωματιδιακούς ρύπους σκόνης (Balis et al., 2004a) Μοντέλο πρόβλεψης μεταφοράς σκόνης από την έρημο Σαχάρα Το ΕΦΑ συνεργάζεται με το Κέντρο Ερευνών «Euro-Mediterranean Centre on Insular Coastal Dynamics (ICoD)», στο οποίο λειτουργεί ένα μοντέλο πρόβλεψης μεταφοράς σωματιδιακής ρύπανσης από την έρημο Σαχάρα. Το μοντέλο ονομάζεται Dust REgional Atmospheric (DREAM) Model (Nickovic et al., 2001). Προβλέψεις που αφο-

110 110 ρούν την κατανομή του φόρτου σκόνης στην Ευρώπη, διατίθενται σε μορφή προγνωστικών χαρτών στην διεύθυνση: Για την Θεσσαλονίκη, γίνονται με το μοντέλο DREAM ειδικές προγνώσεις που αφορούν την κατακόρυφη κατανομή της συγκέντρωσης των σωματιδίων σκόνης. Στο DREAM λαμβάνονται υπόψη όλες οι ατμοσφαιρικές διαδικασίες που αφορούν τον χρόνο ζωής της σωματιδιακής σκόνης στην ατμόσφαιρα, όπως η παραγωγή και η εκπομπή της σκόνης, η διάχυση και οι διαδικασίες απόθεσης. Σε όλες τις προσομοιώσεις, λαμβάνεται επίσης υπόψη η επίδραση της κατανομής μεγεθών των σωματιδίων στις ατμοσφαιρικές διεργασίες διασποράς Πειραματικά αποτελέσματα και ανάλυση δεδομένων Κατά την χρονική περίοδο , καταγράφηκαν στην Θεσσαλονίκη 12 περιπτώσεις μεταφοράς σκόνης από την Σαχάρα, για τις οποίες ήταν δυνατό να πραγματοποιηθούν μετρήσεις lidar με την μέθοδο Raman. Για τις περιπτώσεις αυτές υπήρχαν ταυτόχρονα αναλυτικές εκτιμήσεις του σωματιδιακού φόρτου από το μοντέλο DREAM. Για τις Στο Σχήμα 4-1, παρουσιάζονται τα αποτελέσματα από την επεξεργασία των σημάτων lidar για τις ημέρες αυτές. Συγκεκριμένα, οι οπτικές παράμετροι που απεικονίζονται είναι τα προφίλ των συντελεστών εξασθένισης και οπισθοσκέδασης, ο λόγος lidar και ο χρωματικός δείκτης. Τα αποτελέσματα παρατίθενται σε 3 ο- μάδες, που διαχωρίζονται με κριτήριο την διακύμανση που παρουσίαζε ο λόγος lidar. Height (m) Sep Mar Aug Extinction Coefficient (km -1 ) Backscatter Coefficient (Mm -1 sr -1 ) Height (m) Lidar Ratio (sr) Color Index

111 111 Height (m) Mar Jul Mar May Jul Jul Extinction Coefficient (km -1 ) Backscatter Coefficient (Mm -1 sr -1 ) Height (m) Lidar Ratio (sr) Color Index Height (m) Sep Jun Aug Extinction Coefficient (km -1 ) Backscatter Coefficient (Mm -1 sr -1 ) Height (m) Lidar Ratio (sr) Color Index Σχήμα 4-1: Κατακόρυφες κατανομές συντελεστών εξασθένισης και οπισθοσκέδασης, λόγου lidar και χρωματικού δείκτη, για τις 12 περιπτώσεις μεταφοράς σκόνης από την Σαχάρα (Balis et al., 2004a) Ο λόγος lidar είναι ένα οπτικό μέγεθος που εξαρτάται από την κατανομή μεγεθών των αιωρούμενων σωματιδίων και τον δείκτη διάθλασης. Έτσι, αποτελεί μία ένδειξη για το είδος των σωματιδίων, αν και δεν θεωρείται αρκετή πληροφορία για να χαρακτηρίσει πλήρως την αέρια μάζα. Ο χρωματικός δείκτης είναι ο αντίστοιχος συντελεστής Ångström της εξασθένισης, για την περίπτωση της οπισθοσκέδασης. Για το lidar του ΕΦΑ ο χρωματικός δείκτης προκύπτει από του συντελεστές οπισθοσκέδασης στα 355 και 532nm. Από φυσικής άποψης, αποτελεί έναν δείκτη για το μέγεθος των σωματιδίων, μιας και είναι αντιστρόφως ανάλογος της μέσης διαμέτρου του σωματιδιακού φόρτου.

