Ανάπτυξη συστήµατος τηλεπισκόπησης µε τη µέθοδο DIAL Εφαρµογές στη µελέτη της δοµής και της σύστασης της τροπόσφαιρας στον Ελλαδικό χώρο

Transcript

1 Ανάπτυξη συστήµατος τηλεπισκόπησης µε τη µέθοδο DIAL Εφαρµογές στη µελέτη της δοµής και της σύστασης της τροπόσφαιρας στον Ελλαδικό χώρο Development of a remote sensing DIAL system Application to the study of the structure and composition of the Greek troposphere Ελένη Σ. Γαλάνη Αριστοτέλειο Πανεπιστήµιο Θεσσαλονίκης Τµήµα Φυσικής ιδακτορική ιατριβή Θεσσαλονίκη, εκέµβριος 2005

2

3 Στους γονείς µου Κανέλα και Στέφανο και στο σύζυγό µου Σωτήρη

4

5 Η επταµελής εξεταστική επιτροπή, που συγκροτήθηκε στην υπ' αριθµ. 10/ συνεδρίαση της Γενικής Συνέλευσης Ειδικής Σύνθεσης του Τµή- µατος Φυσικής της Σχολής Θετικών Επιστηµών του Α.Π.Θ., για τη κρίση της διδακτορικής διατριβής της υποψήφιας διδάκτορος κας Ελένης Γαλάνη, µε θέ- µα: «Ανάπτυξη συστήµατος τηλεπισκόπησης µε τη µέθοδο DIAL Εφαρµογές στη µελέτη της δοµής και της σύστασης της τροπόσφαιρας στον Ελλαδικό χώρο» συνήλθε στις 27/01/2006 στην αίθουσα του Μεταπτυχιακού Φυσικής Περιβάλλοντος του κτιρίου του Τµήµατος Φυσικής της Σχολής Θετικών Επιστηµών, και ενώπιόν της η υποψήφια ανέπτυξε και υποστήριξε τη διατριβή της. Κατά την αξιολόγηση της διατριβής η επιτροπή έκρινε οµόφωνα ότι η διδακτορική διατριβή της κας Ελένης Γαλάνη είναι πρωτότυπη και συµβάλει ουσιαστικά στην προαγωγή της επιστήµης, αποφάσισε δε επίσης οµόφωνα να εισηγηθεί την απονοµή στην κα Γαλάνη του τίτλου της διδάκτορος 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,. Μπαλής,. Μελάς και Α. Παπαγιάννης.

6

7 Περίληψη Το αντικείµενο της διατριβής είναι η ανάπτυξη και η λειτουργία ενός συστήµατος τηλεπισκόπησης lidar (light detection and ranging) µε τη µέθοδο της ιαφορικής Απορρόφησης (Μέθοδος DIAL). Το σύστηµα DIAL του Εργαστηρίου Φυσικής της Ατµόσφαιρας (ΕΦΑ) του Αριστοτελείου Πανεπιστηµίου Θεσσαλονίκης µετρά το τροποσφαιρικό όζον στον Ελλαδικό χώρο και αποτελεί το πρώτο τέτοιο σύστηµα που λειτουργεί στη Νοτιοανατολική Ευρώπη. Αποτελεί σηµαντικό εργαλείο, καθώς η περιοχή αποτελεί «σταυροδρόµι ρύπων» από την Ευρώπη, την Αµερική και τη Νότια Ασία εµφανίζοντας ιδιαίτερα υψηλές συγκεντρώσεις τροποσφαιρικού όζοντος. Στο πλαίσιο της διατριβής παρουσιάζονται οι βασικές αρχές της µεθόδου DIAL. Περιγράφεται η δοµή και η λειτουργία της διάταξης DIAL του ΕΦΑ, καθώς και ο αλγόριθµος επεξεργασίας των πειραµατικών µετρήσεων που αναπτύχθηκε. Ακολουθεί η ανάλυση των µετρήσεων και ο έλεγχος της αξιοπιστίας του συστήµατος. Τέλος, παρουσιάζονται µετρήσεις που πραγµατοποιήθηκαν µε το σύστηµα DIAL του ΕΦΑ, µε στόχο τη µελέτη των φαινοµένων εισροής ατµοσφαιρικών µαζών από τη στρατόσφαιρα στην τροπόσφαιρα (στο πλαίσιο του Ευρωπαϊκού Ερευνητικού Προγράµµατος STACCATO). Οι µετρήσεις αυτές, που αποτελούν τις µοναδικές µέχρι σή- µερα συστηµατικές µετρήσεις lidar περιπτώσεων διανταλλαγής στον χώρο της Νοτιοανατολικής Μεσογείου, κατέδειξαν σε µερικές περιπτώσεις την αύξηση του όζοντος της µέσης τροπόσφαιρας λόγω της εισροής στρατοσφαιρικών µαζών.

8

9 Abstract The dissertation addresses the development and operation of a lidarbased remote sensing system employing the Differential Absorption technique (DIAL). The DIAL system installed at the Laboratory of Atmospheric Physics (LAP) of the Aristotle University of Thessaloniki is the first such system operating in Southeast Europe and is capable of measuring tropospheric ozone over Greece. Its importance is attributed to the fact that the region is considered to be a crossroads of pollution originating in Europe, America and South Asia, and exhibits a particularly high concentration of tropospheric ozone. In the dissertation, the basic DIAL technique principles are presented. The structure and principle of operation of the LAP DIAL are described, along with a developed algorithm for experimental data analysis. Measurement investigation and a study of system accuracy are provided. Finally, DIAL measurements are presented that have been carried out in the course of the STACCATO European funded research programme, aiming at the investigation of stratosphere-to-troposphere intrusion events. These measurements are the only reported systematic lidar measurements of intrusion events in the Southeast Europe region, and have revealed cases of increased ozone in the middle troposphere owed to stratosphere intrusions.

10

11 Πρόλογος 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. Χρήστο Ζερεφό, Πρόεδρο του Εθνικού Αστεροσκοπείου Αθηνών. Θα ήθελα να τον ευχαριστήσω θερµά για το αµέριστο ενδιαφέρον του και την άριστη καθοδήγησή του καθ όλη τη διάρκεια εκπόνησης της διατριβής. Ευχαριστώ θερµά τον Αν. Καθηγητή κ. Αλκιβιάδη Μπάη για τη συνεχή υποστήριξή του από τα πρώτα χρόνια των σπουδών µου. Επίσης ευχαριστώ τον Αν. Καθηγητή κ. ηµήτρη Μελά, µέλος της τριµελούς συµβουλευτικής επιτροπής, για τις σηµαντικές συµβουλές του. Ιδιαίτερα θα ήθελα να ευχαριστήσω τον Επ. Καθηγητή κ. ηµήτρη Μπαλή, καθοδηγητή και αναντικατάστατο συνεργάτη σε όλη τη διάρκεια των σπουδών µου. Οι συµβουλές του και οι κατευθύνσεις του ήταν πολύτιµες. Ακόµη, θα ήθελα να ευχαριστήσω θερµά τον Επ. Καθηγητή του Εθνικού Μετσόβειου Πολυτεχνείου ρ. Αλέξανδρο Παπαγιάννη για την καθοριστική συµβολή του στην εκπόνηση της διατριβής, καθώς και για τις σηµαντικές διορθώσεις που µου υπέδειξε. Επίσης θα ήθελα να ευχαριστήσω τον Αν. Καθηγητή κ. Ιωάννη Ζιώµα για την ε- µπιστοσύνη που µου έδειξε στα πρώτα χρόνια των µεταπτυχιακών µου σπουδών. Ευχαριστώ ιδιαίτερα το ρ. Στέλιο Καζαντζή, στήριγµα στην πορεία µου από τα χρόνια των προπτυχιακών µου σπουδών, µε αµέριστη ηθική, φιλική και επιστηµονική υποστήριξη. Επίσης ευχαριστώ το συνάδελφο ρ. Βασίλειο Αµοιρίδη για την πολύτιµη βοήθειά του στην επεξεργασία των µετρήσεων, καθώς και για την ηθική του συµπαράσταση. Θα ήθελα να ευχαριστήσω επίσης i

12 τους όκτορες Π. Ζάνη και Ε. Γερασόπουλο, καθώς και τους A. Stohl, P. Wernli και Τ. Trickl για τη συνεργασία τους στο πλαίσιο του Ευρωπαϊκού ε- ρευνητικού προγράµµατος STACCATO. Ευχαριστώ ακόµη τον Επίκ. Καθηγητή κ. Κ. Κουρτίδη, τη Λέκτορα Κ. Τουρπάλη και τη ρ. Χ. Μελέτη για τη συνεργασία τους. Εκφράζω τις ευχαριστίες µου στους συναδέλφους µου στο Εργαστήριο Φυσικής της Ατµόσφαιρας όκτορες Α. Καζαντζίδη και Αν. Πούπκου, την κα. Ν. Κουρεµέτη, τη ρ. Π. Τζουµάκα για τα δεδοµένα αέριας ρύπανσης του ήµου Θεσσαλονίκης, καθώς και τον κ. Κ. Ελευθεράτο. Ευχαριστώ ιδιαίτερα τις κυρίες Σ. Γαζεριάν και Ο. Κοπαλίδου, καλές µου φίλες, για την αµέριστη συµπαράστασή τους. Από καρδιάς ευχαριστώ ακό- µη τις φίλες µου Α. Μπρόζου και Κ. Μπακανάκη που µε στήριξαν και ανέχτηκαν τις ιδιοτροπίες µου. Τέλος, εκφράζω την ευγνωµοσύνη µου στους γονείς µου, και στα αδέλφια µου Εύη και Αντώνη, για τη απεριόριστη συµπαράσταση που µου προσέφεραν. Τέλος, θα ήθελα να πω ένα µεγάλο ευχαριστώ στο σύζυγό µου Σωτήρη για την κατανόηση, υποµονή και επιµονή του. Χωρίς τη βοήθειά του δεν θα είχα καταφέρει να φέρω εις πέρας τη διδακτορική µου διατριβή, κάτω µάλιστα από το βάρος επαγγελµατικών υποχρεώσεων. ΕΛΕΝΗ Σ. ΓΑΛΑΝΗ Θεσσαλονίκη, εκέµβριος 2005 ii

13 Περιεχόµενα Πρόλογος... 7 Περιεχόµενα...iii 1. Εισαγωγή Τροπόσφαιρα και Τροποσφαιρικό Όζον ΣΥΣΤΑΣΗ ΚΑΙ ΟΜΗ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ ΤΟ ΤΡΟΠΟΣΦΑΙΡΙΚΟ ΟΖΟΝ ΚΑΙ ΟΙ ΤΑΣΕΙΣ ΤΟΥ ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΙ ΙΑΝΤΑΛΛΑΓΗΣ ΟΖΟΝΤΟΣ ΜΕΤΑΞΥ ΣΤΡΑΤΟΣΦΑΙΡΑΣ ΚΑΙ ΤΡΟΠΟΣΦΑΙΡΑΣ Εισαγωγή Τροπόπαυση Κυκλοφορία παγκόσµιας κλίµακας ιανταλλαγή στις τροπικές περιοχές ιανταλλαγή στα µεσαία γεωγραφικά πλάτη Ανίχνευση της Κατακόρυφης οµής του Όζοντος µε το Σύστηµα DIAL ΤΗΛΕΠΙΣΚΟΠΗΣΗ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ ΜΕ ΤΗ ΜΕΘΟ Ο LIDAR ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ DIAL ΤΟΥ Ε.Φ.Α Εισαγωγή ΤΕΧΝΙΚΗ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ DIAL ΤΟΥ Ε.Φ.Α Πηγή ακτινοβολίας λέιζερ Οπτική διάταξη εκποµπής ιάταξη ανίχνευσης Σύστηµα καταγραφής και αποθήκευσης των δεδοµένων ΒΑΣΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ ΚΑΙ ΟΡΙΣΜΟΙ ΤΗΣ ΤΕΧΝΙΚΗΣ LIDAR Η ΜΕΘΟ ΟΣ ΤΗΣ ΙΑΦΟΡΙΚΗΣ ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗΣ LIDAR (ΜΕΘΟ ΟΣ DIAL) Εισαγωγή...37 iii

14 3.5.2 Βασικές αρχές της µεθόδου DIAL Επιλογή των χρησιµοποιούµενων µηκών κύµατος ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΤΩΝ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ DIAL ΤΟΥ ΕΦΑ ΕΥΑΙΣΘΗΣΙΑ ΤΗΣ ΜΕΘΟ ΟΥ DIAL ιορθωτικοί όροι της εξίσωσης DIAL Επιλογή των χρησιµοποιούµενων µηκών κύµατος επιπτώσεις στους διορθωτικούς όρους Στατιστικό σφάλµα των µετρήσεων DIAL ΕΠΙΡΡΟΗ ΑΛΛΩΝ ΑΕΡΙΩΝ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Παραδείγµατα Μετρήσεων Όζοντος µε το σύστηµα DIAL του ΕΦΑ ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΑΞΙΟΠΙΣΤΙΑΣ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ DIAL ΤΟΥ ΕΦΑ Εισαγωγή Επαλήθευση της αξιοπιστίας του συστήµατος DIAL µε τη χρήση οζοντοβόλισης ΑΝΙΧΝΕΥΣΗ ΤΩΝ ΜΕΤΑΒΟΛΩΝ ΠΟΥ ΕΠΙΦΕΡΕΙ Η ΙΑΦΟΡΕΤΙΚΗ ΠΡΟΕΛΕΥΣΗ ΤΩΝ ΑΕΡΙΩΝ ΜΑΖΩΝ ΣΤΗΝ ΚΑΤΑΚΟΡΥΦΗ ΣΥΓΚΕΝΤΡΩΣΗ ΤΟΥ ΟΖΟΝΤΟΣ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ DIAL ΚΑΤΑ ΤΗΝ ΙΕΛΕΥΣΗ ΕΝΟΣ ΒΑΡΟΜΕΤΡΙΚΟΥ ΧΑΜΗΛΟΥ ΕΠΑΛΗΘΕΥΣΗ ΠΡΟΓΝΩΣΤΙΚΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ ECMWF ΣΥΣΧΕΤΙΣΗ ΤΩΝ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ DIAL ΜΕ ΤΙΣ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΕΣ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΟΖΟΝΤΟΣ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΚΑΤΑ ΤΗ ΙΑΡΚΕΙA ΗΛΙΑΚΗΣ ΕΚΛΕΙΨΗΣ Εισαγωγή Πειραµατικά δεδοµένα ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Ανίχνευση των Εισροών του Στρατοσφαιρικού Όζοντος στην Τροπόσφαιρα µε το σύστηµα DIAL του ΕΦΑ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΜΕΛΕΤΗ ΤΩΝ ΣΤΡΑΤΟΣΦΑΙΡΙΚΩΝ ΕΙΣΡΟΩΝ ΟΖΟΝΤΟΣ ΣΤΟ ΠΛΑΙΣΙΟ ΤΟΥ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΟΣ STACCAΤΟ Πειραµατικές µετρήσεις κατά τη διάρκεια επεισοδίων διανταλλαγής ΑΝΑΛΥΤΙΚΗ ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗ ΕΠΙΛΕΓΜΕΝΟΥ ΕΠΕΙΣΟ ΙΟΥ ΙΑΝΤΑΛΛΑΓΗΣ (STT) Εισαγωγή Παρουσίαση επεισοδίου στρατοσφαιρικής εισροής στις 9 Ιανουαρίου iv

15 5.4. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΤΩΝ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΩΝ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ ΟΖΟΝΤΟΣ ΜΕ ΤΟ ΣΥΣΤΗΜΑ DIAL ΚΑΤΑ ΤΗ ΙΑΡΚΕΙΑ ΕΠΕΙΣΟ ΙΩΝ ΙΑΝΤΑΛΛΑΓΗΣ ΤΡΟΠΟΣΦΑΙΡΑΣ-ΣΤΡΑΤΟΣΦΑΙΡΑΣ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Συµπεράσµατα και Προοπτικές Βιβλιογραφία ηµοσιεύσεις Παρουσιάσεις στο πλαίσιο της διατριβής Περίληψη... 7 Abstract... 9 Ευρετήριο Σχηµάτων Ευρετήριο Πινάκων v

16

17 1. Εισαγωγή Το αντικείµενο της διατριβής είναι η ανάπτυξη ενός συστήµατος τηλεπισκόπησης µε τη µέθοδο της ιαφορική Απορρόφησης (Μέθοδος DIAL) µε στόχο τη µελέτη της δοµής και της σύστασης της τροπόσφαιρας στον Ελλαδικό χώρο. Επίσης, πραγµατοποιήθηκε ο έλεγχος της αξιοπιστίας του, καθώς και η ανάπτυξη κατάλληλου αλγορίθµου επεξεργασίας των µετρήσεών του. Το σύστηµα, το πρώτο που λειτουργεί για τη µέτρηση τροποσφαιρικού όζοντος στη Νοτιοανατολική Ευρώπη, χρησιµοποιήθηκε σε διάφορες εφαρµογές, προκειµένου να µελετηθεί η δοµή και η σύσταση της τροπόσφαιρας στον Ελλαδικό χώρο. Η διατριβή επικεντρώνεται στη µέτρηση της κατακόρυφης κατανοµής του τροποσφαιρικού όζοντος, ιδιαίτερα σε περιπτώσεις που η συγκέντρωσή του αυξάνεται εξαιτίας κατακόρυφων εισροών στρατοσφαιρικού αέρα στην τροπόσφαιρα. Στο δεύτερο κεφάλαιο της παρούσας διατριβής εισάγονται οι βασικές έννοιες της τροπόσφαιρας και της τροπόπαυσης. Αναλύονται οι τάσεις του τροποσφαιρικού όζοντος στην Ευρώπη και παρουσιάζεται το πρόβληµα της Νοτιοανατολικής Μεσογείου, «το σταυροδρόµι των ρύπων». Πάνω από την εν λόγω περιοχή συγκλίνουν ρυπασµένες ατµοσφαιρικές µάζες από την υπόλοιπη Ευρώπη, την Αµερική και τη Νότια Ασία., αυξάνοντας σηµαντικά το τροποσφαιρικό όζον. Το γεγονός αυτό υπογραµµίζει την ανάγκη προσδιορισµού του εύρους των φαινοµένων µεταφοράς του τροποσφαιρικού όζοντος σε σχέση µε τη φωτοχηµική παραγωγή του. Ιδιαίτερα αναλύεται και περιγράφεται η κατακόρυφη µεταφορά όζοντος από τη στρατόσφαιρα, µηχανισµός που επηρεάζει και τον Ελλαδικό χώρο. Το φαινόµενο αυτό της διανταλλαγής αερίων µαζών µετα- 1

18 ξύ στρατόσφαιρας και τροπόσφαιρας αναλύεται µια και σχετίζεται µε τµήµα των πειραµατικών δεδοµένων της παρούσας διατριβής. Μέσω της τηλεπισκόπησης, µε τη χρήση λέιζερ παρέχεται η δυνατότητα διεξαγωγής µετρήσεων της καθ ύψους συγκέντρωσης των ατµοσφαιρικών συστατικών. Η µέθοδος έχει εφαρµογές και στο όζον. Στο τρίτο κεφάλαιο της διατριβής παρουσιάζονται οι βασικές αρχές της µεθόδου και ειδικότερα, αναλύεται η µέθοδος της ιαφορικής Απορρόφησης (Μέθοδος DIAL). Στη συνέχεια περιγράφεται η δοµή και η λειτουργία της διάταξης DIAL του Εργαστηρίου Φυσικής της Ατµόσφαιρας του Αριστοτελείου Πανεπιστηµίου Θεσσαλονίκης, καθώς και η µέθοδος και ο αλγόριθµος επεξεργασίας των πειραµατικών µετρήσεων που αναπτύχθηκε. Μετρήσεις µε το σύστηµα DIAL του ΕΦΑ ξεκίνησαν το Στο τέταρτο κεφάλαιο, όπου παρουσιάζονται και αναλύονται µετρήσεις, αρχικά ελέγχεται η αξιοπιστία του συστήµατος συγκρίνοντας τα πειραµατικά αποτελέσµατα µε αυτά µίας ΕCC-οζοντοβόλισης. Στη συνέχεια αναλύονται χαρακτηριστικές περιπτώσεις µετρήσεων και εξετάζεται η κατά περίπτωση επιφερόµενη επίπτωση στην κατακόρυφη δοµή του τροποσφαιρικού όζοντος. Ακόµη, εξετάζεται η ικανότητα του συστήµατος στην απεικόνιση των απότοµων µεταβολών του επιφανειακού όζοντος. Συγκρίνονται για δύο µήνες, το Νοέµβριο και το Μάιο του 2000, τα αποτελέσµατα των µετρήσεων DIAL, στο κατώτερη υψοµετρικά περιοχή τους, µε τις µετρήσεις ενός ηµοτικού Σταθµού καταγραφής της ατµοσφαιρικής ρύπανσης. Παρουσιάζεται επίσης το περιστατικό της ηλιακής έκλειψης στις 11 Αυγούστου του 1999, το οποίο και αποτυπώθηκε από το σύστηµα DIAL του ΕΦΑ. Στο πέµπτο κεφάλαιο παρουσιάζονται µετρήσεις που πραγµατοποιήθηκαν µε το σύστηµα DIAL του ΕΦΑ τα έτη , στο πλαίσιο του Ευρωπαϊκού Ερευνητικού Προγράµµατος «Επίδραση της διανταλλαγής στρατοσφαιρικού τροποσφαιρικού αέρα στην κλιµατική αλλαγή, την µεταφορά ατµοσφαιρικών µαζών και στην οξειδωτική ικανότητα της ατµόσφαιρας» (STACCATO). Η µελέτη των αποτελεσµάτων καταδεικνύει σε µερικές περιπτώσεις την επίδραση της Ελληνικής τροπόσφαιρας από τη στρατόσφαιρα, στην πλειοψηφία των ο- ποίων στο επίπεδο της µέσης τροπόσφαιρας. Οι µετρήσεις µε το σύστηµα DIAL του ΕΦΑ αποτελούν τις πρώτες και µοναδικές µέχρι σήµερα συστηµατικές µετρήσεις µε σύστηµα lidar επεισοδίων διανταλλαγής STT (stratosphere-to- 2

19 Εισαγωγή troposphere transport) στην περιοχή της Νοτιοανατολικής Ευρώπης. Στο ίδιο κεφάλαιο περιγράφεται αναλυτικά η µεθοδολογία αναλύσεως των µετρήσεων για περιπτώσεις που ανιχνεύτηκε µε το σύστηµα DIAL του ΕΦΑ όζον στρατοσφαιρικής προέλευσης στην τροπόσφαιρα και µετά παρουσιάζονται τα συγκεντρωτικά αποτελέσµατα των µετρήσεων σε όλη τη διάρκεια των δύο ετών που διήρκεσε το πρόγραµµα. Στο τέλος της διατριβής γίνεται κατά κεφάλαιο µία σύνοψη των επιµέρους συµπερασµάτων. Παρουσιάζονται επιπρόσθετα οι προοπτικές βελτίωσης του συστήµατος DIAL του ΕΦΑ. 3

20 4

21 2. Τροπόσφαιρα και Τροποσφαιρικό Όζον Τ ις δύο τελευταίες δεκαετίες έχουν πραγµατοποιηθεί σηµαντικές προσπάθειες ώστε να διερευνηθούν οι µηχανισµοί δηµιουργίας και καταστροφής του τροποσφαιρικού όζοντος, καθώς και να µελετηθεί το ισοζύγιό του στην τροπόσφαιρα. Με την πρόοδο που έχει ήδη σηµειωθεί έχουν σε ικανοποιητικό βαθµό εξηγηθεί οι διεργασίες που σχετίζονται µε το ισοζύγιο του όζοντος στην τροπόσφαιρα. Όµως, ακόµη και σήµερα, παραµένουν ορισµένα ανοικτά ζητήµατα (π.χ. η ποσοτικοποίηση των διανταλλαγών µεταξύ της τροπόσφαιρας και της στρατόσφαιρας σε πλανητική κλίµακα) η επίλυση των οποίων θα συνεισφέρει σηµαντικά στη βελτίωση των προγνωστικών µοντέλων της ατµοσφαιρικής ρύπανσης. Έτσι, θα καταστεί εφικτό να προσοµοιώνουν µε µεγαλύτερη ακρίβεια τις πραγµατικές συνθήκες. Ένα από τα θέµατα που χρήζουν περαιτέρω διερεύνησης είναι η µελέτη των φαινοµένων και των µηχανισµών που επηρεάζουν την κατακόρυφη κατανοµή του τροποσφαιρικού όζοντος. Ο χώρος της Μεσογείου, όπου παρατηρούνται το καλοκαίρι οι υψηλότερες συγκεντρώσεις του στην Ευρώπη, έχει αποτελέσει το αντικείµενο πολλών ερευνών. Το ιδιαίτερα αυξηµένο τροποσφαιρικό όζον της περιοχής συναρτάται όχι µόνο µε τη φωτοχηµική παραγωγή ή τις τοπικές πηγές εκποµπής [1], αλλά κυρίως µε φαινόµενα µεταφοράς από µεγάλες αποστάσεις [2], [3]. Στο κεφάλαιο που ακολουθεί παρουσιάζεται αρχικά η δοµή και η σύσταση της ατµόσφαιρας µε ιδιαίτερη έµφαση στο τροποσφαιρικό όζον. Εν συνεχεία, ανα- 5

22 λύονται οι µηχανισµοί που διακατέχουν τη µεταφορά του και ειδικότερα αυτός που συνεισφέρει στο ισοζύγιό του ως φυσική και όχι ανθρωπογενής πηγή του: ο µηχανισµός της διανταλλαγής όζοντος ανάµεσα στη στρατόσφαιρα και την τροπόσφαιρα Σύσταση και δοµή της ατµόσφαιρας Είναι ευρέως αποδεκτό ότι η µισή µάζα της ατµόσφαιρας βρίσκεται συγκεντρωµένη γύρω από τη γη και µέχρι το ύψος των 5.5 km, ενώ το 99% αυτής µέχρι το ύψος των 30 km. Ο Πίνακας 2.1 περιγράφει τα κυριότερα συστατικά της ατµόσφαιρας και η σχετική, κατ όγκο, συγκέντρωσή τους (αναφερόµενοι κυρίως σε µέσες τιµές και στο χαµηλότερο τµήµα της ατµόσφαιρας). Μόρια Πίνακας 2.1: Συστατικά της Γήινης Ατµόσφαιρας [4] Ποσοστό ανάµειξης (κατ όγκο) * Χαρακτηριστικά Ν Υψηλή φωτοχηµική διάσπαση στην ιονόσφαιρα, ανάµειξη σε χαµηλότερα επίπεδα O Φωτοχηµική διάσπαση πάνω από τα 95 km, ανάµειξη σε χαµηλότερα επίπεδα H 2 O < 0.04 Πολύ ευµετάβλητη συγκέντρωση, φωτοδιάσπαση πάνω από τα 80 km A 9.34 x 10-3 Ανάµειξη µέχρι τα 110 km CO x10-4 Ανάµειξη µέχρι τα 100 km, διάσπαση υψηλότερα CH x 10-6 Ανάµειξη στη τροπόσφαιρα, διάσπαση στη µεσόσφαιρα N 2 O 3.5 x 10-7 Ευµετάβλητη επιφανειακή συγκέντρωση, διάσπαση στη στρατόσφαιρα και µεσόσφαιρα CO 7 x 10-8 Μεταβαλλόµενη παραγωγή λόγω φωτοχη- µείας ή καύσης O 3 ~ x 10-8 Ευµετάβλητη συγκέντρωση, φωτοχηµική παραγωγή Πηγή η βιοµηχανική δραστηριότητα, ανάµειξη στην τροπόσφαιρα; διάσπαση στη στρα- CFCl 3 & 1-2 x CF 2 Cl 2 τόσφαιρα * αναφορά σε µέσες τιµές και στο χαµηλότερο τµήµα της ατµόσφαιρας 6

23 Τροπόσφαιρα και Τροποσφαιρικό Όζον Παράλληλα, στο Σχήµα 2.1 παρουσιάζεται η κατακόρυφη κατανοµή της αναλογίας µείγµατος διαφόρων αντιπροσωπευτικών ατµοσφαιρικών συστατικών, για συνήθης συνθήκες µέσου γεωγραφικού πλάτους [15]. Ο διαχωρισµός της ατµόσφαιρας σε ατµοσφαιρικές περιοχές είναι δυνατό να γίνει µε βάση τις διαφορετικές φυσικές και χηµικές ιδιότητες των στρω- µάτων της, αλλά και τους µηχανισµούς που τα χαρακτηρίζουν. Χρησιµοποιώντας τη θερµοκρασιακή µεταβολή καθ ύψος είναι δυνατόν να διακρίνουµε τέσσερις ατµοσφαιρικές περιοχές. Η κατώτερη είναι η τροπόσφαιρα, η οποία εκτείνεται, ανάλογα µε τον τόπο και την εποχή του έτους, από τα 12±4 km. Χαρακτηρίζεται από τη συνεχή µείωση της θερµοκρασίας µε το ύψος µε ρυθµό C ανά 300 m (περίπου 6 C /km) και έχει ως ανώτερο όριό της την τροπόπαυση. Εν συνεχεία, εκτείνεται η στρατόσφαιρα (µέχρι το ύψος των 50 km περίπου) στην οποία σηµειώνεται σταδιακή άνοδος της θερµοκρασίας µε το ύψος, καταλήγοντας περίπου στους 0 C στα 50 km. Στην επόµενη ατµοσφαιρική περιοχή, τη µεσόσφαιρα, ακολουθεί νέα πτώση της θερµοκρασίας µέχρι και τα km, φθάνοντας περίπου τους 100 C στα 85 km. Τέλος, ακολουθεί η θερµόσφαιρα, κατά µήκος της οποίας η θερµοκρασία αυξάνεται σταθερά µε το ύψος. Σχήµα 2.1: Κατακόρυφη κατανοµή αναλογίας µείγµατος (mixing ratio) των κυριότερων ατµοσφαιρικών συστατικών [15]. 7

24 2.2. Το τροποσφαιρικό όζον και οι τάσεις του Ο ρόλος του όζοντος στη διάδοση της ηλιακής ακτινοβολίας, αλλά και γενικότερα η συµβολή του στο γήινο ενεργειακό ισοζύγιο είναι καθοριστικοί παράγοντες. Το όζον θεωρείται πλέον από τα πιο σηµαντικά συστατικά της µέσης και χαµηλής ατµόσφαιρας. Εντοπίζεται τόσο στη στρατόσφαιρα όσο και στην τροπόσφαιρα, ενώ η συνήθης κατακόρυφη κατανοµή του παρουσιάζεται στο Σχήµα 2.2. Το στρατοσφαιρικό όζον δρα προστατεύοντας τη βιόσφαιρα από τη βλαβερή επίδραση της υπεριώδους ακτινοβολίας του ηλίου. Το τροποσφαιρικό όζον, αντιθέτως, συνεισφέρει στο φαινόµενο του θερµοκηπίου [5], συντελεί στη εµφάνιση επεισοδίων ατµοσφαιρικής ρύπανσης και σε υψηλές συγκεντρώσεις δρα τοξικά στη βλάστηση αλλά και στα έµβια όντα. Η χρόνος ζωής του δεν είναι ίδιος σε όλες τις περιοχές της ατµόσφαιρας, γεγονός που αυξάνει το βαθµό δυσκολίας της µελέτης του. Είναι δυνατό να υφίσταται για µόλις µερικά λεπτά εντός του οριακού στρώµατος σε αστικές περιοχές, για µερικές ηµέρες στην περίπτωση µη βεβαρηµένου οριακού στρώµατος, αλλά ακόµη και για µερικούς µήνες στην ελεύθερη τροπόσφαιρα. Η συγκέντρωσή του επηρεάζεται χηµικά από άλλους ρύπους, καθώς και από την υπεριώδη ακτινοβολία. Στις ηπειρωτικές δε περιοχές πρέπει να προστεθεί στη µελέτη του ισοζυγίου του και ο παράγοντας της ξηρής εναπόθεσης. Έχει αποδειχθεί ότι και οι ανθρώπινες δραστηριότητες επηρεάζουν τη συγκέντρωση και την κατανοµή του όζοντος στην ατµόσφαιρα. Οι αυξανόµενες εκποµπές ρύπων όπως τα οξείδια του αζώτου (NO x ), το µονοξείδιο του άνθρακα (CO), το µεθάνιο (CH 4 ) κ.α., οδήγησαν στην αυξητική τάση του όζοντος κατά 1,5% το χρόνο τον τελευταίο αιώνα. Από τη δεκαετία του 1970 το τροποσφαιρικό όζον στα µέσα γεωγραφικά πλάτη του βορείου ηµισφαιρίου αυξάνεται µε ρυθµό περίπου 10% ανά δεκαετία [6], [8], [9]. Πρόσφατες µελέτες έδειξαν ότι οι ανθρωπογενείς εκποµπές ρύπων που συµµετέχουν στη φωτοχηµική διεργασία δηµιουργίας του όζοντος µεταφέρονται και σε αποµακρυσµένες περιοχές, µε αποτέλεσµα να επηρεάζονται οι συγκεντρώσεις του τροποσφαιρικού όζοντος σε µεγάλες περιοχές και στα δύο ηµισφαίρια [10]. Οι παραπάνω παράγοντες αναδεικνύουν την άµεση και συνεχή ανάγκη παρακολούθησης της κατακόρυφης και χωρικής κατανοµής του ατµοσφαιρικού όζοντος και ειδικά των περιοχών της τροπόσφαιρας και της κατώτερης στρατόσφαιρας, προκειµένου να γίνει 8