112 112 Το κριτήριο που λήφθηκε υπόψη για να επικυρωθούν οι 12 περιπτώσεις που παρουσιάζουμε ως επεισόδια μεταφοράς σκόνης από την έρημο της Σαχάρα, ήταν η ανάλυση που πραγματοποιήθηκε για τον υπολογισμό των οπισθοτροχιών για τις ημέρες αυτές. Η ανάλυση βασίστηκε στα δεδομένα της Γερμανικής Μετεωρολογικής Υπηρεσίας (German Weather Service, DWD), και οι οπισθοτροχιές των αερίων μαζών παρουσιάζονται στους χάρτες του Σχήματος 4-2. Σχήμα 4-2: Αναλυτικές οπισθοτροχιές τεσσάρων ημερών, για τις 19 UTC, και για τις 12 περιπτώσεις μεταφοράς σκόνης από την έρημο Σαχάρα στην Θεσσαλονίκη, σύμφωνα με την Γερμανική Μετεωρολογική Υπηρεσία (DWD) Οι οπισθοτροχιές υπολογίστηκαν σε 3 επίπεδα πίεσης (850, 700 και 500hPa ), και αναφέρονται σε διάστημα τεσσάρων ημερών πριν τις 19UTC στην Θεσσαλονίκη. Η κατακόρυφη συνιστώσα κίνησης των αερίων μαζών παρουσιάζεται στην δεξιά πλευρά της κάθε απεικόνισης σε χάρτη. Είναι φανερό από τις οπισθοτροχιές του Σχήματος

113 , ότι για τις 12 περιπτώσεις που μελετάμε, ο φόρτος σωματιδίων προέρχεται από την περιοχή της ερήμου Σαχάρα. Στο Σχήμα 4-3 παρουσιάζονται επίσης οι αναλυτικοί χάρτες της επιφανειακής πυκνότητας σωματιδιακού φόρτου που αφορά την σκόνη που μεταφέρθηκε από την Σαχάρα, για τις 9 από τις 12 περιπτώσεις που μετρήθηκαν στο ΕΦΑ, σύμφωνα με το μοντέλο DREAM. Για τις 3 των περιπτώσεων δεν υπήρχε διαθέσιμη αναλυτική εκτίμηση για το συγκεκριμένο μέγεθος, παρά μόνο πρόβλεψη. Σχήμα 4-3: Επιφανειακή πυκνότητα σωματιδιακού φόρτου λόγω μεταφοράς σκόνης από την έρημο της Σαχάρα, σύμφωνα με το μοντέλο DREAM, για τις 9 από τις 12 περιπτώσεις μετρήσεων στο ΕΦΑ (Balis et al., 2004a) Τόσο από τις οπισθοτροχιές των αερίων μαζών όσο και από τα αποτελέσματα του μοντέλου DREAM, είναι φανερό ότι πρόκειται για 12 επεισόδια μεταφοράς σκόνης από την Σαχάρα που καταγράφηκαν στο ΕΦΑ. Σημειώνουμε επίσης, ότι για καμία εκ των περιπτώσεων δεν παρατηρήθηκε νεφοκάλυψη ή βροχή.

114 114 Όπως φαίνεται στα προφίλ των συντελεστών εξασθένισης και οπισθοσκέδασης του Σχήματος 4-1, παρατηρούνται διάφορες στρωματώσεις αιωρούμενων σωματιδίων στην περιοχή μεταξύ των υψών m. Το πάχος των περισσότερων στρωμάτων είναι περίπου 1000 m, αν και στην γενική περίπτωση δεν υπάρχει τυπική κατακόρυφη κατανομή για τα σωματίδια σκόνης από την Σαχάρα. Για να περιορίσουμε τη μελέτη μας μόνο στις στρωματώσεις της σκόνης, προσπαθήσαμε να απομονώσουμε τις περιοχές υψών για κάθε προφίλ, όπου οι οπισθοτροχιές και οι συντελεστές οπισθοσκέδασης υποδεικνύουν ότι έχουμε την παρουσία των σωματιδίων από την Σαχάρα. Για να ορίσουμε τις ακριβείς περιοχές υψών, χρησιμοποιήσαμε τα προφίλ οπισθοσκέδασης στα 532nm, όπου η οπισθοσκέδαση είναι πιο έντονη και οι στρωματώσεις πιο προφανείς. Στην γενική περίπτωση, ο συντελεστής οπισθοσκέδασης είναι ανάλογος της συγκέντρωσης των αιωρούμενων σωματιδίων στην ατμόσφαιρα, και για τον λόγο αυτό επιλέγεται ως το μέγεθος που α- πεικονίζει πιο καλά τις στρωματώσεις. Μετά τον ορισμό των περιοχών υψών των στρωματώσεων, υπολογίσαμε τους μέσους όρους των οπτικών παραμέτρων στις περιοχές αυτές και τα αποτελέσματα των υπολογισμών μας παρουσιάζονται στον Πίνακα 4-1 που ακολουθεί: Πίνακας 4-1: Περιοχές υψών των στρωματώσεων σκόνης από την Σαχάρα και οι αντίστοιχες μέσες τιμές του χρωματικού δείκτη, του λόγου lidar, του οπτικού βάθους και του μέσου συντελεστή εξασθένισης Ημερομηνία Πάχος Μέσος Μέσος Μέσος συντελεστής εξασθένι- Περιοχή Οπτικό στρώματος (m) δείκτης lidar (sr) σης (m -1 ) χρωματικός λόγος υψών (m) βάθος 19 Mar E-4 09 Jul E-4 24 Sep E-5 25 Sep E-5 03 Mar E-4 07 Mar E-4 20 Apr E-5 10 Jun E-5 04 Jul E-4 15 Jul E-4 05 Aug E-5 11 Aug E-5

115 115 Για ορισμένες περιπτώσεις οι στρωματώσεις των αερολυμάτων δεν ήταν απόλυτα διακριτές στις κατακόρυφες κατανομές των συντελεστών οπισθοσκέδασης. Για τις ημέρες αυτές, υπολογίσαμε τις μέσες τιμές των οπτικών παραμέτρων σε μεγαλύτερη περιοχή της ελεύθερης τροπόσφαιρας. Η μέση τιμή του λόγου lidar για τα 355nm από όλες τις στρωματώσεις των αιωρούμενων σωματιδίων που είχαν πηγή την έρημο της Σαχάρα, βρέθηκε ίση με 51.7sr και η τυπική απόκλιση ίση με 24.7sr. Ο χρωματικός δείκτης υπολογίστηκε αντίστοιχα και βρέθηκε ίσος με 0.95 με τυπική απόκλιση 1.28, ενώ τα οπτικά βάθη των στρωματώσεων κυμαίνονταν από 0.02 έως Οι μέσες τιμές του λόγου lidar που παρατηρήθηκαν στις μετρήσεις μας, έχουν μεγαλύτερη διακύμανση από τις τιμές του λόγου lidar που αναφέρονται στην βιβλιογραφία (Mattis et al., 2002; Müller et al., 2003; Ansmann et al., 2003; De Tomasi et al., 2003). Οι μέσες τιμές του λόγου lidar και του χρωματικού δείκτη που αναφέρονται στον Πίνακα 4-1, παρουσιάζονται επίσης στο συγκριτικό διάγραμμα του Σχήματος 4-4 που ακολουθεί: correlation coefficient = Lidar 355nm (sr) region 1 region 2 region Color Index (355/532nm) Σχήμα 4-4: Μέσες τιμές του λόγου lidar και του χρωματικού δείκτη για τις περιοχές υψών των στρωματώσεων αιωρούμενων σωματιδίων από την έρημο της Σαχάρα, για τις 12 περιπτώσεις επεισοδίων που παρατηρήθηκαν στην Θεσσαλονίκη (Balis et al., 2004a)