25 Τροπόσφαιρα και Τροποσφαιρικό Όζον Σχήµα 2.2: Το όζον στην ατµόσφαιρα [5]. εφικτή η κατανόηση της φυσικο-χηµικής του συµπεριφοράς και των µελλοντικών τάσεων του. Στο Σχήµα 2.3 παραθέτονται οι κυριότερες µέθοδοι µέτρησης του όζοντος. Οι τεχνικές αυτές περιλαµβάνουν µετρήσεις µέσω δορυφόρων, µε τη χρήση κατάλληλα εξοπλισµένων αεροσκαφών, τη χρήση οζοντοβολίδων, αλλά και συστηµάτων λέιζερ. Οι γνώσεις που έχουµε µέχρι σήµερα για την κατακόρυφη δοµή του όζοντος στην ελεύθερη τροπόσφαιρα προέρχονται κυρίως από µετρήσεις µε οζοντοβολίδες (ozonesondes) ή από πτήσεις κατάλληλα εξοπλισµένων αεροπλάνων. Σε ειδικές περιπτώσεις έχουν χρησιµοποιηθεί και συστήµατα lidar-dial, χωρίς όµως να υπάρχει µέχρι σήµερα οργανωµένο δίκτυο σχετικών µετρήσεων. 9

26 Σχήµα 2.3: Οι κυριότερες µέθοδοι µέτρησης του ατµοσφαιρικού όζοντος [5] Μηχανισµοί διανταλλαγής όζοντος µεταξύ στρατόσφαιρας και τροπόσφαιρας Εισαγωγή Η πολυπλοκότητα των µηχανισµών δηµιουργίας και καταστροφής του όζοντος καταδεικνύει την ανάγκη της παράλληλης συνεκτίµησης των ρόλων της φωτοχηµείας και της µεταφοράς στο ισοζύγιό του. Σύµφωνα µε την ανάλυση των οπισθοτροχιών των αερίων µαζών [11] στο πλαίσιο του πειράµατος Mediterranean Intensive Oxidant Study, MINOS [2] η ανατολική Μεσόγειος αποτελεί σταυροδρόµι των ρύπων». Είναι η περιοχή πάνω από την οποία συγκλίνουν ρυπασµένες ατµοσφαιρικές µάζες από την υπόλοιπη Ευρώπη, την Α- µερική και τη Νότια Ασία, αυξάνοντας σηµαντικά το τροποσφαιρικό όζον, αλλά και άλλους ρύπους όπως το µονοξείδιο του άνθρακα, τα αιωρούµενα σωµατίδια, τα οξείδια του αζώτου κ.α.. Προκειµένου να εξακριβωθεί το εύρος της ανθρωπογενούς συνεισφοράς στο ισοζύγιο του όζοντος απαιτείται περαιτέρω διερεύνηση των φυσικών µηχανισµών τροφοδότησης του τροποσφαιρικού όζοντος. Μέσω διαφόρων ατµοσφαιρικών µοντέλων [12], [13], [14] έχει εκτιµηθεί ότι οι διεργασίες της κατακόρυφης µεταφοράς του, και ειδικά της διανταλλαγής µεταξύ στρατόσφαιρας και τροπόσφαιρας αποτελούν σηµαντική φυσική πηγή του εν λόγω ρύπου. 10

27 Τροπόσφαιρα και Τροποσφαιρικό Όζον Στις παραγράφους που ακολουθούν αναλύονται οι µηχανισµοί αλληλεπίδρασης στρατόσφαιρας-τροπόσφαιρας που οδηγούν στην κατακόρυφη µεταφορά του όζοντος. Παρατίθεται αρχικά ο ορισµός και ο µηχανισµός λειτουργίας της τροπόπαυσης. Στη συνέχεια αναλύονται οι µηχανισµοί µεταφοράς που επικρατούν στην περιοχή της, τόσο µέσω διαδικασιών παγκόσµιας, όσο και µικρότερης, κλίµακας Τροπόπαυση Οι δύο κατώτερες περιοχές της ατµόσφαιρας, η τροπόσφαιρα και η στρατόσφαιρα, αν και είναι χωρικά διαδοχικές, διαφέρουν σηµαντικά ως προς τα συστατικά τους και τη φυσική τους συµπεριφορά. Η πρώτη, θερµαινόµενη από το έδαφος, είναι ιδιαίτερα ασταθής και χαρακτηρίζεται από ισχυρές κατακόρυφες αναταράξεις, µε κύριους του µηχανισµούς της κατακόρυφης ανάµειξης (vertical mixing) και της µεταγωγής θερµότητας (convection). Για παράδειγµα, τα τροποσφαιρικά µόρια ενός αερίου συστατικού είναι δυνατόν να διασχίσουν όλο το εύρος της τροπόσφαιρας, σε χρονική διάρκεια µερικών ηµερών κάτω από ήρεµες µετεωρολογικές συνθήκες, αλλά και σε µερικά λεπτά κάτω από συνθήκες καταιγίδας [16]. Αντίθετα, η στρατόσφαιρα χαρακτηρίζεται από ευστάθεια, πολύ µικρής κλίµακας κατακόρυφη ανάµειξη, µε αντίστοιχα χρονικές κλίµακες των αρκετών µηνών ή ετών. Οι παραπάνω διαφορές οδηγούν στην αναγκαιότητα προσδιορισµού της ιδεατής επιφάνειας διαχωρισµού των δύο ατµοσφαιρικών περιοχών, γνωστή ως τροπόπαυση. Ο εν λόγω διαχωρισµός είναι κρίσιµος και αναγκαίος προκειµένου να παρακολουθηθούν οι διαδικασίες ανταλλαγής ατµοσφαιρικών αερίων µαζών µεταξύ των στρωµάτων. Το ύψος της τροπόπαυσης διαφέρει σε διαφορετικά γεωγραφικά πλάτη και για διαφορετικές εποχές. Βρίσκεται χαµηλότερα στους πόλους (~8 km) και υψηλότερα στον ισηµερινό (~16 km) (Σχήµα 2.4). Είναι ευκολότερο να εντοπιστεί η τροπόπαυση στους τροπικούς, διότι συχνά χαρακτηρίζεται από µία ασυνέχεια στο ρυθµό µείωσης της τροποσφαιρικής θερµοκρασίας. υστυχώς σε µεγαλύτερα γεωγραφικά πλάτη το ακριβές ύψος της τροπόπαυσης είναι δύσκολο να προσδιοριστεί, ιδιαίτερα σε περιπτώσεις όπου συµβαίνει διανταλλαγή αερίων µαζών µεταξύ της τροπόσφαιρας και της στρατόσφαιρας. 11

28 Σχήµα 2.4: Τοµή κατά γεωγραφικό πλάτος και υψόµετρο της µέσης κατά γεωγραφικό µήκος δυναµικής θερµοκρασίας (συνεχείς γραµµές) και της θερµοκρασίας (εστιγµένες γραµµές). Η παχιά συνεχής γραµµή αντιστοιχεί στην επιφάνεια των 2 PVU που θεωρητικά προσεγγίζει την τροπόπαυση πέρα των τροπικών. Πηγή:[17]. Σύµφωνα µε τον Παγκόσµιο Μετεωρολογικό Οργανισµό [18] η τροπόπαυση ορίζεται ως το χαµηλότερο επίπεδο στο οποίο ο ρυθµός µείωσης της θερµοκρασίας έχει µειωθεί στους 2 Κ/km ή λιγότερο, υπό την προϋπόθεση ότι για τα υπερκείµενα σε αυτό στρώµατα σε απόσταση 2 km ο µέσος ρυθµός µείωσης δεν υπερβαίνει τους 2 Κ/km. ηλαδή η τροπόπαυση περιγράφεται από την τάση αύξησης της στατικής ευστάθειας κινούµενοι από την τροπόσφαιρα προς τη στρατόσφαιρα. Ωστόσο, ο «θερµικός» αυτός ορισµός της τροπόπαυσης δεν λαµβάνει υπόψη το γεγονός ότι η ευστάθεια δε διατηρείται υπό αδιαβατικές συνθήκες, και ότι από χηµικής απόψεως, η τροπόπαυση συµπεριφέρεται σαν µία επιφάνεια. Η επιφάνεια αυτή προσεγγιστικά µπορεί να θεωρηθεί ότι προσδιορίζεται α) για την περιοχή των τροπικών από την ισεντροπική επιφάνεια δυναµικής θερµοκρασίας 380 ºΚ (µέση ετήσια τιµή) [16], [19], β) στα µεσαία πλάτη από επιφάνεια σταθερού δυνητικού στροβιλισµού (PV, Potential Vorticity) [20]. Το κριτήριο του δυνητικού στροβιλισµού εισήγαγε πρώτος ο Reed [21] λαµβάνοντας υπόψη ότι οι τιµές αυτού του µεγέθους στη στρατόσφαιρα είναι πολύ µεγαλύτερες από ότι στην τροπόσφαιρα. Οι δυο προαναφερθέντες προσεγγιστικοί 12

29 Τροπόσφαιρα και Τροποσφαιρικό Όζον ορισµοί σε µικρότερες χωρικά και χρονικά κλίµακες διαφέρουν αισθητά µεταξύ τους [22]. Αποδεχόµενοι τον ορισµό της τροπόπαυσης µέσω του δυνητικού στροβιλισµού είναι χρήσιµο, επισηµαίνοντας τον ορισµό του εν λόγω µεγέθους να επεξηγήσουµε τις ιδιότητές του. Ο δυνητικός στροβιλισµός ορίζεται ως ο απόλυτος στροβιλισµός αέριας µάζας, ζ θ +f, πολλαπλασιασµένος µε τη θερµική του ευστάθεια, δθ/δp, δηλαδή: δθ PV = g( ζ θ + f ) (2.1) δp όπου ζ θ ο σχετικός ισεντροπικός στροβιλισµός (s -1 ), f η παράµετρος Coriolis (s - 1 ),, θ η δυναµική θερµοκρασία (K), g η επιτάχυνση της βαρύτητας (ms -2 ), και p η πίεση (Pa). Στην τροπόσφαιρα οι τιµές του δυνητικού στροβιλισµού είναι συνήθως χαµηλές, ενώ αυξάνονται έντονα κατά τη µετάβαση από την τροπόσφαιρα στη στρατόσφαιρα, αντικατοπτρίζοντας τη σηµαντική αλλαγή στη στατική ευστάθεια. Οι τιµές του δυνητικού στροβιλισµού στη στρατόσφαιρα είναι σαφώς µεγαλύτερες, διότι µεταβάλλεται η παράµετρος δθ/δp της θερµικής ευστάθειας. Στη στρατόσφαιρα η θέρµανση λαµβάνει χώρα από άνωθεν, µέσω του στρώµατος του στρατοσφαιρικού όζοντος, σε αντίθεση µε την τροπόσφαιρα που θερµαίνεται από το έδαφος. Ο δυνητικός στροβιλισµός διατηρείται σε αδιαβατικές κινήσεις χωρίς τριβές και γι αυτό χρησιµοποιείται ευρέως ως ιχνηθέτης µεταφοράς αερίων µαζών. Σύµφωνα µε τον WMO [23] η δυναµική τροπόπαυση ορίζεται ως η επιφάνεια µε δυνητικό στροβιλισµό 1.6 PVU (PVU: potential vorticity unit, 1 PVU=10 6 m 2 s -1 K kg -1 ). Έχουν καταγραφεί όµως και άλλες οριακές τιµές του δυνητικού στροβιλισµού σε διάφορες µελέτες, π.χ. η τιµή των 2 PVU ή των 3.5 PVU [24]. Όπως φαίνεται και στο Σχήµα 2.4, στο οποίο έχει επιλεγεί η τιµή των 2 PVU, η τροπόπαυση «κατεβαίνει» πλησιάζοντας γεωγραφικά στους πόλους «τέµνοντας» ισεντροπικές επιφάνειες Κυκλοφορία παγκόσµιας κλίµακας Η κυκλοφορία παγκοσµίου κλίµακας συντελεί στη διανταλλαγή αερίων µαζών µεταξύ της στρατόσφαιρας και της τροπόσφαιρας. Όπως σχηµατικά θα 13

30 µπορούσε να περιγραφεί (Σχήµα 2.5), η κυκλοφορία ξεκινά στις τροπικές περιοχές, όπου συµβαίνει η άνοδος των τροποσφαιρικών αερίων µαζών [25], συνεχίζεται στους υπερτροπικούς µε τη µεταφορά τους στη στρατόσφαιρα [26], και ολοκληρώνεται στα µέσα και µεγάλα γεωγραφικά πλάτη, όπου οι µάζες κινούνται καθοδικά από τη στρατόσφαιρα στο χώρο της τροπόσφαιρας [16]. Αυτού του είδους η µετακίνηση βρίσκεται σε συµφωνία µε τη γνωστή θεωρία Brewer-Dobson [27], σύµφωνα µε την οποία στροβιλώδεις κινήσεις όπως τα κύµατα Rossby και τα βαρυτικά κύµατα (gravity waves) παίζουν το ρόλο µιας «αντλίας» ευρισκόµενης στη στρατόσφαιρα και τη µεσόσφαιρα των µεσαίων πλατών, η οποία επιφέρει ως αποτέλεσµα τη σταδιακή άντληση αέρα από τη τροπική ανώτερη τροπόσφαιρα και τη µετακίνησή του προς τους πόλους και εν συνεχεία προς τα κάτω [28]. Στα µεγάλα πλάτη όπου οι αέριες µάζες ωθούνται προς τα κάτω (κυρίως το χειµώνα και την άνοιξη) λαµβάνει χώρα αδιαβατική θέρµανση [16], ενώ στις τροπικές περιοχές η άνοδος των αερίων µαζών ακολουθείται από αδιαβατική ψύξη. Η συνεισφορά των κυµάτων Rossby είναι ιδιαίτερης σηµασίας καθώς επιφέρουν µεταβολές, κατά γεωγραφικό πλάτος και εποχή, σε συγκεκριµένες επιφάνειες της κατώτερης στρατόσφαιρας (π.χ. στην ισεντροπική επιφάνεια των 380 Κ). Ο ρόλος των µεσοσφαιρικών κυµάτων βαρύτητας καθίσταται ση- µαντικός κατά το χειµώνα του νοτίου ηµισφαιρίου. Επίσης, θεωρείται ότι έχουν καθοριστικό ρόλο και στην εποχιακή διακύµανση του ανοδικού τµήµατος της κυκλοφορίας στην µεσαία και ανώτερη στρατόσφαιρα στο θερινό ηµισφαίριο. Για την ευκολότερη κατανόηση του φαινοµένου της διανταλλαγής εισήχθη ο όρος της «κατώτερης στρατόσφαιρας» (lowermost stratosphere), η οποία στο Σχήµα 2.5 παρουσιάζεται ως η σκιασµένη περιοχή. Η περιοχή αυτή αποτελεί τµήµα τόσο της κατώτερης στρατόσφαιρας όσο και της ανώτερης τροπόσφαιρας. Eντός της συµβαίνει µη-αντιστρέψιµη µεταφορά αερίων µαζών, εξαιτίας αδιαβατικών στροβιλωδών κινήσεων (eddy motions), µε συνέπεια τη µεγάλη (κατά γεωγραφικό πλάτος) µετατόπιση της τροπόπαυσης. Όπως παρουσιάζεται και στο Σχήµα 2.5 στη µεν τροπόσφαιρα έχουµε, µέσω της υγρής εναπόθεσης, µεταφορά κάθετα στις ισεντροπικές επιφάνειες, στη δε στρατόσφαιρα µετακίνηση κατά µήκος των ισεντροπικών επιφανειών [16]. Υπάρχει δηλαδή σαφής διάκριση µεταξύ των δύο ατµοσφαιρικών αυτών περιοχών και της «κατώτερης στρατόσφαιρας», στην οποία συµβαίνουν συνοπτικής και µικρής κλίµακας µε- 14

31 Τροπόσφαιρα και Τροποσφαιρικό Όζον τακινήσεις, καθώς και οριζόντια ανάµειξη. Κατά κανόνα, η διανταλλαγή µεταξύ της κατώτατης στρατόσφαιρας και της τροπόσφαιρας είναι αρκετά γρηγορότερη σε σχέση µε τη διανταλλαγή µεταξύ της κατώτατης στρατόσφαιρας και της λοιπής στρατόσφαιρας. Σχήµα 2.5 : Σχηµατική απεικόνιση της ατµοσφαιρικής κυκλοφορίας µεγάλης κλίµακας σύµφωνα µε τους Ηolton et al. [16]. Η τροπόπαυση παρουσιάζεται µε τη έντονη µαύρη γραµµή, ενώ οι ισεντροπικές επιφάνειες µε διακεκοµµένες γραµµές. Σηµειώνεται ότι σύµφωνα µε νεότερα στοιχεία τα νέφη τύπου cumulonimbus δεν εισέρχονται στη στρατόσφαιρα. Σύµφωνα µε τον Hoskins [29], είναι χρήσιµος ο περαιτέρω διαχωρισµός της κατώτερης στρατόσφαιρας σε τρεις διαφορετικές περιοχές: τον άνω-κόσµο (overworld), τον µεσο-κόσµο (middleworld) και τον κάτω-κόσµο (underworld). O άνω-κόσµος είναι κατά προσέγγιση η περιοχή πάνω από την ισεντροπική ε- πιφάνεια των 380 Κ και χωροθετείται εντός της κατώτερης στρατόσφαιρας. Η µεταφορά από τον άνω-κόσµο στην τροπόσφαιρα είναι αργή διότι απαιτείται διαβατική ψύξη προκειµένου οι αέριες µάζες να τµήσουν τις ισεντροπικές επιφάνειες. Στον µέσο-κόσµο οι ισεντροπικές επιφάνειες βρίσκονται εν µέρει στην τροπόσφαιρα (τροπικές περιοχές) και εν µέρει στην κατώτατη στρατόσφαιρα (µεσαία και µεγάλα γεωγραφικά πλάτη). Εκεί είναι δυνατή η ταχεία διανταλλαγή µεταξύ του στρατοσφαιρικού και του τροποσφαιρικού τµήµατος του µεσοκόσµου κατά µήκος των ισεντροπικών, και προς τις δύο κατευθύνσεις. Ο κάτω- 15

32 κόσµος κείται εντός της τροπόπαυσης και η µεταφορά αέρα από εκεί προς τη στρατόσφαιρα γίνεται κάθετα στις ισεντροπικές επιφάνειες και προϋποθέτει διαβατική θέρµανση ιανταλλαγή στις τροπικές περιοχές Στις τροπικές περιοχές, όπου η τροπόπαυση βρίσκεται πιο ψηλά και οι θερµοκρασίες στο αντίστοιχο ύψος είναι χαµηλότερες [19], αέριες µάζες από την επιφάνεια ανέρχονται, εντός του κυττάρου Hadley, στην ανώτερη τροπόσφαιρα και στη συνέχεια, µέσω της κυκλοφορίας Brewer-Dobson, εισρέουν στη στρατόσφαιρα. Μέχρι σήµερα υπάρχουν διάφορες εκδοχές σχετικά µε τον τρόπο και τις λεπτοµέρειες της εισροής του αέρα στη στρατόσφαιρα, καθώς και το εύρος της. Για τη µεταφορά αέρα στην ξηρή στρατόσφαιρα, όπου ο χαµηλός λόγος ανά- µειξης των υδρατµών δεν εξηγείται από την µέση θερµοκρασία στο ύψος της τροπόπαυσης στους τροπικούς, απαιτείται η ενεργοποίηση κάποιου µηχανισµού µεταφοράς στις πιο ψυχρές περιοχές της τροπόσφαιρας. Όµως µε µεταγωγή θερµότητας (convection) οι αέριες µάζες µπορούν να ανέλθουν µέχρι και τα ανώτερα όρια του κυττάρου Hadley (π.χ. στα 200hPa). Ακόµη και µέσω των νεφών cumulonimbus θα µπορούσαν να φθάσουν µέχρι και τα 140 hpa, ύψος αρκετά χαµηλότερο από το σύνηθες ύψος της τροπόπαυσης ( hpa) [19]. Προκειµένου να αντιµετωπιστεί αυτό το κενό στην µεταφορά προς τη στρατόσφαιρα, οι Newell και Gould-Stewart [30] πρότειναν την ύπαρξη χωρικά περιορισµένων περιοχών της τροπόπαυσης µε ιδιαιτέρως χαµηλές θερµοκρασίες, στις οποίες απέδωσαν τον όρο «στρατοσφαιρικοί πίδακες (stratospheric fountains), µέσω των οποίων αέριες µάζες ανέρχονται αργά στη στρατόσφαιρα, κατά τη διάρκεια συγκεκριµένων εποχών του έτους [31], [32] ή ακόµη και καθ όλη τη διάρκειά του [33], [34]. Επίσης, εναλλακτικά, η µεταφορά προς τη στρατόσφαιρα θα µπορούσε να γίνει µέσω των πιο ψυχρών cumulonimbus νεφών, που εισρέουν µέσω της τροπόπαυσης, είτε µε την εκτεταµένη άνοδο των αερίων µαζών στην περιοχή της τροπόπαυσης των τροπικών [16] που σχετίζεται µε το σχηµατισµό διεσπαρµένων νεφών cirrus στην ανώτερη τροπόσφαιρα. Oι Highwood και Hoskins [19] εισήγαγαν την παρουσία µιας µεταβατικής ζώνης πάνω από τη ψυχρή τροπική τροπόπαυση και µεταξύ της κορυφής 16

33 Τροπόσφαιρα και Τροποσφαιρικό Όζον κορυφής του ανοδικού τµήµατος του κυττάρου Hadley και της στρατοσφαιρικής κυκλοφορίας Brewer-Dobson. Η ζώνη αυτή παρουσιάζει παρόµοιες ιδιότητες µε την αντίστοιχη µεταβατική ζώνη (entrainment zone) µεταξύ της ελεύθερης τροπόσφαιρας και του οριακού στρώµατος [35]. Σύµφωνα µε την εν λόγω θεώρηση, σε αυτή εξελίσσεται η άνοδος, µετά από θέρµανση, των τροποσφαιρικών αερίων µαζών προς τη στρατόσφαιρα. Σηµειώνεται ότι αν και γενικά η περιοχή των τροπικών αποτελεί τη γεωγραφική περιοχή στην οποία συµβαίνει κυρίως η άνοδος του τροποσφαιρικού αέρα στη στρατόσφαιρα, έχει παρατηρηθεί και η αντίθετη κίνηση, είτε µέσω των κυµάτων Kelvin [36], είτε κατά τους τροπικούς κυκλώνες [37] ιανταλλαγή στα µεσαία γεωγραφικά πλάτη Όπως έχει ήδη αναφερθεί, το κύριο µέρος της διανταλλαγής αερίων µαζών από τη στρατόσφαιρα στην τροπόσφαιρα στα µεσαία γεωγραφικά πλάτη (extratropics), λαµβάνει χώρα χαµηλότερα στις περιοχές όπου η τροπόπαυση τέµνει τις ισεντροπικές επιφάνειες. Η ισεντροπική αυτή µεταφορά έχει σαν α- ποτέλεσµα µετατοπίσεις της τροπόπαυσης από τη θέση ισορροπίας της. Στα µεσαία πλάτη οι µηχανισµοί που σχετίζονται µε τη διανταλλαγή µεταξύ στρατόσφαιρας και τροπόσφαιρας χαρακτηρίζονται γενικότερα ως µεσαίας και συνοπτικής κλίµακας και συνδέονται µε: α) αναδίπλωση της τροπόπαυσης (tropopause folding) πλησίον τόσο του πολικού αεροχειµάρρου [20], [38], [39], [40], [41], [42] όσο και του υποτροπικού [43], β) αποκοµµένα βαροµετρικά χαµηλά (cut-off lows) [44], γ) µεταγωγή θερµότητας µεσαίας κλίµακας (mesoscale convective complexes) [45], δ) κεραυνοί [46] και ε) καταρρέοντα κύµατα βαρύτητας (breaking gravity waves) [47]. Από αυτούς, µεγαλύτερης σηµασίας είναι οι αναδιπλώσεις της τροπόπαυσης και τα αποκοµµένα βαροµετρικά χαµηλά, καθώς συνδέονται µε τις προαναφερθείσες κατά γεωγραφικό πλάτος µετατοπίσεις της τροπόπαυσης και την µεταφορά µεγάλων ποσοτήτων αερίων µαζών. Οι δύο µηχανισµοί αυτοί έχουν οµοιότητες µεταξύ τους αφού στη µεν πρώτη περίπτωση δίνεται έµφαση στην κατακόρυφη δοµή µιας στρατοσφαιρικής εισροής, στη δε δεύτερη στην οριζόντια. Η εισαγωγή του όρου αναδίπλωση της τροπόπαυσης και η αρχική περιγραφή του φαινοµένου έγινε από τους Reed (1955), ενώ στη συνέχεια ακολού- 17

34 θησαν και πειραµατικές µετρήσεις που επιβεβαίωσαν την ερµηνεία του. Όπως φαίνεται και στο Σχήµα 2.6 στην αριστερή πλευρά του αεροχειµάρρου συµβαίνει καθοδική κίνηση των στρατοσφαιρικών αερίων µαζών, ενώ στη δεξιά πλευρά καθοδική κίνηση των τροποσφαιρικών αερίων µαζών. Η διαδικασία αυτή είναι αδιαβατική, συνεπώς η συνισταµένη καθοδική κίνηση του στρατοσφαιρικού αέρα έχει κατεύθυνση προς τον ισηµερινό (νότια-νοτιοδυτικά) κάτω από τον κύριο άξονα του αεροχειµάρρου και κατά µήκος των ισεντροπικών επιφανειών. Το τµήµα αυτό της κυκλοφορίας αποτελεί το άµεσο κύτταρο της κυκλοφορίας που σχετίζεται µε την αναδίπλωση της τροπόπαυσης. Η απότοµη προς νότο κάθοδος αέρα (µεταφορά οριζόντιας ορµής) έχει σαν αποτέλεσµα η ατµόσφαιρα να αντιδρά µε κάθοδο θερµού αέρα στα δεξιά του ίχνους του αεροχειµάρρου στο έδαφος και άνοδο στα αριστερά, συνιστώντας έτσι το έµµεσο κύτταρο της κυκλοφορίας. Σχήµα 2.6: Κατακόρυφη τοµή αναδιπλούµενης τροπόπαυσης. Με το σύµβολο J παριστάνεται ο κεντρικός άξονας του αεροχειµάρρου (jetstream) ενώ µε τα S και T το στρατοσφαιρικό και το τροποσφαιρικό τµήµα του αέρα που κατέρχεται κατά την αναδίπλωση [20]. Οι αέριες µάζες που φτάνουν στα χαµηλότερα στρώµατα στρέφονται αντικυκλωνικά προς τους υποτροπικούς και έχουν µικρή πιθανότητα να επανέλθουν στη στρατόσφαιρα, ενώ αντίθετα οι µάζες που παραµένουν στο χώρο της αναδίπλωσης στην ανώτερη τροπόσφαιρα στρέφονται κυκλωνικά προς την έξοδο του αεροχειµάρρου, όπου αντιστρέφεται η διεύθυνση της αρχικής αγεωστροφικής κυκλοφορίας και επαναδιεισδύουν στην κατώτερη στρατόσφαιρα. 18

35 Τροπόσφαιρα και Τροποσφαιρικό Όζον Στα δεξιά του αεροχειµάρρου όπου και παρατηρούνται οι ανοδικές κινήσεις έ- χουµε δηµιουργία νεφών και πιθανότητα βροχοπτώσεων (κυκλωνικό σύστηµα - χαµηλές πιέσεις), ενώ στα αριστερά (νότιο-νοτιοδυτικά της αναδίπλωσης) έ- χουµε καλοκαιρία (αντικυκλωνικό σύστηµα - υψηλές πιέσεις). Η παράλληλη µε τον άξονα του αεροχειµάρρου διάταξη των νεφών στο κυκλωνικό τµήµα πολλές φορές χρησιµοποιείται για εξακρίβωση της θέσης του αεροχειµάρρου από δορυφορικές φωτογραφίες. O δεύτερος σηµαντικός µηχανισµός στον οποίο συνήθως αποδίδεται η αλληλεπίδραση µεταξύ στρατόσφαιρας και τροπόσφαιρας αποτέλεσµα την εισροή στρατοσφαιρικού αέρα σε χαµηλότερα τροποσφαιρικά στρώµατα είναι η δηµιουργία αποκοµµένων από τη βασική δυτική ροή βαροµετρικών χαµηλών (cut-off lows). Η δηµιουργία ενός παρόµοιου αποκοµµένου συστήµατος είναι συνυφασµένη µε τη χωρική εξέλιξη ενός συστήµατος σκάφης χαµηλών πιέσεων ακολουθούµενης από µια σφήνα υψηλών πιέσεων από τα µεγαλύτερα γεωγραφικά πλάτη σε µικρότερα [29]. Σε ορισµένες περιπτώσεις το σύστηµα αυτό ενισχύεται µε αποτέλεσµα να δηµιουργείται µια έκσπαση (γλώσσα) ισοβαρών που αποµακρύνονται από τη βασική ροή και κινούνται νοτίως µεταφέροντας πολικό στρατοσφαιρικό αέρα σε χαµηλότερα γεωγραφικά πλάτη. Σχήµα 2.7: Πορεία της στρατοσφαιρικής αέριας µάζας εντός της τροπόσφαιρας [21]. Στη συνέχεια δηµιουργείται κυκλωνική κυκλοφορία τµήµα της οποίας (κλειστές ισοπληθείς χαµηλών πιέσεων) αποκόπτεται εντελώς από τη στρατόσφαιρα συνιστώντας πλέον τµήµα της ανώτερης τροπόσφαιρας. Ένας τέτοιος 19

36 στρόβιλος (Σχήµα 2.7) περιέχει ψυχρό αέρα, και αυξηµένες τιµές δυνητικού στροβιλισµού. Η παρουσία µιας τέτοιας περιοχής στην τροπόσφαιρα έχει σαν αποτέλεσµα την επαγωγή αστάθειας λόγω µεταγωγής θερµότητας και επιτρέπει την είσοδο νεφών cumulonimbus στη στρατόσφαιρα µε αποτέλεσµα την εµφάνιση νέας τροπόπαυσης σε ανώτερα στρώµατα, ως εκ τούτου, είναι δυνατή η αποτελεσµατικότερη ανάµειξη του µεταφερόµενου µε το στρόβιλο στρατοσφαιρικού αέρα µε τον τροποσφαιρικό περιβάλλοντα αέρα. 20

37 3. Ανίχνευση της Κατακόρυφης οµής του Όζοντος µε το Σύστηµα DIAL Π ροκειµένου να µελετηθεί η αύξηση του τροποσφαιρικού όζοντος και οι τάσεις του, αλλά και για να εκτιµηθεί το εύρος της ανθρωπογενούς συνεισφοράς στο ισοζύγιό του, απαιτούνται ακριβείς και τακτικές µετρήσεις της κατακόρυφης συγκέντρωσής του. Οι µετρήσεις αυτές πρέπει να καλύπτουν υψοµετρικά και γεωγραφικά διαφορετικές περιοχές, αλλά και να γίνονται µε τέτοια συχνότητα ώστε να είναι εφικτή και η διάκριση των ενδεχόµενων περιστατικών µεταφοράς (οριζόντια ή κατακόρυφη) από τις φυσικές διαβαθµίσεις του. Σε πολλές περιπτώσεις η µελέτη των φωτοχηµικών διεργασιών του όζοντος αλλά και των µηχανισµών µεταφοράς του απαιτεί σχεδόν συνεχόµενες µετρήσεις και µε χρονική διακριτή ικανότητα από µερικά λεπτά της ώρας έως µερικές ώρες. Οι µετρήσεις αυτές πρέπει να είναι αξιόπιστες, (µε α- κρίβεια τουλάχιστον ± 15%) και µε ικανοποιητική κατακόρυφη χωρική διακριτική ικανότητα (0.5 έως 1.0 km). Οι ειδικές αυτές απαιτήσεις, οδήγησαν στην εφαρµογή µία νέας µεθόδου στα συστήµατα λέιζερ. H µέθοδος της ιαφορικής Απορρόφησης lidar, δηλαδή η µέθοδος DIAL (ακρωνύµιο του Differential Absorption Lidar) αποτελεί µια εξαιρετικά χρήσιµη µέθοδος ανίχνευσης µοριακών αερίων της ατµόσφαι- 21

38 ρας. Με τη χρήση της είναι δυνατό να µελετηθούν οι πιο σηµαντικοί ρύποι συ- µπεριλαµβανοµένων και των οξειδίων του θείου, των οξειδίων του αζώτου και του όζοντος. Είναι εξαιρετικά ευαίσθητη τεχνική, παρέχοντας τη δυνατότητα χρήσης της τόσο σε ατµοσφαιρικές συνθήκες υποβάθρου, όσο και σε βεβαρη- µένες περιπτώσεις ατµοσφαιρικής ρύπανσης, όπως είναι τα επεισόδια µεταφοράς ρύπων ή οι µετρήσεις σε περιοχές κοντινές σε έντονη βιοµηχανική δραστηριότητα. Στο κεφάλαιο που ακολουθεί αρχικά παρουσιάζεται η µέθοδος της τηλεπισκόπησης και οι βασικές αρχές της. Εν συνεχεία περιγράφεται ως εφαρµογή της µεθόδου το σύστηµα DIAL του ΕΦΑ, το οποίο κατασκευάστηκε και λειτούργησε στο πλαίσιο της εν λόγω διατριβής. Αναλύεται η µέθοδος DIAL και παρουσιάζονται αναλυτικά όλοι οι παράγοντες που καθορίζουν την ευαισθησία της και οι οποίοι αποτέλεσαν αντικείµενο της µελέτης. Παράλληλα, περιγράφονται τα στάδια επεξεργασίας των πειραµατικών δεδοµένων και ο αλγόριθµος επεξεργασίας που αναπτύχθηκε στο πλαίσιο της παρούσας διατριβής Τηλεπισκόπηση της Ατµόσφαιρας µε τη µέθοδο lidar H τηλεπισκόπηση αποτελεί µέθοδο ευρείας χρήσης εξαιτίας των πολλών εφαρµογών της, όπως π.χ. στην αστροφυσική, στη γεωλογία, στη φυσική γεωγραφία, στη βιολογία, στην ωκεανογραφία, στη µετεωρολογία και στην κλιµατολογία (π.χ. [48]). Η µελέτη της ατµόσφαιρας µε τη µέθοδο της τηλεπισκόπησης επικεντρώνεται στην καθ ύψος µελέτη των συστατικών της (π.χ. [49]), αλλά και στον προσδιορισµό της σύστασή της και πραγµατοποιείται είτε µε όργανα εδάφους, είτε µε δορυφόρους, αεροπλάνα, ρουκέτες και ειδικά µπαλόνια. Κατά αντιστοιχία µε το RADAR η τεχνική που αναπτύχθηκε για τη µελέτη και καταγραφή των ατµοσφαιρικών παραµέτρων χρησιµοποιώντας πηγές λέιζερ ονοµάστηκε lidar (ακρωνύµιο του όρου Light Detection Αnd Ranging). Η µέθοδος βασίζεται στην εκποµπή ενός βραχύ παλµού µονοχρωµατικής ακτινοβολίας λέιζερ υψηλής ενέργειας και στη συνέχεια στην ανίχνευση και στην καταγραφή της ακτινοβολίας που οπισθοσκεδάζεται από τα µόρια και τα σωµατίδια της ατµόσφαιρας (π.χ. [55]). Η µετρούµενη οπισθοσκεδαζόµενη ακτινο- 22

39 Ανίχνευση της Κατακόρυφης οµής του Όζοντος µε το Σύστηµα DIAL βολία, µετά από κατάλληλη επεξεργασία κατά την οποία µετατρέπεται σε ηλεκτρικό σήµα, δίνει πληροφορίες µέσω της έντασή της σχετικά µε την ύπαρξη και τη συγκέντρωση των σκεδαστών ή των σωµατιδίων που προκάλεσαν την εξασθένησή της. Καταγράφεται επίσης, µέσω της χρονικής υστέρησης που µεσολαβεί ανάµεσα στη λήψη και την εκποµπή κάθε παλµού, η απόσταση των µετρούµενων ατµοσφαιρικών συστατικών από την πηγή λέιζερ. Όλα τα συστήµατα lidar βασίζονται στο γεγονός ότι η ηλεκτροµαγνητική ακτινοβολία κατά τη διάδοσή της µέσα στην ατµόσφαιρα υφίσταται εξασθένηση λόγω σκέδασης και απορρόφησης από τα µόρια, τα σωµατίδια και τα λοιπά συστατικά της ατµόσφαιρας (Σχήµα 3.1). Ακόµη και σε σχετικά «καθαρή» ατµόσφαιρα, στην οποία επικρατούν συνθήκες υποβάθρου, το οπισθοσκεδαζόµενο σήµα των ατµοσφαιρικών συστατικών, ακόµη και σε απόσταση χιλιοµέτρων, µπορεί να ανιχνευτεί. Σχήµα 3.1: Εφαρµογή της εξασθένησης (α), της εκποµπής (β) και της σκέδασης (γ) της ηλεκτροµαγνητικής ακτινοβολίας στην τηλεπισκόπηση [4]. To 1930 πραγµατοποιήθηκε από τον Synge η πρώτη προσπάθεια εκτί- µησης της ατµοσφαιρικής πυκνότητας µέσω µιας εκπεµπόµενης δέσµης φωτός. Επτά χρόνια αργότερα (1937) ο Hulbert πραγµατοποίησε παρόµοιες µετρήσεις 23

40 στο κατώτερο τµήµα της ατµόσφαιρας έως το ύψος των 28 km. Εξαρχής έγινε κατανοητό ότι δεν ενδεικνυόταν η εκποµπή µιας συνεχούς δέσµης φωτός, αλλά ήταν απαραίτητη η χρήση ενός επαναλαµβανόµενου παλµού. Η πρόοδος που ακολούθησε ήταν ραγδαία και πρώτος ο Friedland πραγµατοποίησε µετρήσεις χρησιµοποιώντας παλµική πηγή. Το άλµα προόδου σηµειώθηκε µε την ανακάλυψη και τη χρήση των α- κτίνων λέιζερ και τη µελέτη της αλληλεπίδρασης του φωτός µε τα επιµέρους συστατικά της ατµόσφαιρας. Οι πηγές λέιζερ άρχισαν να χρησιµοποιούνται ήδη από τα µέσα της δεκαετίας του '60, κυρίως στις Ηνωµένες Πολιτείες της Αµερικής, µε πρωτοπόρους τους Fiocco και Smullin [49]. Οι τελευταίοι κατάφεραν να ανιχνεύσουν στρώµατα από σκεδαστές σε ύψη πάνω από 60 km, καθώς και λεπτά στρώµατα από αιωρούµενα σωµατίδια στο ύψος των 20 km. Έγινε έκτοτε φανερή η χρήση των λέιζερ για τον εντοπισµό των αιωρούµενων σωµατιδίων αλλά και άλλων ατµοσφαιρικών συστατικών σε ύψη από 5 έως 100 km, όπως επίσης και για την καταγραφή της κίνησης των αερίων µαζών πάνω από αστικές περιοχές, χρησιµοποιώντας τα αιωρούµενα σωµατίδια σαν ιχνηθέτες. Η πρόοδος που ακολούθησε είναι συνεχής. Στο τέλος της δεκαετίας του 70 µε την ανάπτυξη των παλµικών λέιζερ χρωστικών ουσιών µεταβλητού µήκους κύµατος (pulsed tunable dye λέιζερ) δόθηκε νέα ώθηση στην καταγραφή της ατµοσφαιρικής ρύπανσης των αστικών περιοχών και µετρήθηκαν για πρώτη φορά, σε πραγµατικό χρόνο, οι βασικότεροι αέριοι ρύποι της ατµόσφαιρας (π.χ. τα οξείδια του αζώτου, το διοξείδιο το θείου, το όζον, το µονοξείδιο και διοξείδιο του άνθρακα, το µεθάνιο) [68] [69]. υστυχώς η διαδικασία συντήρησης και λειτουργίας των συστηµάτων ήταν ι- διαίτερα επίπονη, γεγονός που αφενός εµπόδισε τη χρήση τους σε συστηµατικές µετρήσεις και αφετέρου οδήγησε στη δοκιµασία νέων πηγών λέιζερ. Από τη δεκαετία του 80 και αργότερα, µε την ανάπτυξη των ισχυρών παλµικών λέιζερ διηγερµένων διµερών (excimer lasers) και των παλµικών λέιζερ στερεάς κατάστασης Nd:Yag (Νeodymium-doped Yttrium Aluminium Garnet), δόθηκε η δυνατότητα της καταγραφής τοξικών ουσιών (υδρογονάνθρακες, οργανικές ενώσεις κλπ), αλλά και της ανίχνευσης του ατµοσφαιρικού όζοντος µέχρι το ύψος των km. Η τεχνική lidar χρησιµοποιείται πλέον ευρέως και σηµειώνει τις περισσότερες εφαρµογές της στην υπεριώδη και ορατή περιοχή του ηλιακού φάσµα- 24

41 Ανίχνευση της Κατακόρυφης οµής του Όζοντος µε το Σύστηµα DIAL τος, χρησιµοποιώντας διάφορους τύπους λέιζερ. Υπάρχουν διατάξεις που χρησιµοποιούν τη σκέδαση της ακτινοβολίας λέιζερ κατά Rayleigh, τη σκέδαση Mie, τη σκέδαση Raman, τη σκέδαση συντονισµού, την απορρόφηση, το φθορισµό, καθώς και τη διαφορική σκέδαση και απορρόφηση [50], [51], [52], [53] Ανάπτυξη του συστήµατος DIAL του Ε.Φ.Α Εισαγωγή Η διάταξη lidar του Εργαστηρίου Φυσικής της Ατµόσφαιρας (ΕΦΑ) του Αριστοτελείου Πανεπιστηµίου Θεσσαλονίκης έχει εγκατασταθεί στη Θεσσαλονίκη στο χώρο του εργαστηρίου (40.5 Ν, 22.9 Ε) και συγκεκριµένα στο δώµα του Τµήµατος Φυσικής της Σχολής Θετικών Επιστηµών. Βρίσκεται σε υψόµετρο 50m από της επιφάνεια της θάλασσας και σε απόσταση 500 m περίπου από την ακτή του Θερµαϊκού Κόλπου. Η διάταξη σχεδιάστηκε από το ρ. Α. Παπαγιάννη [107], [108], τέθηκε για πρώτη φορά σε λειτουργία το 1994, και αποτέλεσε τo πρώτο σύστηµα lidar που λειτούργησε στον Ελλαδικό χώρο [109]. Το σύστηµα σχεδιάστηκε αρχικά για τη µελέτη της κατακόρυφης κατανοµής των αιωρούµενων σωµατιδίων στην ατµόσφαιρα της πόλης. Χρησιµοποιώντας τις ιδιότητες της ελαστικής σκέδασης των µορίων και των σωµατιδίων της ατµόσφαιρας, έγινε εφικτή η διερεύνηση της στρωµάτωσης της κατώτερης τροπόσφαιρας [110], [111], της δοµής και της έκτασης του οριακού στρώ- µατος της πόλης, καθώς και η χωρική και χρονική του εξέλιξη [112]. Παράλληλα έγινε εφικτό να πιστοποιηθεί η ύπαρξη µεταφερόµενων στρωµάτων σκόνης από µακρινές περιοχές, όπως είναι η σκόνη από την Έρηµο Σαχάρα [113], καθώς και να µελετηθεί η επίπτωση των αιρούµενων σωµατιδίων στη διάδοση της υπεριώδους ακτινοβολίας [114], [115]. To 2001 η διάταξη εξοπλίστηκε µε περισσότερα κανάλια ανίχνευσης, έτσι ώστε να αποτελεί και lidar οπισθοσκέδασης-raman [117]. Επιτεύχθηκε δηλαδή, όταν το σύστηµα είναι ρυθµισµένο έ- τσι ώστε να µετράει αιωρούµενα σωµατίδια, να υπάρχει και η δυνατότητα να ανιχνεύει, πέραν των δύο ελαστικά οπισθοσκεδαζόµενων δεσµών λέιζερ (355 και 532 nm), και τρίτο µήκος κύµατος. Ανιχνεύεται δηλαδή επιπρόσθετα και η ακτινοβολία στα 387 nm που προέρχεται από την οπισθοσκέδαση Raman της εκπεµπόµενης ακτινοβολίας λέιζερ των 355 nm από το µόριο του ατµοσφαιρικού αζώτου (N 2 ) [118], [119], [120]. 25

42 Τα παραπάνω αφορούν τη διάταξη lidar του ΕΦΑ όταν αυτή είναι ρυθ- µισµένη ώστε να ανιχνεύει τα αιωρούµενα σωµατίδια. Στο πλαίσιο της παρούσας διατριβής η διάταξη αναβαθµίστηκε για πρώτη φορά το [116], έτσι ώστε πλέον είναι εφικτό να πραγµατοποιούνται και µετρήσεις της κατακόρυφης κατανοµής του τροποσφαιρικού όζοντος. Η κατασκευή και η λειτουργία αυτής της µορφής του συστήµατος (εφεξής σύστηµα DIAL του ΕΦΑ), καθώς και η διενέργεια και η επεξεργασία των σχετικών πειραµατικών µετρήσεων, αποτέλεσε το αντικείµενο της εν λόγω διατριβής και παρουσιάζεται αναλυτικά στη συνέχεια. Στο Σχήµα 3.2 παρουσιάζεται η σχηµατική διάταξη του συστήµατος lidar DIAL του Ε.Φ.Α., όπως αυτό αναβαθµίστηκε [116] και λειτουργεί σή- µερα, κατά τη διεξαγωγή των µετρήσεων του τροποσφαιρικού όζοντος. Η εν λόγω διάταξη σχεδιάστηκε και υλοποιήθηκε στο πλαίσιο των Ε- ρευνητικών Προγραµµάτων ΠΕΝΕ 381 και STACCATO, λαµβάνοντας υπόψη τις απαιτήσεις σχετικά µε τη χωρική και χρονική ευαισθησία, την ακρίβεια και τη σταθερότητα λειτουργίας. Οι προδιαγραφές σχεδιασµού της διάταξης ήταν: υνατότητα λήψης µετρήσεων από τα 1,5 έως τα 12 km ύψος Χωρική διακριτική ικανότητα µε βήµα από 30 έως 1000 m υνατότητα λήψης µετρήσεων διάρκειας από 10 έως 40 λεπτά Ακρίβεια καλύτερη του 15 % σε όλα τα µετρούµενα ύψη υνατότητα λήψης ηµερήσιων και νυκτερινών µετρήσεων. Στη συνέχεια παρουσιάζονται αναλυτικά τα βασικά µέρη της διάταξης, δηλαδή: Α) η πηγή ακτινοβολίας λέιζερ Β) η οπτική διάταξη εκποµπής της ακτινοβολίας Γ) η διάταξη ανίχνευσης της ακτινοβολίας ) το σύστηµα καταγραφής και αποθήκευσης των δεδοµένων DIAL, καθώς και τα τεχνικά χαρακτηριστικά όλων των επιµέρους εξαρτηµάτων. 26

43 Ανίχνευση της Κατακόρυφης οµής του Όζοντος µε το Σύστηµα DIAL Πηγή λέιζερ Nd:YAG 2. Κρύσταλλος παραγωγής 2 ης και 4 ης αρµονικής συχνότητας 3. Αναφορά από την έξοδο 4. Κάτοπτρο 5. HR 266nm, HT nm 6. Οπτική παγίδα 7. ΗR 266nm 8. Κυψελίδα Raman 9. Πρίσµα 10. Aχρωµατικός φακός Doublet (διπλός) 11. Πρίσµα 12. Εξερχόµενη δέσµη λέιζερ 13. Εισερχόµενη δέσµη λέιζερ από το στόχο 14. Παραβολικό κάτοπτρο 15. Επίπεδο κάτοπτρο 16. ιάφραγµα 17. Φακός Εστίασης 18. Κάτοπτρο 19. Οπτικό φράγµα 20. Κοίλο κάτοπτρο 21. Φωτοπολλαπλασιαστές 22. δέσµη 289 nm 23. δέσµη 316 nm 24. Καταγραφικός αναλυτής 25. Κάρτα επικοινωνίας 26. Η/Υ για απεικόνιση και αποθήκευση δεδοµένων Σχήµα 3.2: Σχηµατική διάταξη συστήµατος DIAL του Ε.Φ.Α. 27

44 3.3. Τεχνική περιγραφή του συστήµατος DIAL του Ε.Φ.Α Πηγή ακτινοβολίας λέιζερ Tην πηγή ακτινοβολίας της διάταξης DIAL αποτελεί ένα παλµικό λέιζερ στερεάς κατάστασης Nd:YAG (Νeodymium-doped Yttrium Aluminium Garnet) της Quanta-Ray, µοντέλο GCR-150, το οποίο φαίνεται στην Εικόνα 3.1. H πηγή εκπέµπει αρχικά ακτινοβολία στα 1064 nm, µε ενέργεια 800 mj/παλµό και µε επαναληπτικότητα 10Hz. Στη συνέχεια, µε την παρεµβολή στη δέσµη δύο µη γραµµικών κρυστάλλων KD * P (Potassium Dideuterium Phosphate), παράγεται η δεύτερη αρµονική συχνότητα στα 532 nm (SHG, second harmonic generation) και εν συνεχεία, η τέταρτη αρµονική συχνότητα στα 266nm (FHG, forth harmonic generation)[121]. Οι κρύσταλλοι KD * P ελέγχονται θερµικά µέσω ενός θερµοστάτη, ενώ η τελικώς εκπεµπόµενη µέγιστη ενέργεια εκποµπής στα 266 nm είναι της τάξης των 90mJ ανά παλµό [122], [123].Επιτυγχάνεται έτσι η παραγωγή της ακτινοβολίας στα 266nm από την οποία προκύπτουν στη συνέχεια, µέσω του φαινοµένου της εξαναγκασµένης σκέδασης Raman (φαινόµενο SRS) [124], τα τελικά µήκη κύµατος που θα χρησιµοποιηθούν για την εφαρµογή της µεθόδου DIAL στο εν λόγω σύστηµα. Εικόνα 3.1: Η πηγή ακτινοβολίας λέιζερ της διάταξης DIAL. 28

45 Ανίχνευση της Κατακόρυφης οµής του Όζοντος µε το Σύστηµα DIAL Στο σηµείο αυτό πρέπει να σηµειωθεί ότι η πηγή λέιζερ, µέσω της δεύτερης και τρίτης αρµονικής συχνότητας (THG, third harmonic generation), δηλαδή µέσω των 532 nm και των 355 nm (καθώς και των 387 nm) αντίστοιχα, παρέχει τη δυνατότητα στο σύστηµα να πραγµατοποιεί τις µετρήσεις των αιωρούµενων σωµατιδίων. Καλύπτονται δηλαδή δυνητικά όλες οι περιοχές ότι φάσµατος: α) υπέρυθρο (1064nm), β) ορατό (532nm) και γ) υπεριώδες (387nm, 355nm, 316nm, 289nm, 266nm) και ανάλογα µε το τι είδους µετρήσεις είναι επιθυµητές (αιωρούµενων σωµατιδίων ή όζοντος), επιλέγεται η αντίστοιχη µέθοδος, οι κατάλληλες αρµονικές συχνότητες και τα τελικώς εκπεµπόµενα µήκη κύµατος.. Tα χαρακτηριστικά της πηγής, για τη διάταξη που χρησιµοποιείται ως σύστηµα DIAL, παρουσιάζονται στον Πίνακα 1.2 [122]. Πίνακας 3.1: Τεχνικά χαρακτηριστικά της πηγής λέιζερ ( Nd:Yag, Quanta-Ray GCR-150) της διάταξης DIAL του Ε.Φ.Α. Εκπεµπόµενη ενέργεια (mj) 1064 nm 316 nm 289 nm Εύρος παλµού (ns) 1064 nm 316 nm 289 nm Σταθερότητα ενέργειας 1064 nm 316 nm 289 nm ns 5 ns 5 ns < 2 % < 12 % < 8 % Συχνότητα επανάληψης παλµού (Hz) 10 ιάµετρος δέσµης (mm) 6 mm Απόκλιση δέσµης (mrad) < 1 mrad Σταθερότητα στόχευσης (µrad) Οπτική διάταξη εκποµπής Στην εν λόγω διάταξη µέτρησης του όζοντος χρησιµοποιείται τελικά για την εφαρµογή της µεθόδου DIAL η ακτινοβολία των 289 nm και των 316 nm. Τα εν λόγω µήκη κύµατος παράγονται µέσω του φαινοµένου της εξαναγκασµένης σκέδασης που λαµβάνει χώρα στην κυψελίδα Raman (Εικόνα 3.3) [124], αφού 29

46 εισέλθει σε αυτήν η ακτινοβολία µήκους κύµατος των 266 nm. Η τελευταία ο- δηγείται στην κυψελίδα µέσω της διάταξης φασµατικού διαχωρισµού (Εικόνα 3.2). ηλαδή η παραχθείσα από τους δύο µη γραµµικούς κρυστάλλους KD * P ακτινοβολία διαχωρίζεται στα επιµέρους µήκη κύµατος (1064 nm, 532 nm, 266 nm) µε τη βοήθεια διχρωϊκών κατόπτρων, της εταιρείας Laseroptik ( Οι ιδιότητες των κατόπτρων αναγράφονται αναλυτικά στο Σχήµα 3.2, όπου οι συντοµεύσεις HR και HT χρησιµοποιήθηκαν για τους όρους µεγάλη ανακλαστικότητα (High Reflectivity) και µεγάλη διαπερατότητα (High Transmittance). Απαιτείται δηλαδή να χρησιµοποιηθεί η ειδική διάταξη φασµατικού διαχωρισµού των ακτινοβολιών λέιζερ, προκειµένου να οδηγηθεί η δέσµη των 266 nm στην κυψελίδα, ενώ ταυτόχρονα να αποµακρυνθούν τα υπόλοιπα µήκη κύµατος που δεν θα χρησιµοποιηθούν (1064 nm και 532 nm) καταλήγοντας στις ειδικές «παγίδες» ακτινοβολίας. Εικόνα 3.2: ιάταξη φασµατικού διαχωρισµού των ακτινοβολιών λέιζερ. Επισηµαίνεται η πορεία της δέσµης των 266 nm. Η εξερχόµενη από το σύστηµα διαχωρισµού ακτινοβολία µήκους κύµατος 266 nm κατευθύνεται µέσω διχρωϊκού κατόπτρου στην είσοδο της ατσάλινης κυψελίδας Raman, µήκους 1 µέτρου (Εικόνα 3.3). Η κυψελίδα περιέχει ευτέριο (D 2 ), καθαρότητας 99,99 %, υπό πίεση 10 atm περίπου. Με τη χρήση ενός φακού, εστιακής απόστασης 50 εκατοστών, η εισερχόµενη ακτινοβολία εστιάζεται περίπου στο κέντρο της κυψελίδας Raman. Όπως προαναφέρθηκε χρησι- 30

47 Ανίχνευση της Κατακόρυφης οµής του Όζοντος µε το Σύστηµα DIAL µοποιείται το φαινόµενο της εξαναγκασµένης σκέδασης Raman για την ταυτόχρονη παραγωγή τριών µηκών κύµατος, στα 266 nm, 289 nm και 316 nm, µε ενέργειες µεταξύ 12 και 25 mj [124]. Τα παράθυρα εισόδου-εξόδου της κυψελίδας και ο φακός δεν έχουν επιστρωθεί µε αντιανακλαστική επίστρωση, ώστε να αποφευχθεί η περίπτωση της πρόσθετης φθοράς τους λόγω της ισχυρής έ- ντασης της προσπίπτουσας σε αυτά ακτινοβολίας στα 266 nm. Οι εξερχόµενες από την κυψελίδα δέσµες διαχωρίζονται µε ειδικές διατάξεις διαχωριστών δέσµης (beamsplitters) και ευθυγραµµίζονται, µέσω ενός φακού µε εστιακή απόσταση 1 m. Καταλήγουν να είναι σχεδόν παράλληλες µεταξύ τους, µια και η απόκλισή τους είναι συγκρίσιµη µε αυτή της δέσµης πριν της εισαγωγή της στη κυψελίδα (<1 mrad). Η τελική ευθυγράµµιση των δεσµών, προκειµένου να επιτευχθεί η παραλληλία ανάµεσα στον οπτικό τους ά- ξονα και τον άξονα του τηλεσκοπίου (διαξονική διάταξη - biaxial), γίνεται µε προσαρτηµένους οδηγούς ελέγχου της κλίσης. Το σύστηµα ευθυγράµµισης παρουσιάζεται στην Εικόνα 3.4. Έξοδος δεσµών 266nm, 289nm & 316 nm Είσοδος δέσµης 266nm Εικόνα 3.3: Κυψελίδα Raman [EG3] 31

48 Εικόνα 3.4: Το σύστηµα ευθυγράµµισης του lidar του ΕΦΑ ιάταξη ανίχνευσης Για τη συλλογή της οπισθοσκεδαζόµενης ακτινοβολίας χρησιµοποιείται ένα Νευτώνειο τηλεσκόπιο µε παραβολικό κάτοπτρο διαµέτρου 50 cm, το ο- ποίο παρουσιάζεται στην Εικόνα 3.5. Εικόνα 3.5: Το τηλεσκόπιο, το οπτικό φράγµα και οι φωτοπολλαπλασιαστές του lidar του ΕΦΑ. 32

49 Ανίχνευση της Κατακόρυφης οµής του Όζοντος µε το Σύστηµα DIAL Το παραβολικό κάτοπτρο είναι επιστρωµένο µε διφθορούχο µαγνήσιο (MgF 2 ), επίστρωση που του προσδίδει ιδιαίτερα υψηλή ανακλαστικότητα (της τάξης του 98%) στο υπεριώδες και ορατό τµήµα του φάσµατος. Για την προστασία της επίστρωσης MgF 2, έχει προηγηθεί µία επίστρωση διοξειδίου του πυριτίου (SiO 2 ). Η τελική ανακλαστικότητα του τηλεσκοπίου στα 289nm είναι ίση µε 98.3%, στα 316nm ίση µε 96.2%. Με τη χρήση ενός επίπεδου κατόπτρου η συλλεχθείσα οπισθοσκεδαζό- µενη ακτινοβολία κατευθύνεται πάνω σε ένα κάτοπτρο έξω από το τηλεσκόπιο (προσαρτηµένο µικρό µαύρο κουτί, Εικόνα 3.5). Παρεµβάλλεται στην πορεία της ένα διάφραγµα διαµέτρου 5 mm και ένα φακός από πυρίτια (SiO 2 ). Στη συνέχεια κατευθύνεται στο φασµατόµετρο τύπου Czerny-Turner (προσαρτηµένο µεγάλο µαύρο κιβώτιο, Εικόνα 3.6) όπου και διαχωρίζεται φασµατικά στα επιµέρους µήκη κύµατος. Ο διαχωρισµός επιτυγχάνεται µέσω ενός ολογραφικού οπτικού φράγµατος (3600 γραµµές/mm). Η φασµατικά διαχωρισµένη ακτινοβολία λέιζερ, πριν οδηγηθεί στον αντίστοιχο φωτοανιχνευτή, φιλτράρεται φασµατικά από µία συστοιχία οπτικών φίλτρων, που αποσκοπούν στο να αποκοπούν όλα τα ανεπιθύµητα µήκη κύµατος (όπως η ακτινοβολία του α- τµοσφαιρικού υποβάθρου και έτσι να αυξηθεί σηµαντικά ο λόγος σήµατοςπρος-θόρυβο (Signal to Noise Ratio - SNR). Τα φασµατικά φίλτρα προέρχονται από την εταιρεία Andover ( Εικόνα 3.6: Το εσωτερικό του οπτικού φράγµατος της διάταξης DIAL του ΕΦΑ. 33

50 Για την ανίχνευση των σηµάτων χρησιµοποιούνται δύο φωτοπολλαπλασιαστές τύπου R7400U, από την εταιρεία Hamamatsu ( Στην Εικόνα 3.5 φαίνονται οι φωτοπολλαπλασιαστές, όπως αυτοί έχουν προσαρτηθεί στο φασµατοφωτόµετρο. Έχουν επιλεχθεί έτσι ώστε να παρουσιάζουν πολύ καλή ευαισθησία και γρήγορη απόκριση στα χρησιµοποιούµενα µήκη κύµατος. Η φωτοκάθοδος των φωτοπολλαπλασιαστών είναι πολυαλκαλική (Na- K-Sb-Cs) [125]. Η µέγιστη τάση τροφοδοσίας των φωτοπολλαπλασιαστών είναι της τάξεως των 1000V, προκειµένου αυτοί να λειτουργούν στη γραµµική τους περιοχή, ενώ οι προδιαγραφές του κατασκευαστή των φωτοπολλαπλασιαστών ορίζουν σαν βέλτιστη τάση λειτουργίας το διάστηµα V Σύστηµα καταγραφής και αποθήκευσης των δεδοµένων Για την καταγραφή των δεδοµένων του συστήµατος DIAL του Ε.Φ.Α. χρησιµοποιείται ένα καταγραφικό σύστηµα της εταιρείας LICEL (Transient Recorder TR20-80/160, προσδίδοντας τη δυνατότητα στο σύστηµα να εκτελεί ταυτόχρονα i) αναλογική καταγραφή των σηµάτων lidar στα 289 και 316 nm (analog detection mode) και ii) καταµέτρηση των λαµβανόµενων φωτονίων (photon counting detection mode) στα ίδια µήκη κύµατος. Στην αναλογική µέθοδο καταγραφής, ο παλµός εξόδου του φωτοπολλαπλασιαστή καταγράφεται σαν ρεύµα εξόδου, ενώ στην τεχνική της καταµέτρησης φωτονίων καταγράφονται τα παραγόµενα από το φωτοπολλαπλασιαστή φωτοηλεκτρόνια. Το σηµαντικό πλεονέκτηµα της ταυτόχρονης καταγραφής των δύο τύπου δεδοµένων προσδίδει τη δυνατότητα αφενός να αποφεύγεται ο κορεσµός του σήµατος που προέρχεται από τις κοντινές αποστάσεις (έως περίπου τα 2 km), όπου το σήµα είναι µεγάλης έντασης (προτιµάται η αναλογική καταγραφή), α- φετέρου να διατηρείται η ευαισθησία του συστήµατος στην καταγραφή πιο α- σθενών σηµάτων που προέρχονται από µεγάλες αποστάσεις (µεγαλύτερες των 8-10 km, όπου και προτιµάται η καταγραφή φωτονίων). Με την ταυτόχρονη χρήση και των δύο µεθόδων καταγραφής, (για παράδειγµα, αναλογική καταγραφή µέχρι τα 3-4 km και καταγραφή φωτονίων µέχρι km) επιτυγχάνεται η αύξηση των ορίων της χωρικής ικανότητας του συστήµατος (επέκταση 34

51 Ανίχνευση της Κατακόρυφης οµής του Όζοντος µε το Σύστηµα DIAL της υπό µελέτη ατµοσφαιρικής περιοχής σε χαµηλότερα και σε µεγαλύτερα ύ- ψη), δηλαδή η βέλτιστη χωρική ανάλυση του συστήµατος. Στην Εικόνα 3.7 φαίνονται οι καταγραφικές µονάδες των σηµάτων lidar του ΕΦΑ. Μεγάλη σηµασία έχει ο καθορισµός του εύρους τιµών έντασης σή- µατος 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. Μετά από 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 λέιζερ και όχι από ηλεκτρονικό θόρυβο, το κατώτερο όριο καταγραφής καθορίστηκε τελικά να είναι ίσο µε 9. Εικόνα 3.7: Καταγραφικές µονάδες των σηµάτων της διάταξης lidar του Ε.Φ.Α Βασικές έννοιες και ορισµοί της τεχνικής lidar Η εξίσωση lidar για µονοχρωµατικό παλµικό λέιζερ που εκπέµπει κατακόρυφα και για ατµοσφαιρική περιοχή στην οποία λαµβάνει χώρα αποκλει- 35

52 στικά µεµονωµένη σκέδαση (single scattering), δίνεται από τη σχέση (3.1) ([55], [56]), P () r () r 2 β r π (3.1) = C0T0 exp[ 2 a( r ) dr ] 2 r r όπου P(r) είναι η στιγµιαία ισχύς που λαµβάνεται σε χρόνο t, C σταθερά του συστήµατος, β π ο χωρικός συντελεστής οπισθοσκέδασης (volume backscattering coefficient) και α ο χωρικός συντελεστής εξασθένησης (volume extinction coefficient). Η απόσταση (r) κάθε σκεδαστή από το σηµείο εκποµπής υπολογίζεται µε την εξίσωση (3.2) γνωρίζοντας το χρόνο που µεσολάβησε ανάµεσα στην εκποµπή (t 0 ) και τη λήψη (t) ενός παλµού, δηλαδή το χρόνο που απαιτήθηκε για να διανύσει η ηλεκτροµαγνητική ακτινοβολία δύο φορές τη συγκεκριµένη απόσταση r ( t ) 2 t 0 0 r= c (3.2) Στο σηµείο αυτό σκόπιµο είναι να παραθέσουµε τους βασικού ορισµούς µεγεθών που έχουν άµεση σχέση µε την εξίσωση (3.1). Ο ολικός συντελεστής οπισθοσκέδασης β (total backscatter coefficient), το κλάσµα δηλαδή της προσπίπτουσας ενέργειας που οπισθοσκεδάζεται ανά στερεά γωνία και ανά µονάδα µήκους διαδροµής µέσα στην ατµόσφαιρα (km -1 sr -1 ), αφορά µόνο την ελαστική και µεµονωµένη σκέδαση (elastic single scattering). Oι σκεδαστές µπορεί να είναι είτε τα µόρια του ατµοσφαιρικού αέρα, είτε τα σωµατίδια που περιέχονται σ αυτόν. Στην περίπτωση των µορίων, των οποίων το µέγεθος είναι συνήθως πολύ µικρό σε σχέση µε το µήκος κύµατος της προσπίπτουσας ακτινοβολίας, η σκέδαση περιγράφεται από την προσέγγιση Rayleigh [57], [58]. Στη δεύτερη περίπτωση, στην οποία σκεδαστές είναι τα αιωρούµενα σωµατίδια της ατµόσφαιρας, παρατηρείται σκέδαση τύπου Mie [59], [57]. Απαρτίζεται δηλαδή και ο συντελεστής οπισθοσκέδασης από το άθροισµα των δύο προαναφερθέντων συντελεστών β molecules και β particles : β = β molecules + β particles (3.3) O χωρικός συντελεστής εξασθένησης α (volume extinction coefficient) εκφράζει το κλάσµα µε το οποίο µειώνεται ανά µονάδα µήκους η ισχύς της α- 36