116 116 Οι τυπικές αποκλίσεις για τις αθροίσεις που έχουν γίνει, απεικονίζονται στο διάγραμμα με τις γραμμές σφαλμάτων. Ο συντελεστής συσχέτισης μεταξύ των δύο μεγεθών βρέθηκε ίσος με -0.8, που υποδεικνύει μία σημαντική αντι-συσχέτιση των δύο παραμέτρων. Για να εξηγήσουμε την αντι-συσχέτιση, χωρίσαμε τις μετρήσεις μας σε τρεις (3) περιοχές, σύμφωνα με το μέγεθος των σωματιδίων, όπως αυτό υποδεικνύεται από τον μέσο χρωματικό δείκτη για κάθε περίπτωση. Τα αιωρούμενα σωματίδια που μεταφέρονται από την έρημο της Σαχάρα, έχουν ένα μεγάλο φάσμα μεγεθών, με την ακτίνα τους να κυμαίνεται από 0.02 έως και 100μ m, και την συγκέντρωσή τους να μεταβάλλεται με μεγάλη ταχύτητα ανάλογα με τις μετεωρολογικές συνθήκες (π.χ. D Almeida and Schutz, 1983). Με τον διαχωρισμό που επιχειρούμε στο Σχήμα 4-4, προσπαθούμε να κατανείμουμε τις μετρήσεις μας σε σχέση με το μέγεθος των σωματιδίων. Ακολoύθως, επεξηγούμε τον διαχωρισμό αυτό αναλύοντας τις παρατηρήσεις μας σε σχέση με την κάθε περιοχή ξεχωριστά: Περιοχή 1: Ο μέσος χρωματικός δείκτης για την Περιοχή 1, βρέθηκε ίσος με 0.7 ± 0.4, υποδεικνύοντας την παρουσία μεγάλων σχετικά αιωρούμενων σωματιδίων. Τα σωματίδια με τέτοιο χρωματικό δείκτη, έχουν διαμέτρους > 1μm, και το πιο πιθανό είναι να αποκλίνουν από την σφαιρική παραδοχή. Ο χρωματικός δείκτης για μεγάλα σωματίδια σκόνης είναι μικρότερος του 0.5 (Ansmann et al., 2003). Ο μέσος λόγος lidar για την Περιοχή 1, βρέθηκε ίσος με ± 19.8sr. Τα αποτελέσματα αυτά είναι σύμφωνα με μετρήσεις που έχουν πραγματοποιηθεί σε άλλους σταθμούς lidar, όπου μεγαλύτεροι λόγοι lidar από αυτούς που αναμένονταν από τα σχετικά μοντέλα βρέθηκαν στην περίπτωση των αιωρούμενων σωματιδίων από την έρημο της Σαχάρα (π.χ. Ansmann et al., 2003). Όταν αναφερόμαστε σε μοντέλα πρόβλεψης των οπτικών ιδιοτήτων των αιωρούμενων σωματιδίων, εννοούμε κατά κύριο λόγο το μοντέλο OPAC (Optical Properties of Aerosols and Clouds) (Hess et al., 1998) που βασίζεται στο GADS (Global Aerosol DataSet), όπου είναι καταγεγραμμένες όλες οι οπτικές ιδιότητες των επιμέρους τύπων αιωρούμενων σωματιδίων που έχουν θεωρηθεί (αστικά, σωματίδια σκόνης, ηπειρωτικά και θαλάσσια). Το μοντέλο OPAC δίνει την επιπλέον δυνατότητα για τον υπολογισμό των οπτικών ιδιοτήτων προϊόντων ανάμιξης των βασικών τύπων αιωρούμενων σωματιδίων. Οι μεγάλοι λόγοι lidar σε σχέση με τους υπολογισμούς των μοντέλων μπορούν να εξηγηθούν από τον διαφορετικό τρόπο που σκεδάζουν τα

117 117 σφαιρικά και μη-σφαιρικά σωματίδια, όπως επίσης και από την διαφορετική ικανότητα απορρόφησης των σωματιδίων σκόνης. Τα μοντέλα που χρησιμοποιούνται για τους υπολογισμούς της οπισθοσκέδασης και της εξασθένισης που προκαλούν τα αιωρούμενα σωματίδια σκόνης, χρησιμοποιούν την σφαιρική παραδοχή για το σχήμα τους. Όταν τα σωματίδια είναι μη-σφαιρικά, η οπισθοσκέδαση που προκαλούν είναι πολύ μικρότερη από σφαιρικά σωματίδια της ίδιας επιφάνειας (Mishchenko et al., 1997; Mattis et al., 2002). Περιοχή 2: Ο μέσος χρωματικός δείκτης για την Περιοχή 2 βρέθηκε ίσος με 0.9 ± 0.2. Οι τιμές αυτές υποδεικνύουν ότι τα σωματίδια είναι μικρότερα από αυτά της Περιοχής 1. Ο μέσος λόγος lidar για την Περιοχή 2 βρέθηκε ίσος με και οι τιμές αυτές είναι σύμφωνες με τους υπολογισμούς των μοντέλων για σφαιρικά σωματίδια σκόνης. Σύμφωνα με τους Hess et al., (1998), ο λόγος lidar για τα σωματίδια σκόνης κυμαίνεται μεταξύ των τιμών 47.9 ± 13.6sr 44 54sr, ανάλογα και με την σχετική υ- γρασία. Οι Müller et al., (2003), σημειώνουν ότι η μη-σφαιρικότητα των σωματιδίων σκόνης επηρεάζει λιγότερο τις ιδιότητες σκέδασης όσο μικρότερο είναι το μέγεθος των σωματιδίων. Η παρατήρηση αυτή είναι σύμφωνη με τα αποτελέσματά μας για την Περιοχή 2. Οι μεγαλύτερες από τις αναμενόμενες τιμές του χρωματικού δείκτη, μπορεί να υποδηλώνουν και την ανάμιξη των σωματιδίων σκόνης με ανθρωπογενή αιωρήματα. Περιοχή 3: Για την Περιοχή 3 ο χρωματικός δείκτης είναι ίσος με 2.6 ± 0.6 και ο λόγος lidar ± 4.6sr. Τα αποτελέσματα για την περιοχή αυτή δεν συμφωνούν με τα αποτελέσματα των μοντέλων και τις προηγούμενες παρατηρήσεις. Οι μικρές τιμές του λόγου lidar υποδεικνύουν σωματίδια με θαλάσσια προέλευση, ενώ οι μεγάλες τιμές του χρωματικού δείκτη ταιριάζουν περισσότερο σε μικρότερα σωματίδια προερχόμενα από ανθρωπογενή ρύπανση. Παρόλα αυτά, τόσο το μοντέλο πρόγνωσης του φόρτου σωματιδιακής σκόνης (DREAM) όσο και οι οπισθοτροχιές, προβλέπουν για τις ημέρες της Περιοχής 3 ότι έχουμε μεταφορά αιωρούμενων σωματιδίων από την έρημο της Σαχάρα στην Θεσσαλονίκη. Σύμφωνα με το μοντέλο DREAM, δεν φαίνεται να έχουμε καμία διαφορά ως προς την περιοχή της ερήμου Σαχάρα από όπου εκπέμπονται τα σωματίδια, σε σχέση με τις προηγούμενες περιπτώσεις. Το μοντέλο DREAM προβλέπει επίσης την ξηρή απόθεση για τα σωματίδια σκόνης, και αυτή πα-

118 118 ρουσιάζεται στους χάρτες του Σχήματος 4-5 για τις 9 από τις 12 ημέρες που μελετάμε. Οι χάρτες χωρίστηκαν με βάση τον διαχωρισμό των περιοχών του Σχήματος 4-4. Παρατηρούμε ότι η ξηρή απόθεση των σωματιδίων σκόνης είναι μεγαλύτερη για τις ημέρες που ανήκουν στην Περιοχή 3. Το γεγονός αυτό υποδεικνύει ότι τα μεγάλα σωματίδια σκόνης έχουν ήδη αποτεθεί και έτσι δικαιολογούνται οι μεγάλες τιμές του χρωματικού δείκτη. Είναι επίσης πιθανό να έχουμε ανάμιξη των σωματιδίων σκόνης με ανθρωπογενή αιωρήματα. Όσον αφορά τις μικρές τιμές του λόγου lidar, αυτό μπορεί να αποδοθεί στην ανάμιξη των σωματιδίων σκόνης και με θαλάσσια αιωρήματα (Ackermann, 1998). Οι υποθέσεις μας για την ανάμιξη των αέριων μαζών από την έρημο της Σαχάρα με σωματίδια από άλλες πηγές, στηρίζονται και στο γεγονός ότι η κατακόρυφη κατανομή των συντελεστών οπισθοσκέδασης για την Περιοχή 3 είναι σχεδόν εκθετική. Τέλος, η υπόθεσή μας για την ανάμιξη των αερίων μαζών με θαλάσσια αιωρήματα, ενισχύεται από τις κατακόρυφες οπισθοτροχιές, οι οποίες για τις ημέρες της Περιοχής 3 δείχνουν να ανυψώνονται προς την Θεσσαλονίκη αέριες μάζες που είχαν περάσει πρώτα πάνω από θαλάσσιες περιοχές. Π Ε Ρ Ι Ο Χ Η 1 Π Ε Ρ Ι Ο Χ Η 2 Π Ε Ρ Ι Ο Χ Η 3 Σχήμα 4-5: Ξηρή απόθεση σωματιδίων σκόνης από την έρημο της Σαχάρα, σύμφωνα με το μοντέλο DREAM, για τις 9 από τις 12 περιπτώσεις μετρήσεων στο ΕΦΑ