53 Ανίχνευση της Κατακόρυφης οµής του Όζοντος µε το Σύστηµα DIAL κτινοβολίας κατά τη διάδοσή της.. Η εξασθένηση αυτή οφείλεται στην απορρόφηση (absorption) και στη σκέδαση (scattering) που υφίσταται η ακτινοβολία στην πορεία της.. a = a scatt + a (3.4). abs. Εξαρτώµενος από το είδος των σκεδαστών, ο συντελεστής α scatt. απαρτίζεται από το άθροισµα τριών επιµέρους συντελεστών, δηλαδή αυτών που περιγράφουν τη σκέδαση Rayleigh (α Rαy ), τη σκέδαση Mie (α Μie ) και τη σκέδαση Raman (α Raman ) αντίστοιχα. Συνεπώς η εξίσωση (3.4) αναλύεται ως εξής: a = a + a + a + a (3.5) Ray Mie Raman abs 3.5. Η µέθοδος της ιαφορικής Απορρόφησης lidar (µέθοδος DIAL) Εισαγωγή Η µέθοδος της ιαφορικής Απορρόφησης lidar, γνωστή ως µέθοδος DIAL, είναι µια εξαιρετικά χρήσιµη µέθοδος ανίχνευσης των µοριακών αερίων της ατµόσφαιρας. Με τη χρήση της είναι δυνατό να µελετηθούν οι πιο σηµαντικοί ρύποι, συµπεριλαµβανοµένων και των οξειδίων του θείου, των οξειδίων του αζώτου και του όζοντος. Είναι εξαιρετικά ευαίσθητη µέθοδος, παρέχοντας τη δυνατότητα χρήσης της τόσο σε ατµοσφαιρικές συνθήκες υποβάθρου όσο και σε βεβαρηµένες περιπτώσεις ατµοσφαιρικής ρύπανσης, όπως είναι τα επεισόδια µεταφοράς ρύπων ή οι µετρήσεις σε περιοχές κοντινές σε βιοµηχανική δραστηριότητα. Συστήµατα lidar που χρησιµοποιούν τη µέθοδο της διαφορικής απορρόφησης έχουν λειτουργήσει µε επιτυχία σε υπέργειους σταθµούς µέτρησης, πάνω σε αεροπλάνα, αλλά και σε δορυφόρους. Την τελευταία δεκαετία έχουν εγκατασταθεί συστήµατα DIAL σε διάφορες χώρες και από διαφορετικές ερευνητικές οµάδες, παρέχοντας συστηµατικές ή κατά περίπτωση µετρήσεις [60], [61], [62], [63], [64] [65], [66], [67]. Καθοριστική για τα βασικά χαρακτηριστικά κάθε διάταξης DI.A.L. α- ποτελεί η επιλογή της κατάλληλης πηγής λέιζερ. Ειδικότερα, για µετρήσεις στην τροπόσφαιρα και στην κατώτερη στρατόσφαιρα χρησιµοποιούνται συνήθως λέιζερ διηγερµένων διµερών (Raman shifted excimer lasers) και των παλ- 37

54 µικών λέιζερ στερεάς κατάστασης Nd:YAG [64], [60], [61], ενώ τα λέιζερ διοξειδίου του άνθρακα για µετρήσεις µέχρι m [62], [72], [73]. H επιλογή της πηγής αποτελεί καθοριστικό παράγοντα για το κάθε σύστηµα λέιζερ. Καθορίζει µε τα χαρακτηριστικά της (το µήκος κύµατος, η ένταση και η συχνότητα της εκπεµπόµενης ακτινοβολίας) το εύρος του συστηµατικού και στατιστικού λάθους της διάταξης, αλλά και την αξιοπιστία, την ευκολία στη χρήση και το κόστος λειτουργίας του συστήµατος. υστυχώς, στις περισσότερες περιπτώσεις οι προαναφερθείσες ποιοτικές απαιτήσεις δεν είναι εφικτό να ικανοποιηθούν ταυτόχρονα και στον ίδιο βαθµό, διότι είναι αλληλοσυγκρουόµενες. Για την επιλογή της πηγής λέιζερ Nd:YAG του συστήµατος lidar-dial του ΕΦΑ (Εικόνα 3.1) ελήφθησαν υπόψη οι παρακάτω παράγοντες: το ύψος στο οποίο θα επικεντρωθούν οι µετρήσεις και το εύρος της συγκέντρωσης του όζοντος στην εν λόγω περιοχή. η επιθυµητή χωρική και χρονική διακριτική ικανότητα του συστήµατος. η συγκέντρωση και η φασµατική συµπεριφορά άλλων αερίων που είναι δυνατό να αλλοιώσουν τις µετρήσεις όζοντος. το είδος και οι οπτικές ιδιότητες-χαρακτηριστικά των αιωρού- µενων σωµατιδίων που υπάρχουν στην περιοχή το επίπεδο δυσκολίας στην ευθυγράµµιση και στη λειτουργία του συστήµατος Βασικές αρχές της µεθόδου DIAL Επιλογή των χρησιµοποιούµενων µηκών κύµατος Βασισµένη στην ιδέα της διαφορικής απορρόφησης η µέθοδος DIAL, χρησιµοποιεί δύο διαφορετικά µήκη κύµατος ακτινοβολίας λέιζερ, φασµατικά πολύ κοντινά µεταξύ τους. Εκπέµπονται δηλαδή ταυτόχρονα και στην ίδια κατεύθυνση δύο παλµοί διαφορετικού µήκους κύµατος: o πρώτος (λ 1 =λ on ) αποτελεί φασµατικά µέγιστο της απορρόφησης του υπό µελέτη συστατικού, ενώ ο δεύτερος (λ 2 =λ off ) συµπίπτει µε ένα ελάχιστο και δεν απορροφάται σχεδόν καθόλου (ή τουλάχιστον πολύ λιγότερο). Επιλέγονται δηλαδή κατάλληλα µήκη κύµατος τέτοια ώστε αν και φασµατικά είναι κοντινά, να αποτελούν µέγιστο 38

55 Ανίχνευση της Κατακόρυφης οµής του Όζοντος µε το Σύστηµα DIAL και ελάχιστο της απορρόφησης της ουσίας που ανιχνεύεται. Για να επιτευχθεί η απαραίτητη ευαισθησία της µεθόδου, για παράδειγµα για να είναι εφικτή η ανίχνευση συγκεντρώσεων την τάξης των 50 ppbv, απαιτείται η διαφορά των ε- νεργών διατοµών απορρόφησης σ Ο3 = σ 1 σ 2 των δύο µηκών κύµατος να είναι της τάξης των cm 2 ή µεγαλύτερη. Τα συστήµατα µέτρησης όζοντος µε τη µέθοδο DIAL είναι δυνατό να λειτουργούν, είτε στην υπέρυθρη, είτε στην υπεριώδη περιοχή του φάσµατος, δηλαδή σε περιοχές όπου παρουσιάζεται απορρόφηση από το ατµοσφαιρικό όζον. Η βέλτιστη ευαισθησία της µεθόδου επιτυγχάνεται όταν το οπτικό βάθος της υπό µελέτη ατµοσφαιρικής περιοχής, δηλαδή ο όρος που περιλαµβάνεται στο ολοκλήρωµα της εξίσωσης (3.1), είναι σχεδόν ίσος µε τη µονάδα. Μετρήσεις στην υπέρυθρη φασµατική περιοχή (κοντά στα 9.6 µm) απαιτούν ιδιαίτερα αυξηµένη συγκέντρωση του όζοντος π.χ. τιµές σε επίπεδα στρατοσφαιρικής συγκέντρωσης, προκειµένου να επιτευχθεί η σχετικά υψηλή τιµή της διαφορικής απορρόφησης. Αντιθέτως στην υπεριώδη περιοχή, λόγω των µεγάλων συντελεστών απορρόφησης του όζοντος, είναι δυνατό να καταγραφούν µε ακρίβεια και µικρότερες συγκεντρώσεις. Για το λόγο αυτό, αρκετά τροποσφαιρικά συστήµατα, όπως και το σύστηµα που αναπτύχθηκε και λειτούργησε στο πλαίσιο της εν λόγω διατριβής, χρησιµοποιούν µήκη κύµατος από 260 nm µέχρι nm. Όπως έχει αναπτυχθεί και στη µελέτη των Μegie και Menzies [81], ένα ακόµη πλεονέκτηµα της υπεριώδους φασµατικής περιοχής σε σχέση µε την υπέρυθρη, είναι το γεγονός ότι στη δεύτερη το εύρος των γραµµών απορρόφησης παρουσιάζει υψοµετρική εξάρτηση. Κατά συνέπεια, και το οπτικό βάθος θα παρουσιάζει παρόµοια εξάρτηση, γεγονός που οδηγεί στο να αποτελεί η επεξεργασία των δεδοµένων σαφώς πολυπλοκότερη διαδικασία. Όµως οι µετρήσεις στην υ- περιώδη περιοχή δεν είναι δυνατόν να «διαπεράσουν» το στρώµα του όζοντος στη στρατόσφαιρα (σε υψόµετρο περίπου 23 km από την επιφάνεια) είτε πρόκειται για υπέργειες, είτε για δορυφορικές µετρήσεις. Προκύπτει εποµένως ότι οι µετρήσεις στις δύο φασµατικές περιοχές οφείλουν να χρησιµοποιούνται συ- µπληρωµατικά, οπότε και δίνουν τα καλύτερα αποτελέσµατα. Μετά τον καθορισµό της πηγής ακτινοβολίας και της φασµατικής περιοχής στην οποία θα γίνουν οι µετρήσεις απαιτείται στη συνέχεια να γίνει η επιλογή των κατάλληλων µηκών κύµατος, προκειµένου να επιτευχθεί η µέγιστη δυνατή ακρίβεια για την υπό µελέτη ατµοσφαιρική περιοχή και συνθήκες. Η λεπτοµε- 39

56 ρής φασµατική κατανοµή της ενεργού διατοµής απορρόφησης του όζοντος παρουσιάζεται στο Σχήµα 3.3. Στο εν λόγω σχήµα χρησιµοποιήθηκαν τα αριθµητικά δεδοµένα των Molina και Molina [75] για συνήθεις συνθήκες ατµοσφαιρικής πίεσης και θερµοκρασία 298 Κ. Επιλέχθηκε η υπεριώδης περιοχή του φάσµατος, διότι αυτή αποτελεί και τη φασµατική περιοχή λειτουργίας του συστήµατος DIAL του ΕΦΑ. Προκειµένου να επιτευχθεί η βελτιστοποίηση του συστήµατος απαιτούνται µαθηµατικοί υπολογισµοί και ανάλυση τόσο των λοιπών πειραµατικών χαρακτηριστικών του συστήµατος, όσο και των θεωρητικών δεδοµένων που σχετίζονται µε του συντελεστές απορρόφησης του όζοντος και του φόρτου των σωµατιδίων (ποιοτικά και ποσοτικά στοιχεία). Σηµαντικό δεδοµένο αποτελεί το υψόµετρο στο οποίο θα επικεντρωθούν οι µετρήσεις, ενώ βασική υπόθεση αποτελεί η οµοιογενής κατανοµή των αιωρούµενων σωµατιδίων, προκειµένου να αγνοηθούν τα ανυπέρβλητα εµπόδια στους υπολογισµούς που θα προκαλούσε η ετερογενής κατανοµή τους. Σύµφωνα µε τη µελέτη των Papayannis et al. [64] η φασµατική απόσταση των µηκών κύµατος του επιλεγµένου ζευγαριού πρέπει να είναι τουλάχιστον 5-15 nm. Ο όρος αυτός επιτυγχάνεται στο σύστηµα DIAL του ΕΦΑ, διότι για τη λειτουργία έχουν επιλεγεί µήκη κύµατος µε ικανή µεταξύ τους απόσταση, αφού λ 1 =289 nm και λ 2 =316 nm. Με αυτή τη φασµατική απόσταση επιτυγχάνεται καλή ισορροπία ανάµεσα στα σφάλµατα που οφείλονται στις διαβαθµίσεις της διαφορικής σκέδασης των σωµατιδίων και στα στατιστικά σφάλµατα, ειδικά για την περιοχή της ελεύθερης τροπόσφαιρας που επικεντρώνει και το ενδιαφέρον το µετρήσεών µας. 40

57 Ανίχνευση της Κατακόρυφης οµής του Όζοντος µε το Σύστηµα DIAL absorption cross section x 1E-20 (cm2/molecule) Ozone at 298 K wavelength (nm) absorption cross section x 1E-20 (cm2/molecule) OZONE 298 K 263 K wavelength (nm) absorption cross section x 1E-20 (cm2/molecule) OZONE 298 K 263 K 226 K wavelength (nm) Σχήµα 3.3: Ενεργός διατοµή απορρόφησης του όζοντος στη φασµατική περιοχή από nm [75]. 41

58 3.6. Επεξεργασία των µετρήσεων DIAL του ΕΦΑ Στο πλαίσιο της παρούσας διατριβής αναπτύχθηκε ο αλγόριθµος επεξεργασίας των πειραµατικών δεδοµένων του συστήµατος DIAL του ΕΦΑ. Ο αλγόριθµος βασίζεται στη θεωρητική επίλυση της εξίσωσης lidar για την περίπτωση της διαφορικής απορρόφησης, η οποία και παρουσιάζεται στη συνέχεια, αλλά περιλαµβάνει και όλα τα στάδια για τη βελτιστοποίηση των αποτελεσµάτων (απαιτούµενες διορθώσεις) σύµφωνα µε τα όσα περιγράφονται και στη µελέτη των Papayannis et. al. [64]. Σε συνέχεια της εξίσωσης (3.4) ο ολικός συντελεστής εξασθένησης (total extinction coefficient) (µορίων και σωµατιδίων) για τα µήκη κύµατος µε ισχυρή (λ 1 =289 nm) και µε ασθενή (λ 2 =316 nm) απορρόφηση περιγράφεται από τις εξισώσεις (3.6) και (3.7) αντίστοιχα, a1 1 ) 1 ( r) ( r) = β ( r + σ n (3.6) a2 2 ) 2 ( r) ( r) = β ( r + σ n (3.7) όπου β 1,2 (r) οι ολικοί συντελεστές σκέδασης (total scattering coefficients), σ 1,2 (r) η ενεργός διατοµής απορρόφησης (absorption cross section) του όζοντος για τα δύο µήκη κύµατος αντίστοιχα και n(r) η συγκέντρωση των µορίων του όζοντος (αριθµός µορίων σε µοναδιαία µονάδα όγκου στην απόσταση r). Στο σηµείο αυτό πρέπει να σηµειωθεί ότι στη συγκεκριµένη φασµατική περιοχή είναι δυνατό να απορροφούν και άλλα αέρια, παράµετρος που αναλύεται στην παράγραφο 3.8. Χρησιµοποιώντας τις εξισώσεις (3.6) και (3.7) η εξίσωση lidar (3.1) παίρνει την εξής µορφή: P λ () r () r r, = C β π λ exp[ 2 ( r ) n( r' ) dr ] 2 λ β λ + σ (3.8) λ r r 1 όπου [ T ( 0 r )] 2 C = λ C (3.9) 0 λ, 1 H απόσταση r 1 αποτελεί το κατώτερο σηµείο των µετρήσεων, δεδοµένου ότι για την περιοχή από το σηµείο εκποµπής µέχρι το σηµείο r 1 η γεωµετρία του συστήµατος επιτρέπει την ανίχνευση µόνο ενός ποσοστού της οπισθοσκε- 42

59 Ανίχνευση της Κατακόρυφης οµής του Όζοντος µε το Σύστηµα DIAL δαζόµενης ακτινοβολίας. Στην περιοχή αυτή συµβαίνει δηλαδή ελλιπής επικάλυψη µεταξύ της δέσµης λέιζερ και του οπτικού πεδίου του τηλεσκοπίου. Για το σύστηµα DIAL του ΕΦΑ το κατώτερο σηµείο των µετρήσεων θεωρείται ότι είναι πάνω από τα 0.8 km και συνήθως εντοπίζεται στο km. Το φαινό- µενο της συνάρτησης επικάλυψης είναι δυνατό να εκφραστεί µέσω του όρου Τ (υψωµένος στο τετράγωνο διότι η εν λόγω διαδροµή 0 - r 1 διανύεται δύο φορές) και να υπολογιστεί υπολογίζεται από την εξίσωση (3.10): r = [ T ( 0, r )] exp 2 β ( r' ) + σ n( r' ) λ dr 1 λ λ ' (3.10) Κάθε λαµβανόµενο αρχείο µετρήσεων του συστήµατος DIAL του ΕΦΑ αποτελεί άθροιση 4000 παλµών και η διάρκεια λήψης του είναι 7 λεπτά περίπου. Καλύτερα αποτελέσµατα επιτυγχάνονται όταν οι µετρήσεις διαρκούν τουλάχιστον 1 ώρα, οπότε και τελικά αθροίζονται τα ληφθέντα αρχεία (π.χ. άθροιση 7-9 περίπου αρχείων, δηλαδή παλµών). Με τον τρόπο αυτό αυξάνεται ο λόγος του σήµατος προς το θόρυβο και επιτυγχάνεται µεγαλύτερο εύρος στις µετρήσεις. Για παράδειγµα στην περίπτωση βραδινών µετρήσεων µε «καθαρή» σχετικά ατµόσφαιρα στη Θεσσαλονίκη, η µέτρηση µε το σύστηµα DIAL του ΕΦΑ είναι δυνατόν να δώσει αποτελέσµατα µέχρι και το ύψος των 12 km. Για τον υπολογισµό της συγκέντρωσης n(r) του όζοντος από τα πειρα- µατικά δεδοµένα του συστήµατος DIAL του ΕΦΑ υπολογίζεται αρχικά ο λόγος των λαµβανόµενων εντάσεων των σηµάτων P 1 (r) και P 2 (r), δηλαδή των ση- µάτων στα 289 nm και 316 nm αντίστοιχα: () r () r () r () r r P C 1,1 β 1 π,1 = exp 2 [( σ 1 σ 2 ) n( r' ) + β1( r' ) β 2 ( r' )] dr' P2 C2,1 βπ,2 r1 (3.11) Όπου C 1,1 και C 2,1 είναι οι σταθερές του συστήµατος που υπολογίζονται µέσω της εξίσωσης (3.9) και β π,1, β π,2 οι ολικοί συντελεστές οπισθοσκέδασης. Στο πρόγραµµα επεξεργασίας υπάρχει η δυνατότητα να αφαιρεθεί το υπόβαθρο που εµφανίζεται στο σήµα και το οποίο είναι γίνεται ιδιαίτερα εµφανές στα πιο µακρινά σηµεία. Στο ΕΦΑ επιλέγεται συνήθως η περιοχή πάνω 43

60 3.00E E+7 2 February nm raw data signal smoothed data 1.00E E altitude (m) Σχήµα 3.4: Ενδεικτικό παράδειγµα σήµατος πριν και µετά το φιλτράρισµα µέσω του αλγορίθµου επεξεργασίας των δεδοµένων DIAL του ΕΦΑ. από 20 km για να υπολογιστεί η τιµή του υποβάθρου για κάθε µήκος κύµατος, η οποία στη συνέχεια αφαιρείται από το αντίστοιχο σήµα πριν αυτό χρησιµοποιηθεί στους υπολογισµούς της εξίσωσης (3.11). Επίσης, το σήµα για κάθε µήκος κύµατος φιλτράρεται προκειµένου να απαλειφθούν οι τυχαίες διαβαθµίσεις του και να βελτιωθεί στα µεγάλα ύψη ο λόγος του σήµατος προς το θόρυβο. Στον αλγόριθµο επεξεργασίας των πειραµατικών δεδοµένων DIAL του ΕΦΑ χρησιµοποιείται αρχικά ένα φίλτρο Savitzky-Golay ή πολυωνυµικό φίλτρο ψηφιακών δεδοµένων (digital smoothing polynomial filter) [82] το οποίο έχει µεταφερθεί προγραµµατιστικά στον αλγόριθµο επεξεργασίας (σύµφωνα µε τη µεθοδολογία που περιγράφεται στο [83]). Επιτυγχάνεται έτσι η βελτίωση της ποιότητας του σήµατος χωρίς να µειώνεται η ευαισθησία της µεθόδου, γεγονός που αποτυπώνεται και στο ενδεικτικό παράδειγµα που παρουσιάζεται στο Σχήµα 3.4. Όπως προαναφέρθηκε η επιλογή των δύο κατάλληλων µηκών κύµατος είναι καθοριστική. Προκύπτει ότι είναι απαραίτητο η διαφορά των συντελεστών απορρόφησης σ να είναι επαρκώς µεγάλη, ώστε ο όρος της απορρόφησης (σ 1 - σ 2 ) n(r) να είναι αρκετά µεγάλος και να επιτρέπει τον υπολογισµό της συγκέντρωσης του αερίου n(r) µε ακρίβεια. Επίσης, όπως προκύπτει από την εξίσωση (3.11) επιθυµητό είναι η διαφορά των συντελεστών σκέδασης β να είναι αρκετά µικρή ώστε ο εκθετικός όρος να εξαρτάται κύρια από τον όρο της απορρόφησης. Η συγκέντρωση του όζοντος n(r) υπολογίζεται επιλύνοντας την (3.11) µέσω της εξίσωσης (3.12): 44

61 Ανίχνευση της Κατακόρυφης οµής του Όζοντος µε το Σύστηµα DIAL () r () r () r () r 1 d P 1 1 d βπ, 1 1 ( r) = ln + ln 1 β 2 σ dr P2 2σ dr βπ,2 σ [ β () r () r ] n 2 (3.12) Όπως φαίνεται από την παραπάνω εξίσωση για να υπολογιστεί η συγκέντρωσης του όζοντος απαιτείται ο υπολογισµός τριών επιµέρους όρων: της παραγώγου του λόγου των δύο εντάσεων των σηµάτων, του όρου που σχετίζεται µε την οπισθοσκέδαση («διορθωτικός όρος οπισθοσκέδασης»)και του όρου που σχετίζεται µε την εξασθένηση («διορθωτικός όρος εξασθένησης») και ο οποίος είναι συνάρτηση της διαφορικής σκέδασης β 1 (r) β 2 (r). Με βάση τα παραπάνω η εξίσωση (3.12) µπορεί να αναγραφεί περιγραφικά ως εξής: ( r) + n ( r) + n ( r) n( r) = n' β e (3.13) Αντίστοιχα, το πρόγραµµα επεξεργασίας των δεδοµένων DIAL του ΕΦΑ δοµήθηκε σε τρία επιµέρους στάδια, ένα για κάθε όρο του δεύτερου σκέλους της ε- ξίσωσης (3.13). Ο όρος n (r) (εξίσωση (3.14)) αποτελεί το βασικό όρο υπολογισµού της συγκέντρωσης του όζοντος και εξαρτάται αποκλειστικά από το λόγο των δύο σηµάτων. 1 n'( r) = 2 σ d dr ( r) P 1 ln P2 () r (3.14) Μπορεί να χρησιµοποιηθεί κατά τη διάρκεια των µετρήσεων για την κατ αρχήν εκτίµηση της συγκέντρωσης και των µεταβολών της. Στην περίπτωση αυτή οι όροι n β και n e αποτελούν συστηµατικά σφάλµατα της υπολογισµένης συγκέντρωσης. Ο όρος n (r) αποτελεί αντιπροσωπευτικό δείκτη της ποιότητας των µετρήσεων, διότι επηρεάζεται άµεσα από το λόγο του σήµατος προς το θόρυβο (signal-to-noise-ratio). Οι δύο «διορθωτικοί» όροι υπολογίζονται εκ των υστέρων, στην περίπτωση που είναι επιθυµητό να επανυπολογιστεί µε µεγαλύτερη ακρίβεια η συγκέντρωση. υστυχώς και οι δύο αυτοί όροι εξαρτώνται άµεσα από τις ατµοσφαιρικές συνθήκες που επικρατούν κατά τη διάρκεια των µετρήσεων και πολλές φορές δεν είναι εφικτό να υπολογιστούν µε ακρίβεια, ιδιαίτερα στο κατώτερο τµήµα της τροπόσφαιρας που συνήθως χαρακτηρίζεται από ανο- µοιοµορφία στην κατανοµή ων αερολυµάτων. 45

62 Αξίζει να σηµειωθεί το ότι ολοκληρώνοντας της εξίσωση (3.14) καταλήγουµε στη σχέση (3.15), από την οποία προκύπτει ότι ο λογάριθµος του λόγου των δύο σηµάτων είναι ανάλογος µε το διπλάσιο της διαφορικής απορρόφησης του συγκεκριµένου συστατικού (differential absorption optical depth), που οφείλεται δηλαδή στη στήλη όζοντος µε συγκέντρωση n (r). Η εν λόγω παράµετρος χρησιµοποιείται συχνά στην ανάλυση της ακρίβειας των µετρήσεων. () r () r P 1 (3.15) ln = 2 σ n'( r) dr + σταθ. P 2 Η αρχική εκτίµηση της συγκέντρωσης n (r) µέσω της εξίσωσης (3.14) είναι το βασικότερο στάδιο στην επεξεργασία των µετρήσεων. Αν δεν καταστεί εφικτό να υπολογιστεί µε ικανοποιητική ακρίβεια από τις πραγµατοποιηθείσες µετρήσεις, για παράδειγµα εξαιτίας του έντονου θορύβου στο σήµα, τότε δεν ωφελεί η εφαρµογή οποιασδήποτε διόρθωσης. Αποτελεί δηλαδή καθοριστική προϋπόθεση ο υπολογισµός του βασικού όρου n (r) από τα δεδοµένα, προκειµένου εν συνεχεία να εφαρµοστούν οι διορθώσεις που αναφέρθηκαν στη σχέση (3.13). Για τον υπολογισµό της n (r) µέσω της εξίσωσης (3.14) απαιτείται ο υπολογισµός της παραγώγου του λογαρίθµού του λόγου των σηµάτων P 1 (r) και P 2 (r). Ο εν λόγω υπολογισµός είναι δυνατόν να γίνει µε διαφορετικές µεθόδους και για το λόγο αυτό έχει αποτελέσει το θέµα πολλών µελετών [76], [77], [78], [79]. Συνήθως η συγκέντρωση καθ ύψος προκύπτει υπολογίζοντας τη λογαριθµική διαφορά του λόγου του P 1 προς P 2 για απόσταση r αρκετά µεγαλύτερη από τη χωρική διακριτική ικανότητα του συστήµατος lidar (στην πιο απλουστευµένη εκδοχή τουλάχιστον τετραπλάσια). Χρησιµοποιούνται δηλαδή οι τι- µές των σηµάτων στα δύο µήκη κύµατος σε δύο αποστάσεις r και (r+ r). Η µέση τιµή n (r, r+ r) η οποία αντιστοιχίζεται στην n (r), υπολογίζεται τότε από τη σχέση (3.16) καλύπτοντας τελικά όλη την υπό µέτρηση ατµοσφαιρική περιοχή. 1 n'( r) = ln 2 σ r P1 P1 ( r) ( r + r) ln P 2 P2 ( r) ( ) r + r (3.16) Ουσιαστικά, µε την αριθµητική παραγώγiση των σηµάτων προκύπτει µία «µέση τιµή» της συγκέντρωσης, η οποία είναι δυνατόν να υπολογιστεί για περιοχές r από µερικές δεκάδες ως και εκατοντάδες µέτρα. Η µέθοδος αυτή 46

63 Ανίχνευση της Κατακόρυφης οµής του Όζοντος µε το Σύστηµα DIAL είναι ιδιαίτερα ευαίσθητη στην επιλογή του εύρους r, µια και για πολύ κοντινές αποστάσεις υπάρχει µεγάλη εξάρτηση τόσο από το λόγο του σήµατος προς το θόρυβο, όσο και από τις πιθανές ατµοσφαιρικές ανοµοιογένειες (heterogeneities). Στον αλγόριθµο επεξεργασίας του ΕΦΑ µετρούµενη περιοχή διαχωρίζεται σε τρία υποτµήµατα, στα οποία υπολογίζεται η παράγωγος µε διαφορετικό για κάθε τµήµα εύρος «παραθύρου» στους υπολογισµούς. Με τον τρόπο αυτό πετυχαίνεται η επιθυµητή ακρίβεια. Το σχετικό σφάλµα της συγκέντρωσης n (r) (δn = n/n), υποθέτοντας για την απλούστευση των υπολογισµών ότι οφείλεται µόνο στο σφάλµα του 1 ου µήκους κύµατος, προκύπτει από τη σχέση: δn' = 1 2 τ Α, dif P P1 1() r () r 2 P + P1 1( r + r) ( r + r) 2 ± [ COV ( P, P )] 2 r r+ r (3.17) όπου τ Α,dif το διαφορικό οπτικό βάθος δηλαδή η διαφορά των οπτικών βαθών τ Α,1 και τ Α,2 στη χωρική απόσταση r: Α τ, dif = τ A,1 τ A,2 = n( r) σ r (3.18) Στην περίπτωση που η απόσταση r είναι σχετικά µικρή υπάρχει µεγάλη συσχέτιση µεταξύ των P 1 (r) και P 1 (r+ r). Για το λόγο αυτό έχει συµπεριληφθεί ο όρος της COV(Pr, P r+ r ) στην εξίσωση (3.17). Όπως προκύπτει από την εν λόγω σχέση το σχετικό σφάλµα της συγκέντρωσης του όζοντος είναι αντιστρόφως ανάλογο µε τη διαφορά των οπτικών βαθών στα δύο µήκη κύµατος. Σύµφωνα µε τον Measures [51] η διαφορά αυτή ορίζει και τη διαφορική απορρόφηση του όζοντος στην περιοχή που λαµβάνουν χώρα οι µετρήσεις. Όσο περισσότερο µικραίνει η απόσταση r, µικραίνει και το οπτικό βάθος της σχέσης (3.18) και κατά συνέπεια µεγαλώνει το σχετικό σφάλµα της συγκέντρωσης. Το γεγονός αυτό υπογραµµίζει τη σηµασία της επιλογής κατάλληλης χωρικής διακριτικής ικανότητας στους υπολογισµούς, µεγαλύτερης από τη χωρική διακριτική ικανότητα του συστήµατος lidar, ώστε να είναι αποδεκτά τα αποτελέσµατα. Παρόλο που ενδέχεται να είναι επιθυµητό η συγκέντρωση να υπολογιστεί µε µεγάλη λεπτοµέρεια, δηλαδή για πολύ κοντινά σηµεία, οι υπολογισµοί θα έδιναν αποτελέσµατα µε ιδιαίτερα µεγάλο σφάλµα. 47

64 Η συσχέτιση της επιλογής της κατάλληλης απόστασης r µε την ακρίβεια των µετρήσεων παραµένει ακόµη και στις περιπτώσεις που επιλέγεται άλλη αριθµητική µέθοδος για την παραγώγιση του λόγου των σηµάτων π.χ. µέθοδος των ελαχίστων τετραγώνων. Η σχέση (3.17) γίνεται τότε πιο σύνθετη, χωρίς όµως να µεταβάλλεται ποιοτικά η συσχέτιση των r και δn Ευαισθησία της µεθόδου DIAL ιορθωτικοί όροι της εξίσωσης DIAL Στην αρχική της εκδοχή [52] η µέθοδος DIAL κατέληγε στον υπολογισµό της συγκέντρωσης του όζοντος µέσω του υπολογισµού του «βασικού ό- ρου» που περιγράφηκε στην προηγούµενη παράγραφο, υποθέτοντας ότι η φασµατική επιρροή της σκέδασης και της οπισθοσκέδασης στα χρησιµοποιούµενα µήκη κύµατος µπορούσε να αγνοηθεί. Η υπόθεση αυτή καταρρίφθηκε αργότερα, αναγνωρίζοντας της συνεισφορά της διαφορικής σκέδασης των σωµατιδίων και των µορίων και εισάγοντας εντέλει διορθώσεις αυτού του συστηµατικού σφάλµατος, όπως περιγράφηκε και στην εξίσωση (3.12). Υπάρχει εκτεταµένη βιβλιογραφία που διαπραγµατεύεται την εφαρµογή των εν λόγω διορθώσεων [64], [80], [81], [84], [85], [86], [87], [88]. Οι διορθωτικοί όροι οπισθοσκέδασης ( n β (r)) και εξασθένησης ( n e (r)) της εξίσωσης (3.13) εµπεριέχουν την επίδραση τόσο των µορίων όσο και των σωµατιδίων στον υπολογισµό της τελικής συγκέντρωσης του όζοντος. Ο υπολογισµός της συνεισφοράς της διαφορικής διόρθωσης λόγω των µορίων είναι ευκολότερος, αφενός διότι δεν απαιτεί επιπλέον µετρήσεις, αφετέρου διότι είναι δυνατό να υπολογιστεί χρησιµοποιώντας κάποιο µοντέλο προσοµοίωσης των συνθηκών της µοριακής ατµόσφαιρας. Αντίθετα, για τον υπολογισµό της επιρροής των σωµατιδίων απαιτείται να γίνουν διάφορες παραδοχές. Για παράδειγµα, για την εκτίµηση της διόρθωσης που οφείλεται στη διαφορική οπισθοσκέδαση των σωµατιδίων απαιτείται να είναι γνωστή η κατακόρυφη κατανοµή του συντελεστή οπισθοσκέδασης στα χρησιµοποιούµενα µήκη κύµατος. Το δεύτερο µήκος κύµατος, και εφόσον αποδεχτούµε ότι σε αυτό η απορρόφηση του όζοντος είναι αµελητέα, µπορεί να χρησιµοποιηθεί ως µήκος κύµατος αναφοράς για τον υπολογισµό της διόρθω- 48