119 Συμπεράσματα Η ΝοτιοΑνατολική Μεσόγειος είναι μία περιοχή όπου παρατηρείται μεταφορά αιωρούμενων σωματιδίων από διάφορες πηγές (π.χ. Lelieveld et al., 2002). Η συχνή συνύπαρξη αστικών, ηπειρωτικών, θαλάσσιων αιωρούμενων σωματιδίων και σωματιδίων σκόνης κάνουν δύσκολο τον διαχωρισμό των οπτικών χαρακτηριστικών του κάθε είδους ξεχωριστά, ακόμη και με την χρήση μεθόδων lidar. Για τις στρωματώσεις των σωματιδίων σκόνης που ανιχνεύτηκαν και διαχωρίστηκαν σύμφωνα με τις μετρήσεις lidar και το μοντέλο πρόγνωσης DREAM, καταδείχθηκε ότι για την Θεσσαλονίκη τα σωματίδια σκόνης παρουσιάζουν ένα μεγάλο εύρος τιμών όσον αφορά τον λόγο lidar ( sr ) και τον χρωματικό δείκτη [ ( 1) 3]. Οι τιμές αυτές δεν ήταν οι αναμενόμενες σύμφωνα με άλλες μελέτες και αποτελέσματα μοντέλων. Μία σημαντική αντι-συσχέτιση βρέθηκε για την σχέση του λόγου lidar με τον χρωματικό δείκτη. Οι μεγάλοι λόγοι lidar ( ~80sr ) αντιστοιχούν σε μεγάλα και απορροφητικά σωματίδια σκόνης, και συμφωνούν με τα μοντέλα προσομοίωσης σκέδασης, όταν τα αποτελέσματα διορθωθούν για την μη σφαιρικότητα των σωματιδίων. Λόγοι lidar μεταξύ των τιμών 45 55sr μετρήθηκαν για τις περισσότερες των περιπτώσεων, και οι τιμές αυτές συμφωνούν με προηγούμενες πειραματικές και θεωρητικές μελέτες. Σε τρεις από τις ημέρες των μετρήσεών μας, η ανάμιξη του τροποσφαιρικού αέρα με ρυπασμένες μάζες από το ΑΟΣ, έκαναν δύσκολο τον διαχωρισμό των σωματιδίων σκόνης στις μετρήσεις lidar. Λόγοι lidar της τάξης των 20sr, και χρωματικοί δείκτες μεγαλύτεροι του 1.5, δεν υποδεικνύουν ιδιότητες που θα μπορούσαν να αναχθούν σε σωματίδια σκόνης από την Σαχάρα. Η αιτιολόγηση αυτών των οπτικών ιδιοτήτων απαιτεί υπολογισμούς που βασίζονται σε πιο ρεαλιστικές συνθήκες ανάμιξης των αιωρούμενων σωματιδίων Μεταφορά αιωρούμενων σωματιδίων από καύση βιομάζας Εισαγωγή Τα αιωρούμενα σωματίδια που εκλύονται στην ατμόσφαιρα από την καύση βιομάζας έχουν ισχυρή επίδραση στα επίπεδα ακτινοβολίας στο έδαφος (π.χ. IPCC, 2001). Η

120 120 εκτίμηση της άμεσης επίδρασης αυτού του τύπου των σωματιδίων στο ισοζύγιο της ακτινοβολίας είναι δύσκολη μιας και πολύ λίγες πληροφορίες είναι διαθέσιμες όσον αφορά τις οπτικές και μικροφυσικές ιδιότητές τους (Haywood and Boucher, 2000; IPCC: Ramaswamy et al., 2001; IPCC: Penner et al., 2001). Στην βιβλιογραφία υπάρχουν διάφορες αναφορές σχετικά με τις οπτικές ιδιότητες των σωματιδίων που παράγονται από την καύση βιομάζας και προέρχονται είτε από εργαστηριακές αναλύσεις (Patterson and McMahon, 1984), είτε από μεγάλα διεθνή πειράματα μετρήσεων πεδίου σχετικά με την μελέτη αερολυμάτων καπνού που μεταφέρεται από μεγάλης έκτασης πυρκαγιές δασών στην Βόρειο Αμερική (π.χ. Hobbs et al., 1996), την Βραζιλία (Kaufman et al., 1998, Landulfo et al., 2003) και την Αφρική (π.χ. Eck et al., 2001). Στις μελέτες αυτές, χρησιμοποιούνται τεχνικές τηλεπισκόπισης που περιλαμβάνουν μετρήσεις με φασματοφωτόμετρα εδάφους (π.χ. Kaufman et al., 1992), δορυφορικές μετρήσεις (π.χ. Ferrare et al., 1990) και τεχνικές lidar (Wandinger et al., 2002). Η τεχνική lidar παρουσιάζει μεγάλα πλεονεκτήματα για τον οπτικό χαρακτηρισμό των σωματιδίων καπνού. Στα 355nm, η εξασθένιση και η οπισθοσκέδαση της ακτινοβολίας γίνεται στο μεγαλύτερο ποσοστό της από αιωρούμενα σωματίδια με α- κτίνες μεταξύ μm (Ferrare et al., 2001). Έτσι, ένα σύστημα Raman lidar που λειτουργεί στην υπεριώδη φασματική περιοχή κρίνεται ως η καταλληλότερη τεχνική ανίχνευσης σωματιδίων καπνού, μιας και η κατανομή μεγεθών των σωματιδίων αυτών στην ατμόσφαιρα έχει μέγιστο στην ίδια περιοχή (π.χ. Remer et al., 1998). Στις μελέτες που έχουν προαναφερθεί, δεν υπάρχει κάποια συγκεκριμένη συμφωνία ως προς τις οπτικές ιδιότητες των σωματιδίων καπνού στην ατμόσφαιρα. Κατά τους Reid and Hobbs, (1998), ο καπνός που εκλύθηκε στην ατμόσφαιρα από καύση βιομάζας στην Βραζιλία παρουσίασε μεγαλύτερη απορροφητικότητα και λιγότερη σκεδαστική ικανότητα από τον καπνό που παράχθηκε από φωτιές στην Βόρειο Αμερική. Οι μελετητές απέδωσαν την συμπεριφορά αυτή στο γεγονός ότι τα σωματίδια καπνού από τις φωτιές στην Βραζιλία βρέθηκαν να έχουν μικρότερο μέγεθος. Η παρατήρηση αυτή δείχνει πόσο σημαντικό ρόλο παίζει ο τύπος της βλάστησης στις οπτικές ιδιότητες των σωματιδίων που εκλύονται από τις καύσεις. Η εργασία των Reid and Hobbs, (1998) επικεντρώθηκε στην μεταβλητότητα που παρουσιάζει η ανακλαστικότητα μεμονωμένης σκέδασης (Single Scattering Albedo - SSA) μιας αέριας μάζας καπνού με την ποικιλία της καιόμενης βλάστησης. Η ανακλαστικότητα μεμο-

121 121 νωμένης σκέδασης είναι μία κρίσιμη οπτική παράμετρος που χαρακτηρίζει την άμεση επίδραση των σωματιδίων στο ισοζύγιο της ακτινοβολίας (Kaufman and Fraser, 1997a). Εκτός από την ποιότητα της καιόμενης βλάστησης, η μεταβλητότητα των ο- πτικών ιδιοτήτων των σωματιδίων καπνού στην ατμόσφαιρα εξαρτάται και από την ηλικία της αέριας μάζας. Οι διάφορες μετεωρολογικές και δυναμικές διεργασίες στην ατμόσφαιρα επηρεάζουν την κατανομή μεγεθών των σωματιδίων με απρόβλεπτο τρόπο. Για τον λόγο αυτό, μετρήσεις των οπτικών ιδιοτήτων καπνού που πραγματοποιούνται κοντά στην πηγή δεν μπορούν να ληφθούν ως χαρακτηριστικές. Για τις α- νάγκες των κλιματικών μοντέλων, περισσότερο αντιπροσωπευτικές είναι οι ιδιότητες των σωματιδίων καπνού που αναφέρονται σε πιο «γερασμένες» αέριες μάζες (Reid et al., 1998). Όσον αφορά την ΝοτιοΑνατολική Ευρώπη, έχουν αναφερθεί πολύ λίγες περιπτώσεις μετρήσεων οπτικών ιδιοτήτων αερίων μαζών καπνού (Balis et al., 2003a). Στο κεφάλαιο αυτό παρουσιάζουμε τις οπτικές ιδιότητες αερίων μαζών καπνού από φωτιές στην Ιταλία και την Μαύρη Θάλασσα, όπως αυτές ανιχνεύτηκαν πάνω από την Ελλάδα με την συνέργεια διαφόρων μεθόδων τηλεπισκόπισης. Οι μετρήσεις αφορούν ένα συγκεκριμένο επεισόδιο ρύπανσης, την μεταφορά καπνού από φωτιές πάνω από την Βόρεια Ελλάδα στις 9 Αυγούστου του Συγκεκριμένα, για τον οπτικό χαρακτηρισμό των αερίων μαζών καπνού χρησιμοποιήθηκαν το Raman lidar του ΕΦΑ, δύο ραδιόμετρα με φασματικά φίλτρα που λειτουργούσαν στην Θεσσαλονίκη και την Ουρανούπολη Χαλκιδικής, και ένα νεφελόμετρο που λειτουργούσε στην Ουρανούπολη. Στα επόμενα, αναπτύσσουμε την συνοπτική κατάσταση που επικρατούσε κατά το επεισόδιο καύσης βιομάζας και παραθέτουμε τα αποτελέσματα των μετρήσεών μας συγκρίνοντάς τα με αποτελέσματα από προηγούμενες μελέτες Συνοπτική κατάσταση και ενδείξεις για την μεταφορά καπνού στην Θεσσαλονίκη από καύση βιομάζας σε γειτονικές περιοχές Η συνοπτική κατάσταση στις 9 Αυγούστου του 2001 χαρακτηριζόταν από πολύ στάσιμες μετεωρολογικές συνθήκες με ασθενείς ανέμους στην Βαλκανική χερσόνησο, που σχετίζονταν με ένα αντικυκλωνικό σύστημα εκτεινόμενο από την Δυτική Μεσόγειο έως τα Βαλκάνια και την ΒορειοΑνατολική Ευρώπη. Οι ασθενείς άνεμοι κυριαρχούσαν στην περιοχή για μια περίοδο πολλών ημερών, από τις 3 έως τις 10 Αυγού-