65 Ανίχνευση της Κατακόρυφης οµής του Όζοντος µε το Σύστηµα DIAL σης των σωµατιδίων. Σε διαφορετική περίπτωση, απαιτείται επιπρόσθετη µέτρηση σε ένα τρίτο µήκος κύµατος (λ ref ), από το οποίο είναι δυνατό, µετά από διάφορες παραδοχές, να υπολογιστούν οι όροι n β (r) και n e (r). Θεωρείται ότι υπάρχει συσχέτιση µεταξύ των συντελεστών σκέδασης β p, ref (r), β p,1 (r) και β p,2 (r), καθώς και µεταξύ των συντελεστών εξασθένησης σ p, ref (r), σ p,1 (r) και σ p,2 (r), η οποία θεωρείται γνωστή. Κατά κανόνα, είναι παραδεκτό το ότι οι συντελεστές εξασθένησης και οπισθοσκέδασης των αιωρούµενων σωµατιδίων µεταβάλλονται αντιστρόφως ανάλογα µε το µήκος κύµατος. Για τον υπολογισµό του διορθωτικού όρου εξασθένησης γίνεται αποδεκτή η υπόθεση της εκθετικής εξάρτησης της σκέδασης των σωµατιδίων µε το συντελεστή Ångström u: σταθ. β p = u λ (3.19) Ο εκθέτης Ångström για τόσο κοντινά µήκη κύµατος όπως αυτά που χρησιµοποιούνται στη µέθοδο DIAL και για σωµατίδια διαµέτρου συγκρίσιµης των µηκών κύµατος, µπορεί να θεωρηθεί ίσος µε τη µονάδα. Για το υπεριώδες τµήµα του φάσµατος, παίρνει τιµές από 0 έως 2 και είναι ενδεικτικός του µεγέθους των σωµατιδίων. Γενικά, η µεταβολή των συντελεστών σκέδασης των σωµατιδίων β p ανάµεσα στα χρησιµοποιούµενα µήκη κύµατος λ 1 και λ 2, τα ο- ποία δεν συνήθως απέχουν φασµατικά πολύ, δεν θεωρείται µεγάλη. Υπολογίζοντας αρχικά το συντελεστή σκέδασης των σωµατιδίων στο 2 ο µήκος κύµατος και χρησιµοποιώντας τη σχέση (3.19) προκύπτει ο αντίστοιχος συντελεστής στο 1 ο µήκος κύµατος: β ( r) = β ( r) + u p, 1 p,2 1 λ λ2 (3.20) Για την περίπτωση της µοριακής σκέδασης ο εκθέτης Ångström είναι ίσος µε 4, οπότε υπολογίζεται και ο συντελεστής µοριακής σκέδασης: β ( r) = β ( r) 1 + m, 1 m,2 4 λ λ2 (3.21) Χρησιµοποιώντας τις (3.20) και (3.21) υπολογίζεται τελικά ο διορθωτικός όρος της εξασθένησης από την ακόλουθη σχέση: 49

66 n 1 r) = σ [ β ( r) β ( r) ] = B [ uβ p ( r) 4β ( )] ε ( 1 2 λ,2 + m, 2 r (3.22) όπου Β λ, ο φασµατικός παράγοντας (spectrum factor), που ορίζεται ως εξής: Β λ 1 (3.23) = σ λ2 λ Σηµειώνεται ότι ο παραπάνω διορθωτικός όρος είναι ανάλογος µε το φασµατικό παράγοντα [88], [89], ο οποίος µε τη σειρά του είναι αντιστρόφως ανάλογος του λόγου σ/ λ, όρου που καθορίζει την ευαισθησία της µεθόδου της διαφορικής απορρόφησης στη χρησιµοποιούµενη φασµατική περιοχή. Προφανώς, όταν ο λόγος σ/ λ είναι µικρός, όταν δηλαδή οι συντελεστές α- πορρόφησης του όζοντος στα χρησιµοποιούµενα µήκη κύµατος διαφέρουν λίγο µεταξύ τους, τότε ο φασµατικός παράγοντας Β λ είναι µεγάλος και κατά συνέπεια είναι αρκετά µεγάλος και ο διορθωτικός όρος n e (r). Τόσο όµως ο εν λόγω υπολογισµός όσο και η χρήση υποθετικής τιµής για το συντελεστή Ångström u, εισάγουν επιπρόσθετη αβεβαιότητα. Το σφάλµα που εισάγεται από µια εσφαλµένη εκτίµηση του εκθέτη αυτού, µπορεί να οδηγήσει σε αβεβαιότητα στον υπολογισµό του συντελεστή εξασθένησης µέχρι και 10% [90]. Για το λόγο αυτό συνηθίζεται να υπολογίζεται και να διορθώνεται µόνο ο όρος που αφορά στη µοριακή εξασθένηση (µε γνωστούς από τη θεωρεία σκέδασης Rayleigh τους µοριακούς συντελεστές εξασθένησης) και να µην υπολογίζεται ο αντίστοιχος όρος για τα σωµατίδια. Η διόρθωση αυτή, η οποία είναι ανεξάρτητη από το ύψος, για το σύστηµα που προαναφέρθηκε είναι 13 ppbv περίπου. Aκόµη πιο δύσκολος είναι ο υπολογισµός του διορθωτικού όρου της οπισθοσκέδασης n β (r), ο οποίος εξαρτάται από την κλίση της κατακόρυφης κατανοµής του συντελεστή εξασθένησης. των σωµατιδίων. Για τον υπολογισµό του απαιτείται δηλαδή να υπολογιστεί αριθµητικά η παράγωγος του λόγου οπισθοσκέδασης (backscatter ratio). Θεωρώντας τις αποστάσεις r αρκετά µικρές και χρησιµοποιώντας τις λογαριθµικές διαφορές των συντελεστών οπισθοσκέδασης στα δύο µήκη κύµατος, προκύπτει κατ αντιστοιχία µε την (3.16) η ακόλουθη εξίσωση υπολογισµού του διορθωτικού όρου οπισθοσκέδασης n β (r): 50

67 Ανίχνευση της Κατακόρυφης οµής του Όζοντος µε το Σύστηµα DIAL n β ( r) = 1 β ln 2 σ r βπ,1 π,1 ( r) ( r + r) β ln β π,2 π,2 ( r) ( r + r) (3.24) Το σχετικό σφάλµα δn β (r) υπολογίζεται διαιρώντας και τα δύο µέρη της παραπάνω εξίσωσης µε τη συγκέντρωση n(r) (δn β (r)= n β (r)/n(r)), οπότε κατ αντιστοιχία µε τη σχέση (3.17), προκύπτει και πάλι ότι το σφάλµα είναι αντιστρόφως ανάλογο µε το τοπικό διαφορικό οπτικό βάθος τ Α, dif (αφού [2 n(r) σ r] -1 = [2 τ Α, dif ] -1 ). Όταν η απόσταση r είναι πολύ µικρή, τότε το σφάλµα µπορεί να γίνει πολύ µεγάλο, ειδικά σε περιπτώσεις όπου παρατηρείται απότοµη εναλλαγή διαφορετικών στρωµατώσεων σωµατιδίων π.χ. νέφη, οπότε και ο εν λόγω διορθωτικός όρος µπορεί να είναι της τάξης των µερικών δεκάδων ppbv. Κατά συνέπεια το συστηµατικό σφάλµα της διαφορικής οπισθοσκέδασης των σωµατιδίων αποτελεί το δυσκολότερο σηµείο, ειδικά στις περιπτώσεις που παρατηρούνται ατµοσφαιρικές ανοµοιογένειες. Στις περιπτώσεις όπου η ατµόσφαιρα παρουσιάζει οµοιογένεια είναι ε- φικτό να υπολογιστεί ο διορθωτικός όρος της οπισθοσκέδασης µέσω µιας προσεγγιστικής µεθόδου που εισήγαγε οι Browell et al., [87]. Η µέθοδος κάνει χρήση της παραδοχής ότι οι συντελεστές οπισθοσκέδασης των σωµατιδίων µεταβάλλονται αντιστρόφως ανάλογα µε το µήκος κύµατος, υψωµένο σε δύναµη µε εκθέτη ξ=σταθ. Ορίζοντας τον παράγοντα Q(r,λ), ως το λόγο του συντελεστή οπισθοσκέδασης των σωµατιδίων προς τον αντίστοιχο µοριακό συντελεστή, β Q( r, λ) = β π, p π, m ( r, λ) ( r, λ) (3.25) και χρησιµοποιώντας αυτόν για την περιγραφή της φασµατικής εξάρτησης της οπισθοσκέδασης (για λ<λ ref ), προκύπτει: Q ( r, λ) = Q( r, λ ref λ ) λref 4 ξ (3.26) Στην περίπτωση που η εξάρτηση από το µήκος κύµατος είναι σχετικά µικρή είναι δυνατόν να γίνει η παρακάτω προσέγγιση: 51

68 λ λ 4 ξ λ = 1 (4 ξ ) ref λ ref (3.27) ώστε τελικά ο διορθωτικός όρος της οπισθοσκέδασης να υπολογιστεί µέσω α- κόλουθης εξίσωσης: n β ( r) () r ( r + r) ( ) 2 r + r (4 ξ ) Β Q Q (3.28) λ 2 2 ( r) = 2 r 1+ Q2 1+ Q Με τη µέθοδο αυτή γίνεται εφικτός ο υπολογισµός του διορθωτικού ό- ρου n β υπολογίζοντας τον παράγοντα Q 2 και επιλέγοντας την τιµή της σταθεράς ξ. Ουσιαστικά αποφεύγεται δηλαδή η αριθµητική παραγώγιση που εµπεριέχεται στην εξίσωση (3.24), χωρίς όµως να υστερεί η εν λόγω µέθοδος, αφού ο παράγοντας Q υπολογίζεται και στα δύο άκρα της απόστασης r. Αξίζει επίσης να σηµειωθεί ότι σύµφωνα µε τη σχέση (3.28) και ο διορθωτικός όρος της οπισθοσκέδασης είναι ευθέως ανάλογος µε το φασµατικό παράγοντα Β λ, γεγονός που ισχύει και για το διορθωτικό όρο της εξασθένησης (εξίσωση (3.22)). Στις µελέτες των Schotland [80], Menyuk and Killinger [85] και Browell et al. [87] ακολουθούνται τα παρακάτω βήµατα, προκειµένου να υπολογιστούν οι διορθωτικοί αυτοί όροι: α. Κατά τη διάρκεια των µετρήσεων καταγράφεται και ένα µήκος κύ- µατος στο οποίο δεν συµβαίνει απορρόφηση από το όζον. Είναι δυνατό να χρησιµοποιηθεί το 2 ο µήκος κύµατος εκ των δύο που χρησιµοποιεί η µέθοδος DIAL, εφόσον αυτό πληροί την προϋπόθεση. Αν όχι, τότε απαιτείται µέτρηση σε ένα τρίτο µήκος κύµατος, το οποίο θα χρησιµοποιηθεί ως µήκος κύµατος αναφοράς. β. Υπολογίζεται η κατακόρυφη κατανοµή του συντελεστή εξασθένησης των σωµατιδίων και εν συνεχεία ο παράγοντας Q(r,λ). Η κύρια δυσκολία στο σηµείο αυτό είναι το ότι για τον υπολογισµό του συντελεστή εξασθένησης α- παιτείται να είναι εκ των προτέρων γνωστός ο λόγος της οπισθοσκέδασης προς την εξασθένηση (backscatter-to-extinction ratio) σε κάθε ύψος, καθώς και το σηµείο αναφοράς (reference height) πέρα από το οποίο η ατµόσφαιρα θεωρείται µοριακή. Αυτές οι υποθέσεις-παραδοχές 52

69 Ανίχνευση της Κατακόρυφης οµής του Όζοντος µε το Σύστηµα DIAL γ. Υπολογίζεται, µέσω της εξίσωσης (3.22), ο διορθωτικός όρος της διαφορικής εξασθένησης αφού προηγουµένως έχει αποφασιστεί η τιµή του συντελεστή Ångström u. δ. Υπολογίζεται, µέσω της εξίσωσης (3.28), ο διορθωτικός όρος της διαφορικής οπισθοσκέδασης, έχοντας χρησιµοποιήσει επίσης συγκεκριµένη τι- µή για τη σταθερά ξ. Τόσος ο συντελεστής Ångström u, όσο και ο εκθέτης ξ είναι σταθερές η τιµή των οποίων επιλέγεται a priori. Συνοψίζοντας, τα βήµατα υπολογισµού της συγκέντρωσης του όζοντος µε τη µέθοδο της διαφορικής απορρόφησης DIAL για την περίπτωση του συστήµατος του ΕΦΑ είναι τα ακόλουθα [91]: 1. Λαµβάνουν χώρα µετρήσεις της ελαστικά οπισθοσκεδαζό- µενης ακτινοβολίας λέιζερ στα δύο µήκη κύµατος ( nm).. 2. Υπολογίζεται µέσω της εξίσωσης (3.16) η αρχική συγκέντρωση του όζοντος, µέσω της οποίας γίνεται και η ποιοτική αξιολόγηση των δεδοµένων καθώς και ο καθορισµός του εύρους της υπό µελέτης ατµοσφαιρικής περιοχής. 3. Υπολογίζεται ο συντελεστής εξασθένησης των σωµατιδίων στa 316 nm και χρησιµοποιείται για τον καθορισµό των διορθωτικών όρων λόγω της εξασθένησης και της οπισθοσκέδασης. 4. Επανυπολογίζεται η συγκέντρωση του όζοντος, αφού ληφθούν υπόψη οι προηγούµενες διορθώσεις. Σηµειώνεται ότι στη βιβλιογραφία έχει καταγραφεί και µέθοδος [88], [92] στην οποία εφαρµόζονται οι συγκεκριµένες διορθώσεις στο σήµα, πριν αυτό χρησιµοποιηθεί στην εξίσωση (3.16). Στην περίπτωση αυτή η συγκέντρωση που προκύπτει είναι και η τελική. 53

70 3.7.2 Επιλογή των χρησιµοποιούµενων µηκών κύµατος επιπτώσεις στους διορθωτικούς όρους Σύµφωνα µε τη µελέτη των Papayannis et al. [64] προκειµένου να επιλεγεί η βέλτιστη φασµατική περιοχή λειτουργίας και τα πιο σωστά για την κάθε περίπτωση µήκη κύµατος, γίνεται διαχωρισµός της τροπόσφαιρας σε δύο ζώνες, ανάλογα µε την περιοχή στην οποία πρόκειται να επικεντρωθούν οι επίγειες µετρήσεις: στο οριακό στρώµα (0-2 km) η στην ελεύθερη τροπόσφαιρα (2 15 km). Στο Σχήµα 3.5 παρουσιάζεται ο υπολογισµός του συστηµατικού σφάλµατος του συστήµατος DIAL του ΕΦΑ για 3 διαφορετικά ζεύγη µηκών κύµατος. Η χωρική ανάλυση θεωρήθηκε ίση µε 300 m και ο λόγος lidar ίσος µε 40 sr, τιµή που θεωρείται ενδεικτική για την περιοχή της Θεσσαλονίκης [120]. Φαίνεται ότι το σφάλµα είναι αρκετά µεγάλο (µεγαλύτερο του 40% για το ζεύγος nm), γεγονός που υπογραµµίζει τον καθοριστικό ρόλο του διορθωτικού όρου της οπισθοσκέδασης εντός του οριακού στρώµατος. Σε αυτή την περιοχή υπάρχει συνήθως µεγάλος φόρτος σωµατιδίων, ενώ ο λόγος του σήµατος προς το θόρυβο είναι αρκετά ικανοποιητικός. Το µέγιστο σφάλµα παρατηρείται συνήθως στη µεταβατική ζώνη από το οριακό στρώµα προς την ελεύθερη τροπόσφαιρα, δηλαδή στην περιοχή όπου είναι ιδιαίτερα απότοµη η κατακόρυφη διαβάθµιση του συντελεστή οπισθοσκέδασης των σωµατιδίων. Επιπρόσθετα, ενδέχεται στην επεξεργασία των µετρήσεων της περιοχής του οριακού στρώµατος, να πρέπει να ληφθούν υπόψη και άλλοι αέριοι ρύποι, όπως το διοξείδιο του θείου και του αζώτου, οι οποίοι επιφέρουν πρόσθετο συστηµατικό σφάλµα. Εξαιτίας των µεγάλων συντελεστών σκέδασης που παρατηρούνται στην περιοχή αυτή, η εξασθένηση της εκπεµπόµενης από το σύστηµα DIAL ακτινοβολίας είναι µεγάλη, µε αποτέλεσµα ο λόγος του σήµατος προς το θόρυβο να αυξάνεται ραγδαία κατά τη διάρκεια της διαδροµής των εκπεµπόµενων δεσµών λέιζερ. 54

71 Ανίχνευση της Κατακόρυφης οµής του Όζοντος µε το Σύστηµα DIAL 4.0 ALTITUDE ASL. (km) Dz=300 m, LR=40 sr nm nm nm SYSTEMATIC ERROR (%) Σχήµα 3.5: Υπολογισµός συστηµατικού σφάλµατος του συστήµατος DIAL του ΕΦΑ, για µετρήσεις µε χωρική ανάλυση 300 m, για τα ζεύγη µηκών κύµατος α) nm, β) nm και γ) nm. O λόγος lidar θεωρήθηκε ίσος µε 40 sr. Για το λόγω αυτό, στις µετρήσεις που αφορούν στην περιοχή της ελεύθερης τροπόσφαιρας εµφανίζεται να είναι σηµαντικότερο το στατιστικό σφάλ- µα σε σχέση µε το συστηµατικό σφάλµα, το οποίο παρουσιάζεται να είναι τώρα λιγότερο σηµαντικό, λόγω της µειωµένης συγκέντρωσης των σωµατιδίων ή άλλων ρυπαντών στην εν λόγω ατµοσφαιρική περιοχή. Κατά συνέπεια, προτείνεται το χρησιµοποιούµενο ζεύγος µηκών κύµατος να επιλεγεί από την περιοχή κοντά στα nm. Στη φασµατική αυτή περιοχή οι συντελεστές ενεργούς διατοµής απορρόφησης του όζοντος είναι µικρότεροι, µε αποτέλεσµα να επιτυγχάνεται καλύτερος λόγος του σήµατος προς θόρυβο στο 1 ο µήκος κύµατος (σε αυτό όπου η απορρόφηση του όζοντος είναι ισχυρή) ακόµη και µέχρι τα km. Προκειµένου να ξεπεραστεί το πρόβληµα του διορθωτικού όρου οπισθοσκέδασης εξίσωση (3.22) έχουν καταγραφεί προσπάθειες µείωσης της φασµατικής απόστασης λ. Σε µερικές περιπτώσεις µάλιστα προτάθηκε η διαφορά µεταξύ των µηκών κύµατος του ζευγαριού να είναι µόλις µερικά νανόµετρα [93], ώστε να γίνει εφικτό να αγνοηθούν εντελώς οι διορθωτικοί όροι. υστυχώς όµως τα αποτελέσµατα έδειξαν ότι βελτιώνεται ελάχιστα η ακρίβεια του συστήµατος, ενώ υπάρχει περίπτωση, αν ξεπεραστεί η ελάχιστη φασµατική διαφορά του συστήµατος, τα τελικά αποτελέσµατα να είναι εντελώς αντίθετα από τα επιθυµητά. Στο σηµείο αυτό επιβάλλεται να αναλυθούν οι εξισώσεις 55

72 (3.22) και (3.28). Όπως προαναφέρθηκε και οι δύο διορθωτικοί όροι εξαρτώνται από το φασµατικό παράγοντα Β λ, ο οποίος µε τη σειρά του είναι αντιστρόφως ανάλογος µε το λόγο σ/ λ (εξίσωση (3.23)). Όταν η φασµατική απόσταση των δύο µηκών κύµατος λ τείνει να γίνει µηδέν, τότε και η διαφορά των ενεργών διατοµών απορρόφησης σ θα τείνει στο µηδέν, µε αποτέλεσµα η α- πόλυτη τιµή του όρου Β λ να είναι αντιστρόφως ανάλογη της παραγώγου dσ/dλ. ηλαδή, όταν η διαφορά λ µικραίνει οι διορθωτικοί όροι n β και n e µπορεί είτε να µικρύνουν, είτε να µεγαλώσουν είτε να παραµείνουν σταθεροί, διότι τελικά καθοριστικός παράγοντας για την ακρίβεια του συστήµατος δεν είναι η φασµατική απόσταση των δύο µηκών, αλλά ο παράγοντας Β λ. Είναι γεγονός ότι τα περισσότερα συστήµατα τροποσφαιρικών µετρήσεων DIAL µε το πρώτο µήκος κύµατος λ 1 <300 nm λειτουργούν µε φασµατική διαφορά ανάµεσα στο δύο µήκη κύµατος της τάξης των nm (για παράδειγµα τα συστήµατα των Browell et al. [87], McDermid et al. [94], Moosmüller et al. [95], Zhao et al., [96], Ancellet and Ravetta [97], Carnuth et al. [67]). Αυτή η φασµατική απόσταση θεωρείται ότι είναι η καλύτερη για τις µετρήσεις του όζοντος στην τροπόσφαιρα µε τη χρήση της υπεριώδους ακτινοβολίας. Αυτό το συµπέρασµα επαληθεύεται θεωρητικά µελετώντας τη µεταβολή του φασµατικού παράγοντα Β λ για διαφορετικές φασµατικές αποστάσεις των δύο µηκών κύµατος ( λ). Στο Σχήµα 3.6 παρουσιάζεται γραφικά η εν λόγω µεταβολή, σε συνάρτηση του 2 ου µήκους κύµατος (λ 2 ), για διαφορετικές επιλογές της περιπτώσεις φασµατικής απόστασης λ=λ 2 -λ 1. Οι υπολογισµοί έγιναν και για τη φασµατική απόσταση που αφορά στο σύστηµα DIAL του ΕΦΑ ( λ= 27 nm). Είναι προφανές ότι η αύξηση της φασµατικής απόστασης λ επιφέρει κατά κανόνα µείωση του παράγοντα Β λ, προκαλώντας και την επακόλουθη µείωση των διορθωτικών όρων της εξασθένησης και της οπισθοσκέδασης, ακόµη και στην περίπτωση που το δεύτερο µήκος κύµατος έχει επιλεγεί να είναι µεγαλύτερο των 300 nm (περίπτωση του συστήµατος DIAL του ΕΦΑ). Βέβαια είναι προφανές ότι πέραν των όσων συµπεραίνουµε από το Σχήµα 3.6, κατά το σχεδιασµό ενός συστήµατος DIAL και κατά την επιλογή των µηκών κύµατος του χρησιµοποιούµενου ζευγαριού πρέπει να ληφθούν υ- πόψη και άλλοι παράγοντες, ειδικά για τις περιπτώσεις που ενδιαφέρουν οι στρατοσφαιρικές µετρήσεις. Η βέλτιστη επιλογή µηκών κύµατος καθορίζεται πάντα από συνδυασµό παραµέτρων όπως είναι το επιθυµητό ύψος µετρήσεων, 56

73 Ανίχνευση της Κατακόρυφης οµής του Όζοντος µε το Σύστηµα DIAL 10 8 spectrum factor x 1E+16 (mol*cm-2) nm 5 nm 10 nm nm 27 nm wavelength (nm) Σχήµα 3.6: Υπολογισµός της µεταβολής του φασµατικού παράγοντα (spectrum factor Β λ ) σε συνάρτηση του µήκους κύµατος λ 2, για διαφορετικές τιµές της φασµατικής απόστασης λ=λ 2 -λ 1. Η φασµατική απόσταση των 27 nm αντιπροσωπεύει και την περίπτωση του συστήµατος DIAL του ΕΦΑ. το εύρος των συγκεντρώσεων που θα µετρηθούν και όλους του λοιπούς παράγοντες εξασθένησης του σήµατος Στατιστικό σφάλµα των µετρήσεων DIAL Η αβεβαιότητα της µεθόδου DIAL έχει λεπτοµερώς µελετηθεί (π.χ. Schotland [80]). Η συνήθης µεθοδολογία υπολογισµού του αναµενόµενου στατιστικού σφάλµατος της συγκέντρωσης του όζοντος βασίζεται στη θεωρεία µετάδοσης σφάλµατος µεταξύ όρων που δεν συσχετίζονται µεταξύ τους [81], [84], [64], [86], [78] και υπολογίζεται από τη σχέση: δ n = s 1/ 2 2n σ rn SNR + SNR (3.29) όπου SNR 1,2 είναι ο λόγος του σήµατος προς το θόρυβο του 1 ου ή του 2 ου µήκους κύµατος αντίστοιχα, ενώ Ν είναι ο αριθµός των παλµών που αθροίζονται για το µέσο σήµα P(r). Επειδή τ Α,dif =n σ r η προηγούµενη σχέση γίνεται: 57

74 δ n 1 s = + 1/ τ Α, dif N SNR1 2 2 SNR 2 2 (3.30) Όπως φαίνεται από τη σχέση (3.30) το στατιστικό σφάλµα είναι αντιστρόφως ανάλογο από το διπλάσιο του διαφορικής απορρόφησης του όζοντος. Επίσης εξαρτάται και αυτό από τη διαφορά των ενεργών διατοµών απορρόφησης σ και από τη χωρική ευαισθησία r. ηλαδή µικρές διαφορές σ οδηγούν σε αυξηµένα σφάλµατα είτε συστηµατικά, όπως τα n β και n e, είτε στατιστικά, όπως το δn s. Πρέπει να σηµειωθεί ότι τα διαφορετικά είδη σφαλµάτων σχετίζονται µεταξύ τους. Έτσι, τα επίγεια συστήµατα DIAL αντιµετωπίζουν το πρόβληµα των αυξηµένου συστηµατικού σφάλµατος σε µεγάλα ύψη, όπου το σήµα γίνεται πιο ασθενές και ο θόρυβος µεγαλώνει. Αυτό συµβαίνει συνήθως στην περιοχή της ανώτερης τροπόσφαιρας ή στης στρατόσφαιρας και το πρόβληµα επιλύεται χρησιµοποιώντας τη µέθοδο καταγραφής φωτονίων (photoncounting mode) προκειµένου να ανιχνευτεί το σήµα. Με τη χρήση αυτής της µεθόδου υποθέτουµε ότι κατά τα λαµβανόµενα φωτόνια ακολουθούν την κατανοµή Poisson και οδηγούµαστε έτσι στην ακόλουθη σχέση υπολογισµού του SNR στο µήκος κύµατος λ και σε απόσταση r: SNR ( r) = λ p λ ( r) pλ ( r) + p bgr + p dc (3.31) Στη σχέση (3.31) p λ (r) είναι το λαµβανόµενο σήµα (άθροισµα φωτονίων), p bgr είναι το υπόβαθρο, ενώ p dc είναι η µεταβολή του ρεύµατος σκότους του φωτοανιχνευτή κατά τη διάρκεια του 2 r/c (όπου c η ταχύτητα του φωτός). Κατά την υπόθεση της κατανοµής Poisson οδηγούµαστε µερικές φορές σε υπερεκτίµηση του στατιστικού σφάλµατος [98], µια και λεπτοµερέστερη ανάλυση µερικές φορές καταλήγει ότι σε µικρότερα σφάλµα µικρότερου µεγέθους. Επίσης το τελικό αποτέλεσµα είναι δυνατόν να αλλοιώνεται και από φαινόµενα όπως ο κορεσµός των φωτοπολλαπλασιαστών, του φαινοµένου του µεταπαλµού, χρονική µεταβολή του υποβάθρου κατά τη διάρκεια των µετρήσεων κλπ. Παρόλα αυτά η υποθετική κατανοµή Poisson παραµένει ο πιο πρακτικό τρόπος υπολογισµού του στατιστικού σφάλµατος. Για το σύστηµα DIAL του ΕΦΑ υπολογίστηκε µέσω αλγορίθµου [64] το στατιστικό σφάλµα για ηµερήσιες και νυκτερινές µετρήσεις. Σύµφωνα µε τη 58

75 Ανίχνευση της Κατακόρυφης οµής του Όζοντος µε το Σύστηµα DIAL µέθοδο που περιγράφεται στη µελέτη των Papayannis et al. [64] χρησιµοποιήθηκαν στους υπολογισµούς θεωρητικές καθ ύψος κατανοµές i) του όζοντος, (για µέσα γεωγραφικά πλάτη) [99] και ii) του συντελεστή εξασθένησης των αιωρούµενων σωµατιδίων [100]. Επίσης χρησιµοποιήθηκαν τα αποτελέσµατα ατµοσφαιρικού µοντέλου για τη προσοµοίωση της µοριακής ατµόσφαιρας [101]. Οι υπολογισµοί έγιναν για αστική περιοχή µε ορατότητα 10 km. Με στόχο τη βελτιστοποίηση των µετρήσεων του συστήµατος DIAL του ΕΦΑ εξετάστηκε η µεταβολή του στατιστικού σφάλµατος σε σχέση µε τη χρονική και τη χωρική διακριτική ικανότητα του συστήµατος. Υπολογίστηκε δηλαδή το στατιστικό σφάλµα για µετρήσεις κατά τις οποίες αθροίστηκαν 4000, και παλµοί (δηλαδή µετρήσεις µε χρονική διάρκεια 7 λεπτά, 35 λεπτά και 1 ώρα περίπου αντίστοιχα), προκειµένου να διευκρινιστεί η ενδεδειγµένη διάρκεια των µετρήσεων. Για κάθε µία από αυτές τις τρεις περιπτώσεις υπολογίστηκε η επίπτωση της επιλεγµένης χωρικής διακριτικής ικανότητας στο στατιστικό σφάλµα. Εξετάστηκε δηλαδή το στατιστικό σφάλµα για περιπτώσεις µετρήσεων µε χωρική διακριτική ικανότητα 0.25, 0.50 και 0.75 km. Στο Σχήµα 3.7 παρουσιάζονται οι υπολογισµοί του στατιστικού σφάλ- µατος του συστήµατος DIAL του ΕΦΑ για µετρήσεις κατά τη διάρκεια της η- µέρας. Στο Σχήµα 3.8 παρουσιάζονται οι αντίστοιχοι υπολογισµοί για βραδινές µετρήσεις. Προκύπτει (Σχήµα 3.8, (γ)) ότι το στατιστικό σφάλµα των ωριαίων, βραδινών µετρήσεων, µε χωρική διακριτική ικανότητα 500 m, είναι µικρότερο του 7.5 % µέχρι και το ύψος των 11 km. Αν η χωρική διακριτική ικανότητα αλλάξει στα 750 m, τότε το σφάλµα είναι µικρότερο του 5 % για όλη την τροπόσφαιρα (0-12 km). Στην αντίστοιχη περίπτωση των ωριαίων ηµερήσιων µετρήσεων (Σχήµα 3.7, (γ)) το στατιστικό σφάλµα είναι µικρότερο του 10 % µέχρι τα 8 km για βήµα 500 m, ενώ για βήµα 750 m το σφάλµα παραµένει µικρότερο του 8% µέχρι και το ύψος των 11 km. 59

76 12 10 altitude (km) Daytime, 4000 shots (7min) km km km statistical error (%) (α) 10 altitude (km) Daytime, shots (35 min) km km km statistical error (%) (β) 10 altitude (km) Daytime, shots (60 min) km km km statistical error (%) (c) Σχήµα 3.7: Υπολογισµός στατιστικού σφάλµατος του συστήµατος DIAL του ΕΦΑ, για ηµερήσιες µετρήσεις αθροίζοντας α) 4000 παλµούς, β) παλµούς και γ) παλµούς και για υποπεριπτώσεις µε διαφορετική διακριτική ικανότητα (0.25 km - συνεχής γραµµή, 0.50 km διακεκοµµένη γραµµή και 0.75 km ε- στιγµένη γραµµή). 60

77 Ανίχνευση της Κατακόρυφης οµής του Όζοντος µε το Σύστηµα DIAL altitude (km) Nighttime, 4000 shots (7min) km km km statistical error (%) (α) 10 altitude (km) Nighttime, shots (35 min) km km km statistical error (%) (β) 10 altitude (km) Nighttime, shots (60 min) km km km statistical error (%) (c) Σχήµα 3.8: Υπολογισµός στατιστικού σφάλµατος του συστήµατος DIAL του ΕΦΑ, για βραδινές µετρήσεις αθροίζοντας α) 4000 παλµούς, β) παλµούς και γ) παλµούς και για υποπεριπτώσεις µε διαφορετική χρονική διακριτική ικανότητα (0.25 km - συνεχής γραµµή, 0.50 km διακεκοµµένη γραµµή και 0.75 km εστιγµένη γραµµή). 61

78 3.8. Επιρροή άλλων αερίων Στην κοντινή υπεριώδη περιοχή του φάσµατος ( nm) όπου πραγµατοποιούνται οι µετρήσεις DIAL του ΕΦΑ παρουσιάζουν απορρόφηση και άλλα τέσσερα µόρια αερίων. Υπάρχουν ακόµη και άλλα αέρια που παρουσιάζουν απορρόφηση στην ίδια φασµατική περιοχή, τα οποία όµως οφείλουν να εξετάζονται και να λαµβάνονται υπόψη µόνο σε περιπτώσεις µε ιδιαίτερα έντονα επεισόδια ατµοσφαιρικής ρύπανσης. Στην προσπάθεια βελτιστοποίησης των υπολογισµών οδηγούµαστε στο να µελετήσουµε την ενδεχόµενη επιρροή τους και το επιφερόµενο σφάλµα στα αποτελέσµατα. Στον Πίνακας 3.2 παρουσιάζονται οι συντελεστές απορρόφησης για θερµοκρασία 298 Κ σε τέσσερα µήκη κύµατος που αφορούν σε Nd-YAG λέιζερ [75], [99], [103], [104], [105]. Για να γίνει εφικτή η συγκριτική εκτίµηση της σηµαντικότητας τους έχει γίνει η υπόθεση της ίδιας συγκέντρωσης (38 ppbv) (10 12 µόρια cm -3 ) στο επίπεδο του εδάφους για τα Ο 3, NO 2 και SO 2, ενώ η συγκέντρωση της φορµαλδεύδης (CH 2 O) θεωρήθηκε ίση µε 3.8 ppbv (10 11 µόρια cm -3 ), τιµή που περιγράφει τη µέση παρατηρούµενη τιµή του είδους σε αστική περιοχή. Η επίδραση στο Οξυγόνου πρέπει να λαµβάνεται υπόψη µόνο στα 266 nm, δεδοµένου ότι η επίδρασή του για υποθετική συγκέντρωση cm -3 είναι της τάξης του 7 % κατά τη χρήση των 266/289 nm. Έχει στην περίπτωση αυτή δηλαδή επίπτωση στη συγκέντρωση του όζοντος κατά 2.6 ppbv. Μπορεί εύκολα να διορθωθεί µια και η αναλογία µείγµατός του είναι κατά κανόνα ανεξάρτητη του ύψους. Μοναδικό σηµείο αβεβαιότητας παραµένει η τιµή του συντελεστή απορρόφησης, µια και αυτή έχει προκύψει από θεωρητικούς υπολογισµούς [105]. Η επίδραση του διοξειδίου του θείου επιφέρει σφάλµα στη συγκέντρωση του όζοντος µέχρι σε 2 ppbv και µπορεί να µειωθεί αν χρησιµοποιηθεί το ζεύγος 289/316 nm. Αντίστοιχα, το διοξείδιο του αζώτου µπορεί να έχει µέχρι και διπλάσια επίδραση για την περίπτωση του ζεύγους 289/316 nm. Η επίδραση της φορµαλδεύδης είναι µερικές φορές όσο και του διοξειδίου του θείου ειδικά κατά τη χρήση των 266/289 nm. 62

79 Ανίχνευση της Κατακόρυφης οµής του Όζοντος µε το Σύστηµα DIAL Πίνακας 3.2: Συντελεστές απορρόφησης (10-6 m -1 ) διάφορων αερίων σε συνάρτηση του µήκους κύµατος Είδος Συντελεστές απορρόφησης αερίου 266 nm 289 nm 299nm nm [75] Ο 3 (38 ppbv) SO 2 (38 ppbv) NO 2 (38 ppbv) Βιβλ/κή Αναφορά [98], [99] [103] CH 2 O [104] (3.8 ppbv) O [105] Στην περίπτωση του συστήµατος DIAL του ΕΦΑ χρησιµοποιείται το ζεύγος των 289/316 nm, στο οποία το όζον έχει µεγάλο συντελεστή απορρόφησης, Τα αέρια SO 2, NO 2 και CH 2 O είναι δυνατό να έχουν επίδραση στις µετρήσεις µόνο στην περιοχή του οριακού στρώµατος και ειδικότερα στις περιπτώσεις που παρουσιάζονται επεισόδια έντονης ατµοσφαιρικής ρύπανσης. Μόνο σε τέτοιες περιπτώσεις είναι δυνατόν να παρουσιαστούν οι υποθετικές συγκεντρώσεις που χρησιµοποιήθηκαν στον Πίνακας 3.2, οπότε και θα έπρεπε να διορθωθεί η συγκέντρωση του όζοντος. Στην περίπτωση του συστήµατος DIAL του ΕΦΑ όπου στόχος των µετρήσεων είναι η περιοχή της ελεύθερης τροπόσφαιρας, δεν λαµβάνεται υπόψη η επιρροή των υπολοίπων αερίων που προαναφέρθηκαν, διότι η επίδρασή τους θεωρείται αµελητέα. Επιπρόσθετα, χρησι- µοποιείται το ζεύγος των 289/316 nm, στο οποία το όζον παρουσιάζει µεγάλη απορρόφηση. Το γεγονός αυτό καθιστά την επίδραση των υπολοίπων αερίων ακόµη πιο αµελητέα Συµπεράσµατα Το σύστηµα DIAL του ΕΦΑ σχεδιάστηκε για τη µέτρηση της κατακόρυφης δοµής του τροποσφαιρικού όζοντος. Αποτέλεσε το πρώτο σύστηµα lidar στον Ελλαδικό χώρο, αλλά και την πρώτη διάταξη DIAL στη νοτιοανατολική Μεσόγειο. Η επεξεργασία των µετρήσεων DIAL αποτελεί ακόµη και σήµερα 63

80 παράµετρο καθοριστική για την αξιοπιστία των µετρήσεων κάθε συστήµατος DIAL. Στο πλαίσιο την παρούσας διατριβής υλοποιήθηκε η κατασκευή του συστήµατος και διαµορφώθηκε ο αλγόριθµος επεξεργασίας των πειραµατικών µετρήσεων. To σύστηµα µπορεί να χρησιµοποιηθεί για τη µέτρηση της κατακόρυφης κατανοµής του όζοντος σε όλη της τροπόσφαιρα, αφού το στατιστικό σφάλµα της διάταξης είναι µικρότερο του 5-7.5% µέχρι τα 12 km, για ωριαίες βραδινές µετρήσεις µε χωρική διακριτική ικανότητα m. 64

81 4. Μετρήσεις Όζοντος µε το σύστηµα DIAL του ΕΦΑ Τ α πειραµατικά δεδοµένα που παρουσιάζονται στo κεφάλαιο που ακολουθεί χρησιµοποιήθηκαν προκειµένου να επαληθευτεί η ικανότητα του συστήµατος DIAL ΕΦΑ να ανιχνεύει την κατακόρυφη συγκέντρωση του τροποσφαιρικού όζοντος και τις µεταβολές της. Η αξιοπιστία του συστήµατος DIAL του ΕΦΑ ελέγχεται αρχικά συγκρίνοντας τις πειραµατικές µετρήσεις µε µία οζοντοβόλιση που εκτοξεύτηκε ταυτόχρονα µε αυτές. Τα αποτελέσµατα της σύγκρισης παρουσιάζονται αναλυτικά. Στη συνέχεια παραθέτονται ενδεικτικά παραδείγµατα µετρήσεων και εξετάζεται η κατά περίπτωση ε- πιφερόµενη επίπτωση στην κατακόρυφη δοµή του τροποσφαιρικού όζοντος. Επαληθεύεται δηλαδή η επίπτωση της διαφορετικής χωρικής και υψοµετρικής προέλευσης των αερίων µαζών που φθάνουν στην τροπόσφαιρα της πόλης στη συγκέντρωση του όζοντος. Στη συνέχεια, εξετάζεται η ικανότητα του συστήµατος να απεικονίζει ορθά τις απότοµες µεταβολές του επιφανειακού όζοντος, καθώς συγκρίνονται τα αποτελέσµατα των µετρήσεων DIAL (στο κατώτερο υψο- µετρικά σηµείο τους) µε τις µετρήσεις ηµοτικού Σταθµού καταγραφής της α- τµοσφαιρικής ρύπανσης. Τέλος, παρουσιάζεται αναλυτικά το περιστατικό της ηλιακής έκλειψης στις 11 Αυγούστου 1999 και οι συνακόλουθες µεταβολές του όζοντος. 65

82 4.1. Μελέτη της αξιοπιστίας του συστήµατος DIAL του ΕΦΑ Εισαγωγή Όπως αναλύθηκε ήδη στο προηγούµενο κεφάλαιο, οι µετρήσεις µε τη µέθοδο DIAL έχουν ικανοποιητική χωρική και χρονική ανάλυση, δίνοντας τη δυνατότητα χρήσης των συστηµάτων λέιζερ τόσο για τις συστηµατικές, όσο και για τις κατά περίπτωση µετρήσεις της κατακόρυφης δοµής του όζοντος. Η επίδοση κάθε συστήµατος λέιζερ εξαρτάται από διάφορους παράγοντες. Η ένταση της δέσµης λέιζερ, η οποία φθίνει µε την πάροδο του χρόνου, η µη σταθεροποιηµένη τάση των φωτοπολλαπλασιαστών, ο ηλεκτρονικός θόρυβος των οργάνων, αλλά και η απαιτούµενη απόσταση για την επικάλυψη εκποµπής και λήψης, καθορίζουν την απόδοση του συστήµατος. Επιβάλλεται λοιπόν να συντηρείται σωστά η διάταξη, να ελέγχεται σε τακτά χρονικά διαστήµατα η ακρίβειά της, καθώς και να ευθυγραµµίζεται µε τη µέγιστη δυνατή ακρίβεια. Προϋπόθεση για τη σωστή εξαγωγή συµπερασµάτων από τις ληφθείσες µετρήσεις είναι το να έχει ληφθεί υπόψη κατά την επεξεργασία τους η επίδραση i) της διαφορικής εξασθένησης και οπισθοσκέδασης των ατµοσφαιρικών µορίων, ii) της διαφορικής εξασθένησης και οπισθοσκέδασης των σωµατιδίων και iii) της διαφορικής απορρόφησης των λοιπών αερίων. Εκτός από τους παραπάνω µεθοδολογικούς περιορισµούς υπάρχουν και τεχνικοί περιορισµοί που οφείλουν να λαµβάνονται υπόψη. Οι ποιο σηµαντικοί από αυτούς σχετίζονται µε τη µη γραµµική συµπεριφορά των ανιχνευτών, µε προβλήµατα ευθυγράµµισης του συστήµατος και καταγραφής των δεδοµένων. Για κάθε σύστηµα DIAL ο συνδυασµός των προαναφερθέντων παραγόντων καθορίζει το αποδεκτό χωρικό εύρος των µετρήσεων (ελάχιστο και µέγιστο ύψος), καθώς και την τελική χωρική και χρονική διακριτική ικανότητα του συστήµατος. Για όλους τους παραπάνω παράγοντες επιβάλλεται να ελέγχεται η ακρίβεια των µετρήσεων συγκρίνοντας τα αποτελέσµατα των lidar µετρήσεων µε αντίστοιχες µετρήσεις άλλων οργάνων. Βέβαια είναι συνήθως δύσκολο να βρεθούν κατάλληλες µετρήσεις, διότι οι διαφορετικές µέθοδοι που χρησιµοποιούνται σε αυτές δίνουν αποτελέσµατα µε διαφορετική χρονική ευαισθησία και χωρική διακριτική ικανότητα. Επίσης συχνά υπάρχει δυσκολία στo να πραγµατοποιηθούν ταυτόχρονα και στο ίδιο χώρο µε τις µετρήσεις lidar. Είναι δηλαδή 66

83 Μετρήσεις Όζοντος µε το σύστηµα DIAL του ΕΦΑ αναγκαίο να αφορούν και τα δύο συγκρινόµενα είδη µετρήσεων στην ίδια περιοχή και στην ίδια χρονική περίοδο. Για τις µετρήσεις όζοντος πάνω από το οριακό στρώµα, όπου σε γενικές γραµµές η κατανοµή του όζοντος παρουσιάζει µεγαλύτερη οµοιογένεια, σηµαντικότερη παράµετρο αποτελεί η ταυτόχρονη διεξαγωγή των µετρήσεων, από το να συµβαίνουν και οι δύο ακριβώς στο ίδιο σηµείο, καθώς συνήθως, προκειµένου να εξαχθούν συµπεράσµατα για τα µεγαλύτερα ύψη, απαιτείται να έχουν και µεγαλύτερη διάρκεια. Στη βιβλιογραφία έχουν καταγραφεί συγκρίσεις των µετρήσεων DIAL µε οζοντοβολίδες ([60], [63], [126], [127], [128], [129], [130], [131]), µε φωτό- µετρα UV [87], µε τη µέθοδο DOAS (Differential absorption spectroscopy) [132] καθώς και µε δορυφορικά δεδοµένα [133]. Ο έλεγχος της αξιοπιστίας των µετρήσεων DIAL µε οζοντοβολίδες είναι µια πρακτική που ακολουθείται συχνά την τελευταία δεκαετία Έχουν χρησιµοποιηθεί και οι δύο τύποι οζοντοβολίδων: τύπου Brewer-Mast ή τύπου ECC. Και οι δύο τύποι βασίζονται στη µέθοδο της ηλεκτροχηµικής ανίχνευσης του όζοντος. Στην τροπόσφαιρα οι Brewer-Mast οζοντοβολίδες δείχνουν συνήθως χαµηλότερες τιµές όζοντος από τις οζοντοβολίδες ECC. Στη 2 ο ιεθνές Πείραµα Σύγκρισης οζοντοβολίδων (Second International Ozone Sonde Intercomparison campaign) που πραγµατοποιήθηκε στο Hohenpeissenberg το 1978 οι οζοντοβολίδες Brewer-Mast έδειξαν 12% χα- µηλότερες τιµές [134], ενώ σε άλλο πείραµα το 1984 (Balloon ozone intercomparison campaign, BOIC ) οι διαφορές ήταν της τάξης του 25% [106]. Βέβαια, υπήρξαν και περιπτώσεις όπου τα αποτελέσµατά τους προέκυψαν υψηλότερα από αυτά των οζοντοβολίσεων ECC [135]. Γενικά, προκειµένου να επαληθευτούν οι µετρήσεις DIAL µε οζοντοβολίδες προτείνεται να χρησιµοποιείται πάντα συγκεκριµένος τύπος, προκειµένου να είναι εφικτή και η µεταξύ σύγκριση των καθ ύψος συγκεντρώσεων Επαλήθευση της αξιοπιστίας του συστήµατος DIAL µε τη χρήση οζοντοβόλισης Για τον έλεγχο της αξιοπιστίας του συστήµατος DIAL του ΕΦΑ χρησι- µοποιήθηκε µία οζοντοβολίδα Vaisala ECC5A. Ταυτόχρονα µε αυτή εκτοξεύτηκε και Ραδιοβολίδα (RS80-Vaisala) προκειµένου να είναι διαθέσιµα και α πραγµατικά µετεωρολογικά δεδοµένα που επικρατούσαν κατά τη διάρκεια των µετρήσεων (ατµοσφαιρική πίεση, θερµοκρασία και σχετική υγρασία). Η ραδιο- 67

84 βόλιση εκτοξεύτηκε από την Εθνική Μετεωρολογική Υπηρεσία (ΕΜΥ), 15 km µακριά από την τοποθεσία διεξαγωγής των µετρήσεων DIAL, στο αεροδρόµιο «Μακεδονία». Πριν την εκτόξευση της η ΕCC-οζοντοβολίδα βαθµονοµήθηκε και ε- λέγχθηκε σύµφωνα µε τη µέθοδο που έχει περιγραφεί από τον Komhyr [136]. Τα αποτελέσµατά της, σύµφωνα µε το εγχειρίδιο SPARC Review [138], κανονικοποιήθηκαν σε όλο το εύρος της χρησιµοποιώντας την τιµή του ολικού όζοντος, όπως αυτή µετρήθηκε από το φασµατοφωτόµετρο Brewer του ΕΦΑ. Το εν λόγω όργανο βρίσκεται στην ίδια τοποθεσία µε το σύστηµα lidar. Η διόρθωση αυτή γίνεται σε όλες τις περιπτώσεις των οζοντοβολίσεων. O διορθωτικός όρος προκύπτει από το λόγο της τιµής του ολικού όζοντος του φασµατοφωτο- µέτρου προς το ολικό όζον της οζοντοβόλισης. Το τελευταίο υπολογίζεται α- θροίζοντας δύο τιµές: µέχρι το µέγιστο ύψος που έφθασε η οζοντοβόλιση από τα αποτελέσµατά της, ενώ πάνω από αυτό προσαρµόζοντας [126] στην τελευταία υψοµετρικά τιµή όζοντος µία υποθετική µέση-καθ ύψος κατανοµή σύµφωνα µε το εγχειρίδιο U.S. Standard Atmosphere [101]. Για τη συγκεκριµένη περίπτωση ο διορθωτικός όρος υπολογίστηκε ίσος µε Η τιµή του διορθωτικού όρου αποτελεί δείγµα της αξιοπιστίας των µετρήσεων, µε αποδεκτές τις τιµές που κυµαίνονται από 0.9 έως 1.15 [9], [139]. Αν αυτός ο διορθωτικός ό- ρος προκύπτει να διαφέρει πολύ από τη µονάδα (για παράδειγµα περισσότερο από ±5%) ενδεχόµενα η διόρθωση να διαταράξει υπερβολικά την κατακόρυφη κατανοµή της όζοντος της οζοντοβόλισης στην περιοχή της τροπόσφαιρα, γεγονός που απαιτεί µετά τη διόρθωση να εφαρµοστεί και περαιτέρω προσαρµογή της κατανοµής [138]. Επίσης, η οζοντοβόλιση διορθώθηκε και ως προς το χρόνο απόκρισή της. Στην ΕCC-οζοντοβόλιση τα πειραµατικά δεδοµένα διαβιβάζονται στο δέκτη κάθε δευτερόλεπτα [137]. Το γεγονός αυτό αν συνδυαστεί µε µία µέση ταχύτητα ανόδου της τάξης των 5 m/sec, συνεπάγεται µία υψοµετρική «µετατόπιση» κατά 125 m. Σύµφωνα µε τη µεθοδολογία των Beekmamm et al. [126], θεωρώντας µία αυξητική τάση του όζοντος της τάξης των 0.08 x mol cm -3 km -1 και µία µέση συγκέντρωση της τάξης των 0.8 x mol cm -3 km -3 (παρόµοιες συνθήκες µε αυτές της περιοχής 3-6 km από την επιφάνεια της θάλασσας), τότε η «µετατόπιση» των 125 m αντιστοιχεί σε µία υποεκτίµηση του όζοντος της τάξης του 1%. Αντίθετα, στην περίπτωση που υποτεθεί µειωτι- 68

85 Μετρήσεις Όζοντος µε το σύστηµα DIAL του ΕΦΑ κή τάση του όζοντος της τάξης των 0.03 x mol cm -3 km -1 και µία µέση συγκέντρωση της τάξης των 0.9 x mol cm -3 km -3 (παρόµοιες συνθήκες µε αυτές της περιοχής 6-9 km a.s.l.), τότε οδηγούµαστε σε υπερεκτίµηση του όζοντος της τάξης του 0.4 %. Επιπρόσθετα, όποτε χρησιµοποιούνται οζοντοβολίδες πρέπει να λαµβάνονται υπόψη και τα συστηµατικά σφάλµατά τους. Το σφάλµα που µπορεί να οφείλεται είτε στη διαδικασία της προετοιµασία της οζοντοβόλισης, είτε σε συνθήκες κατά τη διάρκεια της πτήσης έχει υπολογιστεί [126] ότι µέχρι και το ανώτερο όριο της τροπόσφαιρας είναι της τάξης του ±3 %. Πρόσθετο συστηµατικό σφάλµα της τάξης του 6-7 % (στα 400 hpa ) εισάγεται και µέσω της χρήσης λανθασµένης τιµής για το ρεύµα υποβάθρου. Τελικά, η ακρίβεια της ΕCCοζοντοβόλισης υπολογίζεται ότι είναι της τάξης του 10% για όλη την περιοχή της τροπόσφαιρας [127], [140]. Σχήµα 4.1: Κατακόρυφη κατανοµή όζοντος όπως µετρήθηκε από το σύστηµα DIAL του ΕΦΑ (συνεχής γραµµή) και από την ECC-οζοντοβόλιση (διακεκοµµένη γραµµή). Και οι δύο µετρήσεις πραγµατοποιήθηκαν στην περιοχή της Θεσσαλονίκης, στις 29 Νοεµβρίου του 2000, στις 18:00 UΤ. H σύγκριση της κατακόρυφη κατανοµής του όζοντος των δύο οργάνων πραγµατοποιήθηκε το απόγευµα (18:00 UTC) της 29 ης Νοεµβρίου 2000, στη Θεσσαλονίκη. Για τον υπολογισµό της καθ ύψος κατανοµής του όζοντος από τις µετρήσεις DIAL αθροίστηκαν τα δεδοµένα 1 ώρας, ενώ κατά τη διάρκεια των τελευταίων 50 λεπτών περίπου συνέβη και η πτήση της ECCοζοντοβολίδας. Η χωρική διακριτική ικανότητα του lidar ήταν 150 m στο ύψος των 3 km, 300 m στο ύψος των 6 km και 1000 m στο ύψος των 12 km. Μέγιστο 69

86 αποδεκτό ύψος των µετρήσεων κρίθηκαν τα 10 km. Τα αποτελέσµατα των µετρήσεων παρουσιάζονται στο Σχήµα 4.1. Οι δύο κατανοµές είναι σε ppbv ενώ το ύψος σε µέτρα από την επιφάνεια της θάλασσας. Στις µετρήσεις DIAL παρατίθεται και το σφάλµα των µετρήσεων (στατιστικό και συστηµατικό). Για τη µέτρηση της οζοντοβόλισης, όπως προαναφέρθηκε, θεωρείται ότι το σφάλµα είναι της τάξης του 10% σε όλο το εύρος των µετρήσεων στην τροπόσφαιρα. Η σχετική διαφορά (επί τοις εκατό) των δύο κατανοµών παρουσιάζεται στο Σχήµα 4.2. Στο ίδιο σχήµα παρουσιάζεται και η απόλυτη διαφορά των δύο µετρήσεων (σε ppbv). Παράλληλα φαίνονται και το σφάλµα της σχετικής διαφοράς (σε ppbv). Η σύγκριση των δύο κατανοµών είναι ικανοποιητική, δεδοµένου ότι η σχετική διαφορά τους έχει εύρος µικρότερο του ±20% από τα 2 km έως και τα 10 km. H µέση διαφορά τους είναι της τάξης του 1.11 ppbv (1.86%) ενώ η αντίστοιχη τυπική απόκλιση είναι 4.69 ppbv (8.16%). Η µεγαλύτερη α- πόκλιση σηµειώνεται στην περιοχή από τα 5.5 km έως τα 6 km. Σχήµα 4.2: Σχετική, καθ ύψος διαφορά των κατακόρυφων κατανοµών όζοντος, µεταξύ των µετρήσεων DIAL και ECC-οζοντοβόλισης του Σχήµα 4.1 (σε ppbv και %). 70

87 Μετρήσεις Όζοντος µε το σύστηµα DIAL του ΕΦΑ 4.2. Ανίχνευση των µεταβολών που επιφέρει η διαφορετική προέλευση των αερίων µαζών στην κατακόρυφη συγκέντρωση του όζοντος Όπως προαναφέρθηκε, το σύστηµα DIAL του ΕΦΑ σχεδιάστηκε κατά τέτοιο τρόπο ώστε να παρέχει τη δυνατότητα ανίχνευσης της κατακόρυφης δο- µής του τροποσφαιρικού όζοντος της Θεσσαλονίκης από τα 2 km µέχρι τα 10 km περίπου. Οι πρώτες µετρήσεις κατά τη διάρκεια χειµερινής περιόδου, είναι αυτές που πραγµατοποιήθηκαν στις 9 Ιανουαρίου του Οι µετρήσεις ξεκίνησαν µετά τη δύση του ηλίου, και συγκεκριµένα στις 19:54 UT, διήρκεσαν 2 ώρες και ολοκληρώθηκαν στις 21:51 UT. Στο Σχήµα 4.3 που ακολουθεί παρουσιάζεται η κατακόρυφη κατανοµή του τροποσφαιρικού όζοντος, όπως προέκυψε από την άθροιση όλων των βραδινών µετρήσεων της συγκεκριµένης ηµέρας (συνολικά 14 µετρήσεις). Πρόκειται δηλαδή για τη µέση κατακόρυφη κατανο- µή των 2 αυτών ορών, στην οποία και αντιστοιχήθηκε η ώρα των 20:30 UT altitude (m) DIAL Measurements 9 January 2000, 20:30 UT ozone (ppbv) Σχήµα 4.3: Μέση κατακόρυφη δοµή του όζοντος (σε ppbv), όπως µετρήθηκε µε το σύστηµα DIAL του ΕΦΑ, στις 9 Ιανουαρίου 2000 το βράδυ (20:30 UT περίπου). Όπως προέκυψε από τις µετρήσεις DIAL το όζον παρουσίασε σταθερή συγκέντρωση από τα 2 km µέχρι και τα 5.5 km περίπου, µε µέση τιµή 45 ppbv. Από τα 6 km και πάνω παρατηρείται µία διαταραχή της κατακόρυφη δοµής. Στα 7.2 km περίπου παρατηρείται ένα διακριτό λεπτό στρώµα µε αυξηµένες τι- µές όζοντος, ενώ από τα 8 km και πάνω το όζον αυξάνεται ραγδαία. 71

88 Στο Σχήµα 4.4 παρουσιάζονται τα αποτελέσµατα της ραδιοβόλισης που πραγµατοποιήθηκε την ίδια ηµέρα, αλλά πρωινή ώρα (11:00 UΤ). Η διαταραχή στη σχετική υγρασία κάτω από τα 6 km δεν επέφερε επίπτωση στην κατακόρυφη δοµή του όζοντος, γεγονός που είναι θετικό για την αξιοπιστία του συστή- µατος. Ενώ δηλαδή η σχετική υγρασία ακολούθησε µία έντονη διακύµανση, συγκεκριµένα από τιµές της τάξης του 10 % στα 3 km αυξήθηκε µέχρι και στο 65% στα 4.5 km και στο επόµενο 1.5 km µειώθηκε ξανά στο 30 %, το όζον δεν φαίνεται να επηρεάστηκε. Βέβαια από τα 7 km και ψηλότερα, περιοχή στην ο- ποία παρουσιάστηκε αυξητική τάση του όζοντος και διακεκριµένη στρωµάτωση, η σχετική υγρασία παρέµεινε σε χαµηλά επίπεδα, µε τιµές σταθερά µικρότερες από 20% January 2000 altitude (m) altitude (m) temperature (C) (a) rel. humidity (%) Σχήµα 4.4: Κατακόρυφη δοµή a) της θερµοκρασία (º C) και b) της σχετικής υγρασίας (%), όπως µετρήθηκαν µε ραδιοβόλιση που πραγµατοποιήθηκε στη Θεσσαλονίκη από την ΕΜΥ (9 Ιανουαρίου 2000) στις 11:00 UT. (b) Μελετώντας τις οπισθοτροχιές 3 διαστάσεων που παρουσιάζονται στο Σχήµα 4.5 προκύπτει ότι οι αέριες µάζες που έφθασαν στη Θεσσαλονίκη την εν λόγω ηµέρα σε υψόµετρο 7 km (και πιθανόν και υψηλότερα) είχαν ακολουθήσει διαφορετική πορεία, χωρικά αλλά και υψοµετρικά, από τις υπόλοιπες µάζες που έφθασαν στην κατώτερη και µέση τροπόσφαιρα. Προκύπτει δηλαδή ένας διαχωρισµός των αερίων µαζών σε δύο περιοχές, ανάλογα µε την προέλευσή τους, ο οποίος έχει επιφέρει αντίστοιχη διαφοροποίηση στο όζον. Ενώ δηλαδή οι αέριες µάζες που έφθασαν µέχρι και τα 5-6 km προήλθαν από βόρεια βορειοανατολική κατεύθυνση, στα 7 km έφθασαν αέριες µάζες µε σαφή δυτική προέλευση, οι οποίες ξεκίνησαν από τη στρατόσφαιρα της Πορτογαλίας και αφού διέσχισαν την υπόλοιπη νότια Ευρώπη (Ισπανία και Ιταλία) έφθασαν στην 72

89 Μετρήσεις Όζοντος µε το σύστηµα DIAL του ΕΦΑ ανώτερη τροπόσφαιρα της Θεσσαλονίκης, επιφέροντας αύξηση κατά 8 ppbv στο τρoποσφαιρικό όζον (στο ύψος των 7 km). Η τελευταία αποτυπώθηκε µε επιτυχία από τις µετρήσεις του συστήµατος DIAL του ΕΦΑ. Σχήµα 4.5: Τρισδιάστατες οπισθοτροχιές 4 ηµερών που καταλήγουν στις 9 Ιανουαρίου 2000, στις 21:00 UTC, σε διάφορα ύψη πάνω από τη Θεσσαλονίκη, από τις οποίες προκύπτει η διαφορετική πορεία των αερίων µαζών που έφθασαν στο ύψος των 7 km (κίτρινη γραµµή). Συνεπώς, το εν λόγω σύστηµα λέιζερ µπορεί µε επιτυχία να ανιχνεύσει τις διακυµάνσεις στη συγκέντρωση του όζοντος που ενδέχεται να προκαλέσει η διαφορετική προέλευση των αερίων µαζών που συνθέτουν την τροπόσφαιρα. Στο εν λόγω παράδειγµα, ανιχνεύτηκε αύξηση το όζοντος της τάξης των 20%, η οποία, όπως επαληθεύτηκε και µέσω των µετεωρολογικών δεδοµένων αλλά και των οπισθοτροχιών εντοπίστηκε µε ικανοποιητική χωρική ακρίβεια (της τάξης των 500 m) Μετρήσεις DIAL κατά την διέλευση ενός βαροµετρικού χαµηλού επαλήθευση προγνωστικού µοντέλου ECMWF Σε δύο συνεχόµενες ηµέρες και συγκεκριµένα στις 15 και 16 Μαρτίου 2001, πραγµατοποιήθηκαν απογευµατινές µετρήσεις όζοντος στη Θεσσαλονίκη. Πραγµατοποιώντας µετρήσεις την ίδια περίπου ώρα και για δύο συνεχόµενες 73

90 ηµέρες, δόθηκε η δυνατότητα µελέτης της κατακόρυφης δοµής του όζοντος κατά τη διάρκεια διέλευσης ενός βαροµετρικού χαµηλού πάνω από τον Ελλαδικό χώρο. Στο Σχήµα 4.6 που ακολουθεί παραθέτονται οι µετεωρολογικοί χάρτες της επιφάνειας των 500 hpa για τις ηµέρες των µετρήσεων, καθώς και για τις δύο προηγούµενες. Στις 12 Μαρτίου εντοπίζεται ένα βαροµετρικό χαµηλό ανατολικά του Ηνωµένου Βασιλείου, το οποίο κινήθηκε νοτιοανατολικά διασχίζοντας την κεντρική Ευρώπη. Ο άξονάς του πέρασε πάνω από τον Ελλαδικό χώρο στις 14 και 15 Μαρτίου και στη συνέχεια (16 Μαρτίου) συνέχισε την πορεία του νοτιοανατολικά. (a) (b) (c) Σχήµα 4.6: Μετεωρολογικοί χάρτες ση στάθµη των 500 hpa, τις 13 (a), 14 (b), 15 (c) και 16 (d) Μαρτίου 2001 (Πηγή: NOAA Air Resources Laboratory). (d) 74

91 Μετρήσεις Όζοντος µε το σύστηµα DIAL του ΕΦΑ Οι µετρήσεις που πραγµατοποιήθηκαν µε το σύστηµα DIAL διήρκεσαν στις 15 Μαρτίου 2001 µία ώρα περίπου (17:33-18:20 UT, 8 µετρήσεις) και στις 16 Μαρτίου ώρες περίπου (17:19-19:11 UT, 16 µετρήσεις). Τα αποτελέσµατα των µετρήσεων παρουσιάζονται στο Σχήµα 4.7. Στις 15 Μαρτίου, η- µέρα κατά την οποία ο Ελλαδικός χώρος βρισκόταν υπό την επιρροή του βαρο- µετρικού χαµηλού, παρατηρούνται υψηλότερες συγκεντρώσεις όζοντος στη µέση τροπόσφαιρα µε µέση τιµή της τάξης των 65 ppbv. Στη κατώτερη τροπόσφαιρα εµφανίζονται αρκετά αυξηµένες συγκεντρώσεις, οι οποίες έφθασαν και τα 80 ppbv στο ύψος των 2 km. Στη µέση και ανώτερη τροπόσφαιρα (µέxρι τα 7 km) παρατηρείται µία οµοιόµορφη κατανοµή, µε συγκέντρωση, η οποία διακόπτεται από ένα στρώµα όζοντος (µε ελαφρώς αυξηµένη συγκέντρωση (αύξηση 7-10 % περίπου) στα 8 km περίπου. Το στρώµα αυτό διαχωρίζεται από την υπόλοιπη τροπόσφαιρα µε περιοχές χαµηλών συγκεντρώσεων, όπως αυτή στα 9 km. Εν συνεχεία η συγκέντρωση αυξάνεται κατακόρυφα φθάνοντας τα 100 ppbv στα 10 km altitude (m) altitude (m) March March 2001 DIAL Meas., 18:30 UT DIAL Meas., 19:00 UT 1000 Rel. Hum., 11:00 UT 1000 Rel. Hum., 11:00 UT rel. humidity (%) - ozone (ppbv) rel. humidity (%) - ozone (ppbv) (a) Σχήµα 4.7: Κατακόρυφη κατανοµή όζοντος (ppbv) όπως µετρήθηκε µε το σύστηµα DIAL του ΕΦΑ στις 15 (a) και 16 (b) Μαρτίου 2001 (συνεχής γραµµή). Με διακεκοµµένη γραµµή παρουσιάζεται η κατακόρυφη κατανοµή της σχετικής υγρασίας (%), όπως µετρήθηκε µε ραδιοβολίσεις της ΕΜΥ. (b) Την επόµενη ηµέρα (16 Μαρτίου), ηµέρα κατά την οποία το βαροµετρικό χαµηλό δεν βρισκόταν πλέον πάνω από τον Ελλαδικό χώρο, παρατηρούνται γενικά χαµηλότερες συγκεντρώσεις όζοντος στη µέση τροπόσφαιρα. Η µέση τιµή ήταν 55 ppbv, δηλαδή 10 ppbv χαµηλότερα από την προηγούµενη ηµέ- 75