122 122 στου του Για την 09 Αυγούστου 2001 στις 18:00 UTC, τα πεδία ανέμων στα 700hPa φαίνονται στο Σχήμα 4-6 που ακολουθεί ( Στο ΕΦΑ πραγματοποιήθηκαν επίσης αναλυτικοί υπολογισμοί οπισθοτροχιών αερίων μαζών τεσσάρων ημερών για την 09 Αυγούστου του 2001 και τις 19:00 UTC, σύμφωνα με το μοντέλο υπολογισμού οπισθοτροχιών της Γερμανικής Μετεωρολογικής Υπηρεσίας (DWD). Οι οπισθοτροχιές παρουσιάζονται στον χάρτη του Σχήματος 4-7, μαζί με τις γεωγραφικές θέσεις όπου παρατηρήθηκαν φωτιές σύμφωνα με δορυφορικά δεδομένα από τον ATSR World Fire Atlas (European Space Agency ESA/ESRIN) ( Σχήμα 4-6: Πεδία ανέμων στα 700 hpa, για τις 9 Αυγούστου 2001 στις 18 UTC, σύμφωνα με τα μετεωρολογικά δεδομένα του ΝΟΑΑ (National Oceanic and Atmospheric Andministration). ( Η παρουσία του αντικυκλωνικού συστήματος στην κοιλάδα του Δούναβη προκάλεσε την παγίδευση και την επανακυκλοφορία των σωματιδίων καπνού που εκλύθηκαν στην ατμόσφαιρα από τις πολλαπλές φωτιές που παρατηρήθηκαν τον Αύγουστο του 2001 στην περιοχή. Οι αέριες μάζες στα διάφορα ύψη της ελεύθερης τροπόσφαιρας της Θεσσαλονίκης δείχνουν να έχουν προέλευση από διαφορετικές περιοχές σύμφωνα με τις οπισθοτροχιές. Στα χαμηλότερα στρώματα (850 και 700hPa ) υ-

123 123 πάρχει ένδειξη ότι οι αέριες μάζες προέρχονται από την Βουλγαρία όπου ως γνωστό υπάρχουν πολλές εκπομπές από ορυκτά καύσιμα (Zerefos et al., 2000). Διαφαίνεται επίσης ότι στα χαμηλότερα ατμοσφαιρικά στρώματα (~975hPa ) είναι δυνατό να έ- χουν μεταφερθεί σωματίδια καπνού από τις φωτιές που παρατηρήθηκαν στην περιοχή της Μαύρης Θάλασσας. Σε μεγαλύτερα ύψη (~500hPa ) παρατηρούμε ότι οι αέριες μάζες που μεταφέρονται στην Θεσσαλονίκη προέρχονται από περιοχές της Κεντρικής Ευρώπης, μεταφέροντας ίσως βιομηχανική ρύπανση. 60 ANALYTICAL BACKTRAJECTORIES data provided by the German Weather Service THESSALONIKI, 19 UTC LATITUDE, degrees LONGITUDE, degrees PRESSURE, hpa hpa 700 hpa 850 hpa hpa TIME, hours Σχήμα 4-7: Οπισθοτροχιές τεσσάρων ημερών για την 19 Αυγούστου 2001 στις 19:00 UTC, σε υπέρθεση με τις γεωγραφικές περιοχές όπου παρατηρήθηκαν φωτιές σύμφωνα με δορυφορικά δεδομένα από τον ATSR (Balis et al., 2003a) Η ύπαρξη των εκτεταμένων πυρκαγιών στην περιοχή της Ανατολική Ευρώπης για την περίοδο 7-10 Αυγούστου 2001, είναι εμφανής και στα δορυφορικά δεδομένα του GOME που αφορούν μετρήσεις της τροποσφαιρικής στήλης διοξειδίου του αζώτου ( NO2 ) (Richter et al., 2002). Οι χάρτες απεικόνισης της συγκέντρωσης του NO2 φαίνονται στο Σχήμα 4-8 που ακολουθεί. Τέλος, για την ίδια χρονική περίοδο (8-12 Αυγούστου 2001), και σύμφωνα με μετρήσεις που πραγματοποιούνταν στην Κρήτη στα πλαίσια της καμπάνιας MINOS (Mediterranean INtensive Oxidant Study), βρέθηκαν υψηλά επίπεδα ακετονιτρίλης,

124 124 ένωση της οποίας η μόνη προέλευση που έχει ποτέ αναφερθεί είναι η καύση βιομάζας. Η χρονοσειρά των μετρήσεων φαίνεται στο Σχήμα 4-9 που ακολουθεί (Salisbury et al., 2003). Σχήμα 4-8: Συγκέντρωση διοξειδίου του αζώτου για τις 7 και 10 Αυγούστου 2001 σύμφωνα με δορυφορικά δεδομένα του GOME ( Acetonitrile /ppbv CO /ppbv Acetonitrile CO Date/time 0 Σχήμα 4-9: Συγκεντρώσεις ακετονιτρίλης και μονοξειδίου του άνθρακα, για τον Αύγουστο του 2001, όπως μετρήθηκαν κατά την διάρκεια της καμπάνιας μετρήσεων πεδίου MINOS στην Κρήτη (Salisbury et al., 2003)