92 ρα. Η συγκέντρωση αυξήθηκε στην ανώτερη τροπόσφαιρα µε τιµές της τάξης των 80 ppbv µέχρι και τα 10 km. Τα παραπάνω είναι σε συµφωνία µε τα δεδοµένα του European Center of Medium Range Weather Forecast (ECMWF) που παρουσιάζονται στο Σχήµα 4.8. Σε αυτό παραθέτεται η κατακόρυφη κατανοµή του όζοντος µε κατεύθυνση βορρά νότου, δηλαδή παράλληλη µε αυτή του άξονα του βαροµετρικού χα- µηλού για τις δύο ηµέρες. Στην κατώτερη τροπόσφαιρα και µέχρι τα 3 km (700 hpa) περιγράφονται συγκεντρώσεις της τάξης των ppbv, οι οποίες είναι σε συµφωνία µε τις µετρήσεις DIAL. Στα 9 km περίπου (300 hpa), περιοχή ό- που µετρήθηκαν χαµηλές συγκεντρώσεις όζοντος παρατηρείται και εδώ περιορισµένη µείωση, ενώ στη συνέχεια παρουσιάζεται απότοµη αύξηση του όζοντος, όπως ακριβώς παρατηρήθηκε και στα δεδοµένα του DIAL. Στις 16 Μαρτίου, οι συγκεντρώσεις αυξάνονται σταδιακά όσο µεγαλώνει το υψόµετρο, αγγίζοντας συγκεντρώσεις της τάξης των 80 ppbv στα 8 km. Μέσω των δεδοµένων του ECMWF επαληθεύονται η δοµή, αλλά και το µέγεθος της κατακόρυφης συγκέντρωσης του όζοντος, όπως µετρήθηκε µε το σύστηµα DIAL. (a) (b) Σχήµα 4.8: Κατακόρυφη κατανοµή του όζοντος (ppbv) στις 15 (a) και 16 (b) Μαρτίου 2001, στις 18:00 UT, κατά µήκος της κατεύθυνση βορράς νότος και για γεωγραφικά πλάτη από 30º έως 50 º Ν (πηγή ΕCMWF) Συσχέτιση των µετρήσεων DIAL µε τις επιφανειακές µετρήσεις όζοντος Όπως προαναφέρθηκε, το σύστηµα DIAL του ΕΦΑ έχει τη δυνατότητα να παρέχει µετρήσεις όζοντος στην κατώτερη τροπόσφαιρα µε κατώτατο όριο 76

93 Μετρήσεις Όζοντος µε το σύστηµα DIAL του ΕΦΑ το ύψος των km περίπου, ανάλογα µε τις συνθήκες που επικρατούν κατά τη διάρκεια των µετρήσεων και τις συνθήκες ευθυγράµµισης. Στη συνέχεια γίνεται µία προσπάθεια σύγκρισης της συγκέντρωσης του όζοντος που προκύπτει για το χαµηλότερο ύψος των µετρήσεων DIAL µε αυτή των επιφανειακών µετρήσεων όζοντος, προκειµένου να διαπιστωθεί σε ποιο βαθµό αποτυπώνονται οι διαβαθµίσεις των τελευταίων στις µετρήσεις DIAL. Στο Σχήµα 4.9 παρουσιάζονται οι µετρήσεις όζοντος για το Νοέµβριο του Οι συνεχής γραµµές περιγράφουν την πορεία των µέσων ηµερήσιων τιµών όζοντος των µετρήσεων που πραγµατοποιήθηκαν στους σταθµούς καταγραφής της Ατµοσφαιρικής Ρύπανσης του ήµου Θεσσαλονίκης. Συγκεκριµένα 100 Lagadas Station surface ozone (ppbv) Eptapirgio Station DIAL Measurements November 2000 / day Σχήµα 4.9: Μέσες ηµερήσιες τιµές του επιφανειακού όζοντος το Νοέµβριο του 2000, όπως µετρήθηκαν σε δύο σταθµούς του ήµου Θεσσαλονίκης (Σταθµός Λαγκαδά και Σταθµός Επταπυργίου). Στο ίδιο σχήµα επισηµαίνονται (ρόµβοι) και τα αποτελέσµατα των µετρήσεων DIAL για τις 11, 12 και 29 Νοέµβρη. χρησιµοποιήθηκαν οι µετρήσεις των σταθµών Λαγκαδά και Επταπυργίου. Ο τελευταίος αποτελεί και το σταθµό εκείνο που απέχει λιγότερο από τη θέση του ΕΦΑ. Ο σταθµός του Λαγκαδά επιλέχτηκε προκειµένου να εξακριβωθεί αν οι διαβαθµίσεις που παρατηρήθηκαν στο σταθµό του Επταπυργίου ήταν γενικές και αποτυπώθηκαν και σε άλλους σταθµούς της πόλης. Τον εν λόγω µήνα πραγµατοποιήθηκαν µετρήσεις DIAL στις 11, 12 και 29 Νοεµβρίου. Τα αποτελέσµατα των µετρήσεων αυτών αποτυπώνονται ως σηµεία (ρόµβοι) στο Σχήµα 4.9. Για τον καθορισµό τους υπολογίστηκε η µέση τιµή της κατακόρυφης συγκέντρωσης το όζοντος για τα πρώτα 100 m της µέτρησης. Οι µετρήσεις DIAL ακολουθούν ικανοποιητικά τις µεταβολές της χρονοσειράς των ηµερήσιων τι- µών του επιφανειακού όζοντος. Η µέση µηνιαία τιµή όζοντος από τα δεδοµένα του σταθµού Επταπυργίου είναι 40 ppbv, ενώ από τις µετρήσεις DIAL

94 ppbv. Παρατηρούµε ότι από τις 10 Νοεµβρίου άρχισε να σηµειώνεται µία σταδιακή αύξηση των τιµών του όζοντος η οποία κορυφώθηκε στις 12 του µήνα. Η αύξηση αυτή αποτυπώνεται µε επιτυχία και στις µετρήσεις DIAL, οι οποίες κατέγραψαν τιµές 35.7 ppbv 53 ppbv για τις δύο ηµέρες. Ο σταθµός του Επταπυργίου έδειξε τιµές 38 ppbv και 50 ppbv αντίστοιχα, δηλαδή η απόκλιση των δύο µετρήσεων ήταν της τάξης του ± 6 %. Ως δεύτερο παράδειγµα παρουσιάζεται ο Μάιος του 2000, δηλαδή ένα µήνας της «θερµής περιόδου», σε αντίθεση µε το προαναφερθέν παράδειγµα του Νοεµβρίου του ίδιου έτους. Οι µέσες ηµερήσιες τιµές του επιφανειακού ό- ζοντος παρουσιάζονται στο Σχήµα 4.10 (συνεχής γραµµές). Μετρήσεις DIAL πραγµατοποιήθηκαν για έξι ηµέρες, στις 4, 11, 16, 23, 25 και 29 Μαίου (στο σχήµα αποτυπώνονται σηµειακά ως «ρόµβοι»), ενώ στις 16 Μαίου πραγµατοποιήθηκε και οζοντοβόλιση (αποτυπώνεται ως «τρίγωνο»). Μέση µηνιαία τιµή επιφανειακού όζοντος είναι τα 45.7 ppbv (Επταπύργιο), ενώ τα δεδοµένα των µετρήσεων DIAL δίνουν ως µέση τιµή τα 50.1 ppbv, παρουσιάζεται δηλαδή απόκλιση της τάξης των 9% περίπου. Από την πορεία των ηµερήσιων τιµών του 100 Lagadas Station surface ozone (ppbv) Eptapirgio Station DIAL Measurements ozonesonde May 2000 / day Σχήµα 4.10: Μέσες ηµερήσιες τιµές του επιφανειακού όζοντος το Μάιο του 2000, όπως µετρήθηκαν σε δύο σταθµούς του ήµου Θεσσαλονίκης (Σταθµός Λαγκαδά και Σταθµός Επταπυργίου). Στο ίδιο σχήµα επιση- µαίνονται (ρόµβοι) τα αποτελέσµατα των µετρήσεων DIAL για τις 4, 11, 16, 23, 25 και 29 Μαίου. Στις 16 Μαίου παρουσιάζεται και η µέτρηση της οζοντοβόλισης (µαύρο τρίγωνο). επιφανειακού όζοντος στην περιοχή του Επταπυργίου παρουσιάζεται µία πτώση των τιµών στο µέσο του µήνα (15-20 Μαίου) µε συγκεντρώσεις µεταξύ ppbv. Πριν το τέλος του µήνα (25-30 Μαίου) ακολούθησε µία ραγδαία αύξηση των τιµών κατά την οποία οι συγκεντρώσεις κυµάνθηκαν µεταξύ ppbv. 78

95 Μετρήσεις Όζοντος µε το σύστηµα DIAL του ΕΦΑ Οι µετρήσεις DIAL έδειξαν και αυτές µία πτώση των τιµών (από τις 4 στις 11 Μαίου), χωρίς όµως αυτή να συνεχιστεί στις 16 του µήνα. Την ηµέρα αυτή ο σταθµός του Επταπυργίου έδειξε ως µέση ηµερήσια τιµή τα 32 ppbv, ενώ η µέτρηση DIAL 60 ppbv. Την ίδια ηµέρα εκτοξεύτηκε και οζοντοβόλιση στην περιοχή του αεροδροµίου «Μακεδονία». Η τελευταία βρίσκεται σε σχετική συµφωνία µε τις µετρήσεις DIAL, δίνοντας την τιµή των 52 ppbv και δεν επαληθεύει τη δραστικά µειωµένη τιµή του Επταπυργίου. Σηµειώνεται ότι και στο σταθµό του Λαγκαδά η µέση ηµερήσια τιµή επιφανειακού όζοντος ήταν 51 ppbv, τιµή σύµφωνη µε την οζοντοβόλιση και κοντινή µε την αντίστοιχη µέτρηση DIAL. Αντίθετα, η ραγδαία αύξηση του όζοντος στο Επταπύργιο µεταξύ 23 και 25 Μαίου από 32 ppbv σε 88 ppbv αποτυπώνεται ικανοποιητικά στις µετρήσεις DIAL. Οι τελευταίες έδειξαν τιµές 34.4 ppbv στις 23 Μαίου, ενώ 2 ηµέρες µετά, στις 25 Μαίου, 73.4 ppbv. Μέχρι το τέλος του µήνα διατηρήθηκαν οι υψηλές τιµές όζοντος και στις δύο περιπτώσεις µετρήσεων µε το Επταπύργιο να δίνει µέση ηµερήσια τιµή 88 ppbv (29 Μαίου) και τις µετρήσεις DIAL 72 ppbv αντίστοιχα May 2000 DIAL Meas. Ozonesonde altitude (m) ozone (ppbv) Σχήµα 4.11: Κατακόρυφη κατανοµή του όζοντος όπως µετρήθηκε µε οζοντοβόλιση και µε το σύστηµα DIAL στις 16 Μαίου Στο Σχήµα 4.11 παρουσιάζεται στο κατώτερο τµήµα της η µέτρηση DIAL στις 16 Μαΐου 2000 και αποτυπώνεται η συµφωνία της µε την οζοντοβόλιση. 79

96 Για το σύνολο των κοινών ηµερών του Μαΐου 2000 και εξαιρώντας τη 16 η Μαίου, για την οποία δεν επιβεβαιώνονται τα δεδοµένα του σταθµού του Επταπυργίου από καµία άλλη µέτρηση, η µέση απόκλιση από τα δεδοµένα του σταθµού του Επταπυργίου είναι µικρότερη του 20 % Μετρήσεις κατά τη διάρκειa ηλιακής έκλειψης Εισαγωγή To φαινόµενο της ηλιακής έκλειψης, όντας µία φωτολυτική διαταραχή του ατµοσφαιρικού περιβάλλοντος, αποτελεί εξαιρετική ευκαιρία µελέτης των επιφερόµενων µεταβολών σε παραµέτρους όπως η ηλιακή ακτινοβολία, το ό- ζον, µετεωρολογικών συνθηκών κα., καθώς και της ικανότητας των σχετικών ατµοσφαιρικών µοντέλων να απεικονίζουν σωστά τέτοιου είδους διαταραχές. Στη σύγχρονη βιβλιογραφία παρουσιάζονται διάφορες µελέτες της µεταβολής του ολικού όζοντος, σε διαφορετικές περιοχές και κατά τη διάρκεια διαφορετικών εκλείψεων, π.χ. στη Σόφια της Βουλγαρίας κατά η διάρκεια της έκλειψης στις 20 Μαΐου του 1966 [141], στην Ινδία στις 24 Οκτωβρίου του 1977 [101], στη Θεσσαλονίκη στις 11 Αυγούστου του 1999 [143]. Πρέπει να σηµειωθεί ότι στις περισσότερες περιπτώσεις οι περιγραφόµενες µεταβολές στη συγκέντρωση του ολικού όζοντος δεν δύναται να εξηγηθούν µέσω των ήδη γνωστών φωτοχηµικών και δυναµικών διεργασιών. Σε µελέτες όπως οι [144], [145], και [146] ερευνάται η επίπτωση των ηλιακών εκλείψεων στην υπεριώδη ηλιακή ακτινοβολία, ενώ σε περιπτώσεις όπως η [147] αποτυπώνονται οι µεταβολές στη θερµοκρασία και τον άνεµο στο έδαφος. Λιγότερα είναι τα περιστατικά εκείνα στα οποία έχουν καταγραφεί οι µεταβολές στη συγκέντρωση του επιφανειακού όζοντος και άλλων χηµικών ενώσεων [148], [149]. Η ηλιακή έκλειψη κατά τη διάρκεια της οποίας πραγµατοποιήθηκαν και µετρήσεις του κατακόρυφου προφίλ του όζοντος στο πλαίσιο της παρούσας διατριβής, σηµειώθηκε στις 11 Αυγούστου 1999 [143], [146], [149]. Η σκιά της σελήνης κινήθηκε στην Ευρώπη από βορειοδυτικά προς νοτιοανατολικά (Σχήµα 4.12). Στη Θεσσαλονίκη (40.5 Ν, 22.9 Ε) η έκλειψη ξεκίνησε στις 09:37 UT και τελείωσε στις 12:29 UT. O ηλιακός δίσκος καλύφθηκε µέχρι και το ποσοστό 88% (στις 11:05 UT). 80

97 Μετρήσεις Όζοντος µε το σύστηµα DIAL του ΕΦΑ Σχήµα 4.12 : ιαδροµή της ολικής ηλιακής έκλειψης που πραγµατοποιήθηκε στις 11 Αυγούστου Τα αναγραφόµενα ποσοστά δηλώνουν την κάλυψη του ηλιακού δίσκου (NASA/GSFC) Πειραµατικά δεδοµένα Κατά τη διάρκεια της εν λόγω έκλειψης πραγµατοποιήθηκαν στη Θεσσαλονίκη συντονισµένες µετρήσεις της υπεριώδους ηλιακής ακτινοβολίας, του ολικού όζοντος, του επιφανειακού όζοντος, των µετεωρολογικών παραµέτρων, καθώς και µετρήσεις όζοντος και αιωρούµενων σωµατιδίων µε το σύστηµα lidar. Στο Σχήµα 4.13 παρουσιάζεται η πορεία της ολικής, της υπεριώδους και της ερυθηµατογόνου δόσης ακτινοβολίας (erythemal irradiance) κατά τη διάρκεια της έκλειψης στη Θεσσαλονίκη. Είναι φανερή η επιφερόµενη µείωση της τάξης του 90% στην ένταση της πυκνότητας ροής της ηλιακής ακτινοβολίας κατά τη διάρκεια του φαινοµένου, µε χαµηλότερο σηµείο τη στιγµή της µέγιστης κάλυψης του ηλιακού δίσκου. 81

98 Σχήµα 4.13 : Κανονικοποιηµένες τιµές της ολικής, υπεριώδους και ερυθηµατογόνου δόσης ακτινοβολίας, στη Θεσσαλονίκη και κατά τη διάρκεια της ηλιακής έκλειψης στις 11 Αυγούστου Παράλληλα, και για να µελετηθούν οι επιπτώσεις της έκλειψης στη φωτοχηµική δραστηριότητα της Θεσσαλονίκης έγιναν µετρήσεις του όζοντος αλλά και άλλων ρύπων (ΝΟ x, CO, SO 2 ) στην επιφάνεια του εδάφους. Οι µετρήσεις πραγµατοποιήθηκαν από το ήµο Θεσσαλονίκης στο σταθµό του Επταπυργίου (υψόµετρο 199m). Στο Σχήµα 4.14 παρουσιάζονται οι δεκαπεντάλεπτες µέσες τιµές του όζοντος στις 11 Αυγούστου Επίσης απεικονίζεται και η µέση ηµερήσια πορεία του για το µήνα Αύγουστο του εν λόγω έτους. Όπως φαίνεται στο σχήµα, κατά η διάρκεια µιας τυπικής ηµέρας, το όζον αυξάνει από νωρίς το πρωί και σταδιακά αποκτά τη µέγιστη τιµή του το µεσηµέρι. Η πορεία αυτή διαφοροποιήθηκε την ηµέρα της έκλειψης και κατά τη διάρκεια της εξέλιξης του φαινοµένου. Παρουσιάστηκε, µε χρονική καθυστέρηση περίπου λεπτών από την έναρξη του φαινοµένου, µείωση στις τιµές του επιφανειακού όζοντος κατά ppbv. Οι µειωµένες τιµές όζοντος συνεχίστηκαν µέχρι και τη λήξη του φαινοµένου. 82

99 Μετρήσεις Όζοντος µε το σύστηµα DIAL του ΕΦΑ Σχήµα 4.14 : εκαπεντάλεπτες µέσες τιµές όζοντος στο σταθµούς του Επταπυργίου και του Λαγκαδά του ήµου Θεσσαλονίκης την ηµέρα της έκλειψης (11 Αυγούστου 1999). Η µέση ηµερήσια πορεία του όζοντος στο ίδιο σταθµό για το µήνα Αύγουστο του 1999 παρουσιάζεται µε τα λευκά τετράγωνα. Με τη διακεκοµµένη γραµµή παρουσιάζεται η αποµένουσα επιφάνεια του ηλιακού δίσκου. H µείωση των τιµών του όζοντος πιστοποιήθηκε και από µετρήσεις τις κατακόρυφης κατανοµής του όζοντος µε το σύστηµα DIAL (Σχήµα 4.15). Επαληθεύεται η παρατηρούµενη µείωση στις τιµές όζοντος κατά τη διάρκεια της εξέλιξης της έκλειψης στη Θεσσαλονίκη. Επίσης, παρατηρείται και στις µετρήσεις DIAL η χρονική υστέρηση µέτρησης µειωµένων τιµών όζοντος σε σχέση µε την εξέλιξη του φαινοµένου της έκλειψης. Στις 12:00 UT παρατηρήθηκαν οι Σχήµα 4.15 : Κατακόρυφη κατανοµή όζοντος σε διαφορετικές χρονικές στιγµές. Οι µετρήσεις πραγµατοποιήθηκαν µε το σύστηµα DIAL στη Θεσσαλονίκη, στις 11 Αυγούστου

100 χαµηλότερες τιµές (συνεχής γραµµή), και όχι στις 11:10 UT (χρονική στιγµή πλησιέστερα στο µέγιστο της έκλειψης). Μειωµένες τιµές όζοντος παρατηρήθηκαν κατά τη διάρκεια της εν λόγω έκλειψης και στην Πολωνία Το φαινόµενο αυτό της µείωσης των επιφανειακών τιµών όζοντος αποτέλεσε ευκαιρία για την έρευνα της ικανότητας που έχουν τα φωτοχηµικά µοντέλα να απεικονίσουν την πραγµατική κατάσταση [146], [149]. Ένα παράδειγµα παρατίθεται το Σχήµα Σχήµα 4.16 : Αποτελέσµατα Μοντέλων : Μοντέλο Α (έντονη συνεχής γραµµή) και Μοντέλο Β (έντονη διακεκοµµένη γραµµή). Παρουσιάζονται ακόµη για διευκόλυνση οι δεκαπεντάλεπτες µέσες τιµές όζοντος στο σταθµό του Επταπυργίου την ηµέρα της έκλειψης και η αποµένουσα επιφάνεια του ηλιακού δίσκου (διακεκοµµένη γραµµή). Πηγή : [146] Στο Μοντέλο Α χρησιµοποιήθηκε ως τιµή εισόδου η τιµή του ΝΟ x που µετρήθηκε στο σταθµό του Επταπυργίου (28ppbv). Τα αποτελέσµατα του µοντέλου, αν και χρονικά ακολουθούν την πραγµατική αυξοµείωση της συγκέντρωσης του όζοντος, υπερεκτιµούν τη µείωση του (τριπλάσια µείωση). Στο Μοντέλο Β χρησιµοποιήθηκε ως τιµή εισόδου του ΝΟ x αυτή των 3ppbv. Τα αποτελέσµατα δείχνουν επίσης µια υπερεκτίµηση της µείωσης (διπλάσια µείωση). Για να κατανοηθούν οι αιτίες αυτής της µη ικανοποιητικής προσοµοίωσης των συνθηκών της έκλειψης από τα µοντέλα απαιτείται να λάβει υπόψη διάφορες παραµέτρους. Εν µέρει, αυτή η αδυναµία θα µπορούσε να αποδοθεί στην ανακρίβεια των µετρήσεων του ΝΟ x. εύτερος παράγοντας µπορεί να θεωρηθεί η διαδικασία της οριζόντιας µεταφοράς αερίων µαζών, την οποία δεν συµπεριλαµβάνουν τα µοντέλα που 84

101 Μετρήσεις Όζοντος µε το σύστηµα DIAL του ΕΦΑ χρησιµοποιήθηκαν. Οι καιρικές συνθήκες την ηµέρα της έκλειψης στη Θεσσαλονίκη ήταν καλές. Οι θερµοκρασία ήταν αρκετά υψηλή µε τιµές που έφθασαν µέχρι και τους 41 C. Οι άνεµοι ήταν ασθενείς και έπνεαν από δυτικές και νοτιοδυτικές κατευθύνσεις µεταφέροντας έτσι πάνω από την πόλη «καθαρότερες» αέριες µάζες από τον Θερµαϊκό Κόλπο. Στο Σχήµα 4.17 περιγράφεται η κατακόρυφη δοµή µετεωρολογικών παραµέτρων, όπως προέκυψε από ραδιοβολίσεις. Η ένταση του ανέµου εντός του οριακού στρώµατος ήταν περίπου 3-5 m/s, µεταφέροντας µέσα σε 1 ώρα αέριες µάζες πάνω από το Θερµαϊκό Κόλπο από απόσταση km εντός του. Επίσης, από το Σχήµα 4.17 προκύπτει ότι το ύψος ανάµιξης του οριακού στρώµατος ήταν περίπου m στις 12 UT. Σχήµα 4.17 : Κατακόρυφη αποτύπωση της υναµικής Θερµοκρασίας, της υγρασίας, της ταχύτητας και της διεύθυνσης του ανέµου, όπως καταγράφηκαν µέσω ραδιοβολίσεων που πραγµατοποιήθηκε στην περιοχή του αεροδροµίου της Θεσσαλονίκης. Η συνεχής γραµµή αφορά τη ραδιοβόλιση στις 06:00 UT και η διακεκοµµένη στις 12:00 UT. Τρίτος παράγοντας ο οποίος θα µπορούσε να έχει συντελέσει στην ανακριβή απόκριση των µοντέλων είναι η κατακόρυφη ανάµειξη των αερίων µαζών. Για να διερευνηθεί αυτός ο παράγοντας χρησιµοποιήθηκαν µετρήσεις της κατακόρυφης δοµής των αιρούµενων σωµατιδίων και του όζοντος, οι οποίες πραγµατοποιήθηκαν µε το σύστηµα lidar του Εργαστηρίου Φυσικής της Ατµόσφαιρας στο πλαίσιο της παρούσας διατριβής. Όπως είναι γνωστό, η κατακόρυφη δοµή της παραγώγου του διορθωµένου αναφορικά µε την απόσταση σήµατος lidar (range corrected lidar signal), η οποία παρουσιάζεται στο Σχήµα 4.18, µπορεί να χρησιµοποιηθεί για την απεικόνιση των ορίων των περιοχών µε υψηλό φόρτο σε αιωρούµενα σωµατίδια 85

102 (πιο ρυπασµένες περιοχές) και αυτών µε λιγότερο φόρτο (καθαρότερες περιοχές). Θετικές τιµές αντιστοιχούν σε περιοχές στις οποίες το οπισθοσκεδαζόµενο σήµα αυξάνεται µε το ύψος, ενώ αρνητικές τιµές κλίσης σε περιοχές που το ο- πισθοσκεδαζόµενο σήµα µειώνεται µε το ύψος. Όπως φαίνεται και στο Σχήµα 4.18 το πρωί της 11 ης Αυγούστου 1999 υπήρχε ένα στρώµα µε αυξηµένη συγκέντρωση σε αιωρούµενα σωµατίδια σε ύψος από 500 µέχρι 900m υποδηλώνοντας την θέση του στρώµατος εισροής πάνω από το οριακό στρώµα. Το τελευταίο ακολούθησε ανοδική πορεία από τις 09:00 UT έως τις 11:00 UT, ακολουθώντας προφανώς την ανοδική πορεία του θερµαινόµενου αναµεµειγµένου στρώµατος.. Μετά τη σταδιακή κάλυψη του ηλιακού δίσκου, επήλθε µικρή (-4 C) µείωση της θερµοκρασίας στο έδαφος, η οποία προκάλεσε και την κάθοδο του στρώµατος των αιρούµενων σωµατιδίων κατά m µέσα στη µία ώρα. Όπως φαίνεται δηλαδή επικρατούσαν καθοδικές κινήσεις των αερίων µαζών ακριβώς πάνω από το ατµοσφαιρικό οριακό στρώµα της τάξης των 3-4 cm/s. Σχήµα 4.18 : Κατακόρυφη κατανοµή της κλίσης του οπισθοσκεδαζόµενου σήµατος (range corrected) στα 299nm. Επισηµαίνεται ότι στο εν λόγω σχήµα χρησιµοποιείται η τοπική ώρα ( UT +3) Συµπεράσµατα Η χωρική και χρονική διακριτική ικανότητα του συστήµατος DIAL καθορίζεται, εκτός από τα τεχνικά χαρακτηριστικά της διάταξης, και από παράγοντες που σχετίζονται µε την ευθυγράµµιση του συστήµατος, την απόκριση των επιµέρους ηλεκτρονικών οργάνων, αλλά και από τις αριθµητικές παραµέτρους που χρησιµοποιούνται κατά την επεξεργασία των µετρήσεων. Η αξιοπιστία του 86

103 Μετρήσεις Όζοντος µε το σύστηµα DIAL του ΕΦΑ συστήµατος και των πειραµατικών αποτελεσµάτων της διάταξης DIAL του ΕΦΑ ελέγχθηκε µε τη χρήση οζοντοβόλισης τύπου ECC. Η σύγκριση πραγµατοποιήθηκε στη Θεσσαλονίκη στις 29 Νοεµβρίου 2000 και έδειξε ότι οι δύο µέθοδοι είχαν ικανοποιητική συσχέτιση. Η χωρική διακριτική ικανότητα του συστήµατος DIAL ήταν 150 m στο ύψος των 3 km, 300 m στο ύψος των 6 km και 1000 m στο ύψος των 12 km, ενώ το µέγιστο ύψος των µετρήσεων ήταν τα 10 km. Η σύγκριση των δύο κατακόρυφων κατανοµών ήταν ικανοποιητική, δεδο- µένου ότι η σχετική διαφορά τους είχε εύρος µικρότερο του ±20% από τα 2 km έως και τα 10 km. H µέση διαφορά τους ήταν της τάξης του 1.11 ppbv (1.86%), ενώ η αντίστοιχη τυπική απόκλιση ήταν 4.69 ppbv (8.16%). Η ECCοζοντοβόλιση φάνηκε να έχει µεγαλύτερη διακριτική ικανότητα, αφού κατέγραψε και κάποιες λεπτότερες στρωµατώσεις που δεν αποτυπώθηκαν από το σύστηµα DIAL. Το γεγονός αυτό ενδέχεται να σχετίζεται και µε το ότι οι µετρήσεις δεν πραγµατοποιήθηκαν ακριβώς στην ίδια περιοχή, αλλά σε απόσταση 15 km ανατολικότερα. Λαµβάνοντας υπόψη τόσο τα συστηµατικά σφάλµατα των δύο οργάνων, αλλά και το γεγονός ότι η ακρίβεια της ECC - οζοντοβόλισης για την όλη την περιοχή της τροπόσφαιρας θεωρείται ότι είναι της τάξης του 10%, προκύπτει ότι η σύγκριση των δύο µεθόδων ήταν επιτυχής και ότι το σύστηµα DIAL του ΕΦΑ έχει τη δυνατότητα να ανιχνεύσει αξιόπιστα την κατακόρυφη κατανοµή του όζοντος µέχρι και το ύψος των 10 km. Στη συνέχεια παρουσιάστηκαν περιπτώσεις µετρήσεων του συστήµατος DIAL του ΕΦΑ και τα αποτελέσµατα της µελέτης τους σε συνδυασµό µε άλλες µετρήσεις, όπως τα µετεωρολογικά δεδοµένα και οι οπισθοτροχιές αερίων µαζών. Στις µετρήσεις που παρουσιάστηκαν ανιχνεύτηκαν λεπτές στρωµατώσεις όζοντος Επίσης παρακολουθήθηκε, µέσω µετρήσεων που έλαβαν χώρα τα απογεύµατα δύο συνεχόµενων ηµερών, η πορεία της µεταβολής την κατακόρυφης κατανοµής του όζοντος κατά τη διέλευση ενός βαροµετρικού χαµηλού πάνω από τον Ελλαδικό χώρο. Επιπρόσθετα, για την περιοχή της κατώτερης τροπόσφαιρας συγκρίθηκαν τα αποτελέσµατα των µετρήσεων του συστήµατος DIAL (µετρήσεις στο km περίπου) µε τις µετρήσεις όζοντος ενός Σταθµού καταγραφής της Α- τµοσφαιρικής Ρύπανσης του ήµου Θεσσαλονίκης. Οι τελευταίες ήταν µέσες ηµερήσιες τιµές του επιφανειακού όζοντος και έλαβαν χώρα στον πλησιέστερο στο χώρο του Πανεπιστηµίου ηµοτικό Σταθµό, το σταθµό του Επταπυργίου. 87

104 Η σύγκριση έγινε για δύο µήνες, το Νοέµβριο και το Μάιο του Προέκυψε ότι το σύστηµα DIAL αποτυπώνει ικανοποιητικά τις διαβαθµίσεις του όζοντος. Ειδικά στην περίπτωση του Μαίου όπου πριν το τέλος του µήνα και µέσα σε δύο ηµέρες έλαβε χώρα µία ραγδαία αύξηση του όζοντος (αύξηση από ppbv σε ppbv), το σύστηµα DIAL την ανίχνευσε και την αποτύπωσε µε ικανοποιητική ακρίβεια. Και στις δύο περιπτώσεις που εξετάστηκαν οι µετρήσεις παρουσίασαν απόκλιση µικρότερη του 20%, τιµή που θεωρείται ικανοποιητική λαµβάνοντας υπόψη αφενός ότι οι µετρήσεις του ήµου ήταν µέσες ηµερήσιες τιµές ενώ του συστήµατος DIAL της τάξης της µία ώρας, και αφετέρου ότι οι δύο µέθοδοι µετρούν την τιµή του όζοντος σε διαφορετικό υψόµετρο, παράγοντας ιδιαίτερα σηµαντικός εντός του οριακού στρώµατος. Τέλος, παρουσιάστηκε η µελέτη του επεισοδίου της Ηλιακής έκλειψης που έλαβε χώρα στις 11 Αυγούστου του Κατά τη διάρκεια της έκλειψης πραγµατοποιήθηκαν µετρήσεις όζοντος µε τη µέθοδο DIAL, στις οποίες αποτυπώθηκε η µείωση των συγκεντρώσεων κατά τη διάρκεια της έκλειψης, επαληθεύοντας τις δεκαπεντάλεπτες µετρήσεις όζοντος των ηµοτικών σταθµών Ε- πταπυργίου και Λαγκαδά. 88

105 5. Ανίχνευση των Εισροών του Στρατοσφαιρικού Όζοντος στην Τροπόσφαιρα µε το σύστηµα DIAL του ΕΦΑ Σ τα πλαίσια του Ευρωπαϊκού Προγράµµατος STACCATO, πραγµατοποιήθηκαν συντονισµένες µετρήσεις της κατακόρυφης κατανοµής του τροποσφαιρικού όζοντος µε το σύστηµα DIAL του ΕΦΑ στη Θεσσαλονίκη (23 o Α, 40.5 o Β) για δύο έτη (από το Μάρτιο του 2000 έως το Φεβρουάριο του 2002). Οι µετρήσεις αυτές βασίστηκαν σε προγνωστικές οπισθοτροχιές 3-διαστάσεων, και στόχευαν στην ανίχνευση και στην καταγραφή σηµαντικού αριθµού περιπτώσεων µεταφοράς στρατοσφαιρικού αέρα στην τροπόσφαιρα του Ελλαδικού χώρου (STT events). Η ανάλυση των πειραµατικών δεδοµένων, σε συνδυασµό µε τη χρήση τρισδιάστατων οπισθοτροχιών, δορυφορικών δεδο- µένων, κατακόρυφων διατοµών του δυναµικού στροβιλισµού, της σχετικής υ- γρασίας και του επιφανειακού όζοντος, έδωσαν τη δυνατότητα αναλυτικής περιγραφής περιπτώσεων εισροής στρατοσφαιρικού αέρα στην τροπόσφαιρα της Νοτιοανατολικής Μεσογείου. Η µελέτη των αποτελεσµάτων που προκύπτουν από το εν λόγω Ευρωπαϊκό Πρόγραµµα καταδεικνύει την επίδραση της τροπόσφαιρας από τη στρατόσφαιρα σε αρκετές περιπτώσεις, στην πλειοψηφία των 89

106 οποίων οι εν λόγω αέριες µάζες προσέγγισαν τη Θεσσαλονίκη περνώντας πάνω από τη Βόρεια Θάλασσα στο επίπεδο της µέσης τροπόσφαιρας Εισαγωγή Όπως προαναφέρθηκε στο κεφάλαιο 2, ένα από τα σηµαντικότερα προβλήµατα ατµοσφαιρικής ρύπανσης είναι η αύξηση της συγκέντρωσης του τροποσφαιρικού όζοντος στην τροπόσφαιρα. Το συγκεκριµένο θέµα έχει αποτελέσει αντικείµενο αρκετών µελετών [151], [9], [152], δεδοµένου ότι συσχετίζεται µε την ανάπτυξη των ανθρωπογενών εκποµπών πρωτογενών ρύπων, όπως είναι τα οξείδια του αζώτου και οι υδρογονάνθρακες. Επιφανειακές µετρήσεις όζοντος, κυρίως στο Βόρειο Ηµισφαίριο, κατέγραψαν σοβαρά επεισόδια υψηλών συγκεντρώσεων όζόντος, τα οποία είναι δυνατόν να αποδοθούν είτε στη µεταφορά των ρύπων από µη τοπικές πηγές, είτε στη µεταφορά του όζοντος από τη στρατόσφαιρα. Στην τελευταία περίπτωση το όζον εισχωρεί στην τροπόσφαιρα και µέσω της ισεντροπικής µεταφοράς του φθάνει µέχρι τη βάση της, µε πιθανότητα να ανιχνευτεί ακόµη και στην επιφάνεια του εδάφους. Επιδιώκοντας να ποσοτικοποιήσει κανείς τη συνεισφορά των ανθρωπογενών εκποµπών στην αύξηση του τροποσφαιρικού όζοντος οφείλει να ερευνήσει τους µηχανισµούς µεταφοράς του. Μέρος της παρατηρούµενης αύξησης αποδίδεται στην κατακόρυφη µεταφορά του όζοντος από τη στρατόσφαιρα στην τροπόσφαιρα. Αν και µέχρι σήµερα είναι ευρέως παραδεκτό ότι το µεγαλύτερο µέρος της παρατηρούµενης αύξησης οφείλεται στη φωτοχηµική δραστηριότητα [153], [154], παραµένει αδιευκρίνιστο το επιµέρους ποσοστό συνεισφοράς των δύο φαινοµένων (φωτοχηµεία και στρατοσφαιρική συνεισφορά). Υπάρχουν στη βιβλιογραφία αρκετές έρευνες σχετικές µε τον ποσοτικό υπολογισµό της ροής στρατοσφαιρικού αέρα στην τροπόσφαιρα αλλά και στην εποχιακή µεταβολή της συχνότητας εµφάνισης αυτών των φαινοµένων µεταφοράς. [155], [156], [157], [158], [159], οι οποίες παρουσιάζουν αρκετά µεγάλες διαφοροποιήσεις. Στην Ευρώπη έχουν υλοποιηθεί στο παρελθόν διάφορα ερευνητικά προγράµµατα όπως το «Tropospheric Ozone Research» (TOR) της EUROTRAC [6] [161],[163], το «TOASTE B» [164] και το Vertical Ozone Transport in the Alps (VOTALP) [160], τα οποία όµως είχαν ως περιοχή µελέτης τους κυρίως την Κεντρική και υτική Ευρώπη. 90

107 Ανίχνευση των Εισροών του Στρατοσφαιρικού Όζοντος στην Τροπόσφαιρα µε το σύστηµα DIAL Ελάχιστες είναι οι έρευνες που έχουν επικεντρωθεί στη διανταλλαγή αέρα µεταξύ της στρατόσφαιρας και της τροπόσφαιρας στο χώρο της Νοτιοανατολικής Μεσογείου, περιοχή που παρουσιάζει ιδιαίτερα υψηλά επίπεδα υποβάθρου τροποσφαιρικού όζοντος. Το πρόβληµα αφορά και τον Ελλαδικό χώρο αφού και στη χώρα µας παρατηρούνται ανησυχητικά υψηλές συγκεντρώσεις όζοντος [3], [165]. Ρύποι από τη βόρεια Ευρώπη µεταφέρονται στη νότια Ευρώπη και την ανατολική Μεσόγειο, όπου σε συνδυασµό µε την υφιστάµενη έ- ντονη ηλιακή ακτινοβολία, ανεβάζουν σηµαντικά τα επίπεδα του τροποσφαιρικού όζοντος της περιοχής. Πρόσφατα αποτελέσµατα του πειράµατος PAUR II έδειξαν ότι αυτά τα επίπεδα υπερβαίνουν κατά τη διάρκεια όλου του έτους το όριο φυτοτοξικότητας των 32 ppbv που θέτει η Ευρωπαϊκή Ένωση, και κατά τους θερινούς µήνες και τα 55 ppbv, δηλαδή το Όριο Ενηµέρωσης του Πληθυσµού που έχει θεσπίσει η Ευρωπαϊκή Ένωση [165]. Ακόµη και περιορισµός των τοπικών εκποµπών δεν θα κατέληγε στον έλεγχο και περιορισµό των συγκεντρώσεων του τροποσφαιρικού όζοντος, µια και ο παράγοντας της διασυνοριακής µεταφοράς των ρύπων είναι ιδιαίτερα ισχυρός. Όλα αυτά υπογραµµίζουν την ανάγκη να προσδιοριστεί µε σαφήνεια η «φυσική» συνεισφορά της στρατόσφαιρας ως πηγή όζοντος στην τροπόσφαιρα, πρoκειµένου να κατανοηθεί στη συνέχεια και το εύρος των επιπτώσεων των ανθρωπογενών εκποµπών. Επισηµαίνεται επίσης η ιδιαιτερότητα της γεωγραφικής θέσης της χώρας µας, η οποία βρίσκεται στην «κατάληξη» του πολικού αεροχειµµάρου και των στρατοσφαιρικών εισροών [166]. Σε προηγούµενες µελέτες έχει γίνει έρευνα µεµονωµένων περιπτώσεις µεταφοράς του στρατοσφαιρικού αέρα προς την τροπόσφαιρα πάνω από την Ελλάδα [167], [168], ενώ προσοµοιώθηκε µία από αυτές µε τη χρήση συνδυαστικού αριθµητικού προτύπου γενικής κυκλοφορίας και χηµείας [169]. Στο πλαίσιο της παρούσας διατριβής περιγράφονται τα πειραµατικά δεδοµένα που ελήφθησαν µε το σύστηµα DIAL κατά τη διάρκεια των δύο ετών και η µεθοδολογία µε την οποία αυτά συνδυάστηκαν για την εξαγωγή των συ- µπερασµάτων. Παρουσιάζεται επίσης αναλυτικά µία ηµέρα κατά την οποία οι πειραµατικές µετρήσεις DIAL ανίχνευσαν τη εισροή του στρατοσφαιρικού όζοντος στο ύψος των 6 km. Τέλος, ακολουθεί µια συγκεντρωτική παρουσίαση όλων των περιπτώσεων για τις οποίες έγινε έρευνα µε το σύστηµα DIAL για ενδεχόµενη στρατοσφαιρική εισροή. 91

108 5.2. Μελέτη των στρατοσφαιρικών εισροών όζοντος στο πλαίσιο του προγράµµατος STACCAΤΟ Το Ευρωπαϊκό ερευνητικό πρόγραµµα «STACCATO» (Influence of stratosphere-troposphere exchange in a changing climate on atmospheric transport and oxidation capacity), ήταν ένα πρόγραµµα στο οποίο συµµετείχαν 13 ινστιτούτα από 7 διαφορετικές χώρες. Είχε διετή διάρκεια και χρηµατοδοτήθηκε από την Ευρωπαϊκή Επιτροπή µέσω του 5 ου Προγράµµατος Πλαίσιο. Βασικός στόχος του προγράµµατος ήταν να συνεργαστούν επιστηµονικές οµάδες που δουλεύουν µε ατµοσφαιρικά µοντέλα µε αυτές που διενεργούν κατάλληλες πειραµατικές µετρήσεις προκειµένου να µελετηθεί η διανταλλαγή όζοντος µεταξύ στρατόσφαιρας και τροπόσφαιρας. Τα αποτελέσµατα του προγράµµατος δηµοσιεύθηκαν σε Ειδικό Τεύχος του περιοδικού «Journal of Geophysical Research - Atmospheres», καθώς και στη Τελική Έκθεση του προγράµµατος [170] (διαθέσιµη και στην ηλεκτρονική διεύθυνση tu.muenchen.de/ext/lst/meteo/staccato. Παρακάτω παραθέτονται οι βασικές θεµατικές ενότητες έρευνας του προγράµµατος: 1. Ανάπτυξη νέου ατµοσφαιρικού τρισδιάστατου µοντέλου για τις περιπτώσεις «βαθιάς» διανταλλαγής αέρα µεταξύ της στρατόσφαιρας και της τροπόσφαιρας (αµφίδροµη διανταλλαγή). 2. ιενέργεια συντονισµένων πειραµατικών µετρήσεων κατά τη διάρκεια των επεισοδίων διανταλλαγής, προκειµένου να χρησι- µοποιηθούν σε ατµοσφαιρικά µοντέλα. 3. Χρήση 9 µοντέλων για τη πρόγνωση των επεισοδίων διανταλλαγής και επαλήθευσή των αποτελεσµάτων και της απόδοσης τους µέσω των πειραµατικών µετρήσεων. 4. Μελέτη της διαδικασίας ανάµειξης των αερίων µαζών µε διαφορετική προέλευση (τροποσφαιρική και στρατοσφαιρική). 5. Μελέτη των τάσεων διανταλλαγής των τελευταίων δεκαετιών µε τη χρήση 2 µοντέλων και των δεδοµένων των τελευταίων 15 ετών. 92

109 Ανίχνευση των Εισροών του Στρατοσφαιρικού Όζοντος στην Τροπόσφαιρα µε το σύστηµα DIAL 6. Μελέτη των επιπτώσεων της επιφερόµενης, µέσω των διαδικασιών διανταλλαγής, αύξησης του τροποσφαιρικού όζοντος στην οξειδωτική ικανότητα της ατµόσφαιρας. Στο σηµείο αυτό κρίνεται απαραίτητο να διευκρινιστεί ότι ο όρος STΕ (stratosphere-to-troposphere exchange) χρησιµοποιείται συνήθως για να αποτυπώσει τον αµφίδροµο χαρακτήρα της διανταλλαγής µεταξύ της στρατόσφαιρας και της τροπόσφαιρας, δηλαδή τη µεταφορά των αερίων µαζών από τη µία α- τµοσφαιρική περιοχή στην άλλη µε οποιαδήποτε φορά µετακίνησης. Για τη διευκρίνηση της χρήσης του σωστού όρου προτείνεται [171], [172], [173] η χρήση του όρου «διανταλλαγή µεταξύ στρατόσφαιρας και τροπόσφαιρας» (STE) για τη γενικότερη αλληλεπίδραση και προς τις δύο κατευθύνσεις. Οι όροι «µεταφορά από τη στρατόσφαιρα στην τροπόσφαιρα» (stratosphere-totroposphere transport, STT) και «µεταφορά από την τροπόσφαιρα στη στρατόσφαιρα» (troposphere-to-stratosphere transport, TST) θα χρησιµοποιούνται για τις αντίστοιχες, συγκεκριµένης κατεύθυνσης, µεταφορές Πειραµατικές µετρήσεις κατά τη διάρκεια επεισοδίων διανταλλαγής Στα πλαίσια του Ευρωπαϊκού Προγράµµατος STACCATO και στο πλαίσιο της παρούσας διατριβής, πραγµατοποιήθηκαν µετρήσεις της κατακόρυφης κατανοµής του όζοντος µε το σύστηµα DIAL του Εργαστηρίου Φυσικής της Ατµόσφαιρας του Αριστοτέλειου Πανεπιστηµίου Θεσσαλονίκης. Οι µετρήσεις ήταν συντονισµένες µε αυτές των υπόλοιπων συνεργαζόµενων φορέων και πραγµατοποιούνταν µετά από την κοινοποίηση προγνώσεων για την εµφάνιση επεισοδίων διανταλλαγής. Σε µερικές περιπτώσεις κατά τις οποίες οι καιρικές συνθήκες δεν επέτρεψαν τη λειτουργία του συστήµατος DIAL, έγιναν µετρήσεις της κατακόρυφης συγκέντρωσης του όζοντος µε οζοντοβολίσεις που εκτοξεύτηκαν στο αεροδρόµιο «Μακεδονία» της Θεσσαλονίκης. Η πρόγνωση βασιζότανε σε προγνωστικές οπισθοτροχίες 3-διαστάσεων, όπως αυτές στο παράδειγµα που παρουσιάζεται στο Σχήµα 5.1, και σήµανε ό- ποτε αναµενόταν µια εισροή να επιδράσει σηµαντικό αριθµό σταθµών. Κάθε δώδεκα ώρες και µε τη χρήση µετεωρολογικών δεδοµένων από το ΕCMWF, γινότανε πρόγνωση τεσσάρων ηµερών των τροχιών των ατµοσφαιρικών µαζών µεταξύ των 250 και 600 hpa που ξεκινούσαν από την ευρύτερη περιοχή του 93

110 Ατλαντικού και της υτικής Ευρώπης. Πρόγνωση γινότανε για τις περιοχές στις οποίες ατµοσφαιρικές µάζες µε δυναµικό στροβιλισµό µεγαλύτερο των 2 Pvu, δηλαδή µάζες µε στρατοσφαιρική προέλευση, κατέληγαν εντός της τροπόσφαιράς τους. Παράλληλα, και προκειµένου να υπάρχει λεπτοµερέστερη πληροφόρηση για τον ακριβή χρόνο αλλά και υψόµετρο των επίµαχων αερίων µαζών, υπήρχαν διαθέσιµοι πίνακες για κάθε πειραµατικό σταθµό («intrusion hit tables»). Στην οριζόντια σειρά των πινάκων αναγραφότανε ο χρόνος µε βήµα 3 ωρών και στις κατακόρυφες στήλες το υψόµετρο. «1» ή «0» σηµειωνότανε για τις περιπτώσεις που ο αέρας είχε ή όχι στρατοσφαιρική προέλευση (Πίνακας στο παράδειγµα του Σχήµα 5.1). Στη Θεσσαλονίκη, εκτός από τις µετρήσεις της κατακόρυφης κατανο- µής του όζοντος, υπήρχαν επίσης διαθέσιµα µετεωρολογικά δεδοµένα, µέσω των τακτικών ραδιοβολίσεων που πραγµατοποιούνται ανά 12 ώρες από την Ε- θνική Μετεωρολογική Υπηρεσία στο αεροδρόµιο «Μακεδονία» της Θεσσαλονίκης. Η κατακόρυφη κατανοµή της υγρασίας αποτελεί σηµαντικό ιχνηθέτη, διότι οι αέριες µάζες που προέρχονται από τη στρατόσφαιρα χαρακτηρίζονται εκτός από υψηλές τιµές όζοντος και από χαµηλές τιµές σχετικής υγρασίας.. Επιπρόσθετα αυτών των µετρήσεων και προκειµένου να αυξηθεί η πιθανότητα να ανιχνευθούν αέριες µάζες στρατοσφαιρικής προέλευσης, πραγµατοποιούνταν και µετρήσεις της επιφανειακής συγκέντρωσης του όζοντος (µε αναλυτή όζοντος Dasibi 1008 RS) και του 7 Be. Οι µετρήσεις αυτές έλαβαν χώρα στην τοποθεσία «Λιβάδι» (23º15 Ε / 40º32 Ν) έξω από τη Θεσσαλονίκη. Η τοποθεσία επιλέχθηκε διότι πληρούσε σηµαντικές προϋποθέσεις: βρίσκεται σε υψόµετρο 850 m και σε απόσταση 50 km από τη Θεσσαλονίκη. Είναι µία µη αστική περιοχή µε λίγους µόνιµους κατοίκους και εκτός από µερικά οχήµατα δεν υπάρχουν άλλες πηγές ρύπανσης. Συγκεντρώνει δηλαδή τις απαραίτητες προϋποθέσεις ώστε να καταστεί εφικτό να ανιχνευθούν ιχνηθέτες στρατοσφαιρικής προέλευσης, όπως είναι το 7 Be και το Ο 3, χωρίς να υπάρχουν επιδράσεις φωτοχηµικής προέλευσης. 94

111 Ανίχνευση των Εισροών του Στρατοσφαιρικού Όζοντος στην Τροπόσφαιρα µε το σύστηµα DIAL Σχήµα 5.1: Παράδειγµα πρόγνωσης στις 23 Ιουνίου Στους χάρτες διαχωρίζονται χρωµατικά οι αέριες µάζες α) ανάλογα µε το ύψος (Hpa) από το οποίο ξεκίνησαν, και β) ανάλογα µε την τιµή του δυναµικού στροβιλισµού που τις χαρακτηρίζει. Στον Πίνακα φαίνεται ότι αέριες µάζες από τη στρατόσφαιρας θα κατέλθουν στα 600 hpa σε ώρες. 95

112 ιαθέσιµοι ήταν επίσης µετεωρολογικοί χάρτες (500 hpa), οι οποίοι ε- ξετάζονταν προκειµένου να διευκρινιστούν οι µετεωρολογικές συνθήκες κατά τη διάρκεια των επεισοδίων διανταλλαγής. Το Παγκόσµιο Κέντρο Χαρτογράφησης Όζοντος παρείχε επίσης τους χάρτες ολικού όζοντος. Τέλος, τα δεδοµένα του ECMWF αποτέλεσαν τη βάση για τον υπολογισµό του δυναµικού στροβιλισµού (PV) στα 310 Κ και στα 315 Κ. Θεωρώντας την τροπόπαυση ως την επιφάνεια µε δυναµικό στροβιλισµό 1.6 Pvu υπήρχαν επίσης διαθέσιµες πληροφορίες για το ύψος της και τη συµπεριφορά της. Παράλληλα, από τα ίδια δεδοµένα υπήρχαν διαθέσιµα στοιχεία για την κατακόρυφη κατανοµή της υγρασίας και του όζοντος Αναλυτική παρουσίαση επιλεγµένου επεισοδίου διανταλλαγής (STT) Εισαγωγή Χρησιµοποιώντας της προαναφερθείσες πηγές δεδοµένων και βασιζό- µενοι στις µετρήσεις της κατακόρυφης κατανοµής του όζοντος µε το σύστηµα DIAL, διερευνήθηκε, κατά τη διάρκεια των προγνώσεων, το ενδεχόµενο µεταφοράς όζοντος στην τροπόσφαιρα της Θεσσαλονίκης. Στην παράγραφο που α- κολουθεί παρουσιάζεται αναλυτικά µία επιλεγµένη περίπτωση διανταλλαγής, προκειµένου αφενός να περιγραφεί ο µηχανισµός και η εξέλιξή του, αφετέρου να γίνει κατανοητή η συνδυαστική µεθοδολογία επεξεργασίας των δεδοµένων και των πληροφοριών Παρουσίαση επεισοδίου στρατοσφαιρικής εισροής στις 9 Ιανουαρίου 2001 Στις 9 Ιανουαρίου 2001 καταγράφηκε ένα περιστατικό στρατοσφαιρικής εισροής, το οποίο ήταν ιδιαίτερα έντονο. Οι µετρήσεις DIAL (Σχήµα 5.2) παρουσιάζουν ένα διακεκριµένο στρώµα αυξηµένης συγκέντρωσης όζοντος αρκετά χαµηλότερα από την τροπόπαυση, γεγονός που αποτελεί σοβαρή ένδειξη για την κάθοδο αερίων µαζών από τη στρατόσφαιρα. Οι αυξηµένες τιµές ό- ζοντος εµφανίζονται σε υψόµετρο από 5 µέχρι 6.5 km. Στο ύψος αυτό παρατηρήθηκαν συγκεντρώσεις της τάξης των 90 ppbv, τη στιγµή που η µέση συγκέ- 96

113 Ανίχνευση των Εισροών του Στρατοσφαιρικού Όζοντος στην Τροπόσφαιρα µε το σύστηµα DIAL ντρωση στην τροπόσφαιρα τη εν λόγω ηµέρα φαίνεται να ήταν 60 ppbv περίπου. Ραδιοβολίσεις που πραγµατοποιήθηκαν στις 8 και 9 Ιανουαρίου 2001 έδειξαν ότι η σχετική υγρασία από 40% περίπου που ήταν στις 8 Ιανουαρίου µειώθηκε, παρουσιάζοντας τιµές µικρότερες από 10% την ηµέρα του επεισοδίου. Στο Σχήµα 5.2 φαίνεται µε διακεκοµµένη γραµµή η κατακόρυφη µεταβολή της σχετικής υγρασίας και η δραστική µείωσή της στην περιοχή που παρουσιάστηκαν αυξηµένες τιµές όζοντος altitude [m] ozone - DIAL relative humidity ozone [ppbv] - RH [%] Σχήµα 5.2: Κατακόρυφη κατανοµή όζοντος (συνεχής γραµµή), στις 20:00 UTC, και σχετικής υγρασίας (διακεκοµµένη γραµµή ). Όλες οι µετρήσεις πραγµατοποιήθηκαν στη Θεσσαλονίκη, στις 9 Ιανουαρίου Οι µετεωρολογικοί χάρτες έδειξαν ότι τη στρατοσφαιρική εισροή αερίων µαζών στην τροπόσφαιρα προκάλεσε η ύπαρξη ενός αυλώνα που κινήθηκε από τη βόρεια Βρετανία προς την Κεντρική Ευρώπη. Κατά τη διάρκεια της εξέλιξής του προκάλεσε σηµαντική αύξηση στις τιµές του όζοντος που ήταν εµφανής και στους Χάρτες Όζοντος του Παγκόσµιου Οργανισµού Όζοντος. Η απόλυτη διαφορά του ολικού όζοντος µεταξύ 8 και 9 Ιανουαρίου (της ηµέρας του επεισοδίου και µίας ηµέρας πριν) φαίνεται να έφθασε µέχρι και 50 Dobson Units. Στο Σχήµα 5.3 παρουσιάζεται η σχετική µεταβολή του ολικού όζοντος (σχετική µεταβολή παρούσης από την προηγούµενη ηµέρα) για 2 ηµέρες. Στις 8 Ιανουαρίου Σχήµα 5.3(a) φαίνεται ότι έλαβε χώρα αύξηση του όζοντος (σχετική αύξηση της τάξης του 20%) που επηρέασε την Κεντρική Ευρώπη, τη Βόρεια 97

114 Ιταλία και την Ελλάδα. H αύξηση αυτή συνεχίστηκε και στις 9 Ιανουαρίου (Σχήµα 5.3 (b)), µετακινούµενη βορειοανατολικότερα. latitude [deg] a latitude [deg] longitude [deg] b longitude [deg] Σχήµα 5.3: Ηµερήσιοι χάρτες σχετικής διαφοράς ολικού όζοντος (% διαφορά από την προηγούµενη ηµέρα) για τις 8 (a) και 9 (b) Ιανουαρίου 2001, υπολογισµένοι βάση των αντίστοιχων χαρτών ολικού όζοντος του Παγκόσµιου Οργανισµού όζοντος. Οι ισχυρές συνθήκες πιέσεων που επικράτησαν κατά τη διάρκεια του επεισοδίου, ειδικά στις περιοχές νοτιοανατολικά του αποκοµµένου χαµηλού, σχετίζονται µε την ύπαρξη αεροχειµάρρου στα 310 Κ. Ο αυλώνας ήταν ισχυρός και συνέχισε την κίνηση του πάνω από την Ευρώπη χωρίς να διασπαστεί. Εξετάζοντας του χάρτες δυναµικού στροβιλισµού προκύπτει ότι γλώσσες υψηλής τιµής δυναµικού στροβιλισµού, µεγαλύτερης από 1.5 pvu, έφθασαν στην Ελλάδα στις 9 Ιανουαρίου και µόνο µέχρι το βόρειο τµήµα του Ελλαδικού χώρου. Στο νοτιότερο σηµείο του έφθασε το απόγευµα την εν λόγω ηµέρας και στη συνέχεια άρχισε κυκλωνικά να κατευθύνεται προς την ανατολική Ευρώπη. Μέσα στις επόµενες 18 ώρες ο αυλώνας είχε ήδη αρχίσει να κινείται βορειοανατολικά. Στο Σχήµα 5.4 παρουσιάζεται η κατακόρυφης διατοµής ύψους γεωγραφικού πλάτους (από 30º Ν µέχρι 50º Ν) του δυναµικού στροβιλισµού. Τα εν 98

115 Ανίχνευση των Εισροών του Στρατοσφαιρικού Όζοντος στην Τροπόσφαιρα µε το σύστηµα DIAL λόγω σχήµατα αφορούν το γεωγραφικό µήκος της Θεσσαλονίκης (23º Α), σε δύο διαφορετικές χρονικές στιγµές (12:00 και 18:00 UTC) στις 9 Ιανουαρίου Προκύπτει ότι έλαβε χώρα αναδίπλωση της τροπόπαυσης µέχρι το ύψος των 750 hpa στο µήκος 37 ºΝ. Πάνω από τη Θεσσαλονίκη φαίνεται σε υψόµετρο 550 hpa µε 650 hpa., δηλαδή στο υψόµετρο που µετρήθηκε και µε το σύστηµα DIAL η αυξηµένη συγκέντρωση του όζοντος. Σχήµα 5.4: Κατακόρυφη διατοµή ύψους γεωγραφικού πλάτους του δυναµικού στροβιλισµού στο γεωγραφικό µήκος της Θεσσαλονίκης (23º Α) στις 9 Ιανουαρίου 2001, στις 12:00 UTC (a) και στις 18:00 UTC (b). H έντονη συνεχής γραµµή δείχνει το όριο των 2 pvu δυναµικού στροβιλισµού και οι διακεκοµµένες γραµµές σχετική υγρασία 2,5 και 10% αντίστοιχα. 99

116 Ο δυναµικός στροβιλισµός στην τιµή των 2 pvu κατέβηκε µέχρι και τα 450 hpa στις 42 ºΝ γεωγραφικό πλάτος. Η απεικόνιση της τιµής των 1.5 pvu στο Σχήµα 5.4(β) δείχνει ότι η εισροή του στρατοσφαιρικού αέρα έφθασε µέχρι και το υψόµετρο των 550 hpa (στις 41 ºΝ). Και στα δύο σχήµατα (α και β) οι διακεκοµµένες γραµµές της χαµηλής σχετική υγρασίας είναι σε συµφωνία µε τα αποτελέσµατα της ραδιοβόλισης του Σχήµα 5.2, επιβεβαιώνοντας ότι εκείνη την ηµέρα ένα στρώµα πολύ χαµηλής υγρασίας βρέθηκε πάνω από τη Θεσσαλονίκη σε υψόµετρο hpa. Η προέλευση των αερίων µαζών που έφθασαν στην τροπόσφαιρα της Θεσσαλονίκης στις 9 Ιανουαρίου επιβεβαιώνεται µέσω των οπισθοτροχιών που παρουσιάζονται στο Σχήµα 5.5. Όπως φαίνεται στο Σχήµα 5.5(α) ένα στρώµα αυξηµένου όζοντος ξεκίνησε από τη Βόρεια Αµερική και έφθασε µετά από τέσσερις ηµέρες πάνω από τα Βαλκάνια, αφού πρώτε είχε διασχίσει τον Ατλαντικό και τη Βόρεια Ευρώπη. Η κατάσταση φαίνεται να παρουσιάζει πολυπλοκότητα αφού αέριες µάζες στρατοσφαιρικής προέλευσης φαίνεται να έχουν στην πορεία τους αναµειχθεί µε άλλες προερχόµενες από το οριακό στρώµα. Το γεγονός αυτό κατέδειξε την ανάγκη λεπτοµερέστερης µελέτης των σχετικών ο- πισθοτροχιών, µε χωρικό βήµα της τάξης των 25 hpa και µέχρι και 96 ώρες πριν από την άφιξη τους στη Θεσσαλονίκη. Στο Σχήµα 5.5(β) διευκρινίζεται η στρατοσφαιρική προέλευση των αερίων µαζών που έφθασαν στη Θεσσαλονίκη την ηµέρα του επεισοδίου και σε υψόµετρο hpa. Χαµηλότερα από τα 600 hpa και έως και τα 700 hpa οι αέριες µάζες προήλθαν από την ανώτερη τροπόσφαιρα. Σε χαµηλότερα επίπεδα αλλάζει η προέλευση των αερίων µαζών. Στο υψόµετρο των 800 hpa οι αέριες µάζες έφθασαν µετά την άνοδό τους από την κατώτερη τροπόσφαιρα. Αέριες µάζες από τα 450 και 475 hpa ανέβηκαν απότοµα στη στρατόσφαιρα, π.χ. από τα 980 hpa βρέθηκαν στα 280 hpa, και εν συνεχεία κατήλθαν µεταφέροντας χαρακτηριστικά τόσο του οριακού στρώµατος, όσο και της στρατόσφαιρας. Η ισχυρή ανάµειξη που έλαβε χώρα είχε ως τελικό αποτέλεσµα να εµφανιστεί πάνω από τη Θεσσαλονίκη το ενιαίο στρώµα αερίων µαζών µε αυξηµένα επίπεδα όζοντος, φυσικής (στρατοσφαιρικής) αλλά και ανθρωπογενούς προέλευσης. 100

117 Ανίχνευση των Εισροών του Στρατοσφαιρικού Όζοντος στην Τροπόσφαιρα µε το σύστηµα DIAL Σχήµα 5.5: Τρισδιάστατες οπισθοτροχιές 4 ηµερών από δεδοµένα ECMWF που καταλήγουν στις 9 Ιανουαρίου 2001, στις 20:00 UTC, σε διάφορα ύψη πάνω από τη Θεσσαλονίκη. α) Οριζόντια απεικόνιση οπισθοτροχιών µε ιδιαίτερα έντονες γραµµές να απεικονίζουν αέριες µάζες στρατοσφαιρικής προέλευσης και λιγότερο έντονες για αέριες µάζες προερχόµενες από την περιοχή του οριακού στρώµατος. β) Καθ ύψος µεταβολή επιπέδων πιέσεως (hpa). γ) Καθ ύψος µεταβολή επιπέδων δυναµικού στροβιλισµού µε έντονες γραµµές να αντιστοιχούν σε αέριες µάζες στρατοσφαιρικής προελεύσεως. 101

118 5.4. Αποτελέσµατα των πειραµατικών µετρήσεων όζοντος µε το σύστηµα DIAL κατά τη διάρκεια επεισοδίων διανταλλαγής τροπόσφαιρας-στρατόσφαιρας Κατά τη διάρκεια των δύο ετών του Ευρωπαϊκού Προγράµµατος STACCATO υπήρξαν 45 προγνώσεις για ενδεχόµενα επεισόδια διανταλλαγής στη Θεσσαλονίκη. Λόγω καιρικών συνθηκών πραγµατοποιήθηκαν µετρήσεις µε το σύστηµα DIAL για 24 περιπτώσεις και για 8 περιπτώσεις µετρήσεις µε οζοντοβόλιση. Επιπλέον, πραγµατοποιήθηκαν 46 ηµερήσιες µετρήσεις του κοσµικού ραδιοϊσοτόπου 7 Be καθώς και συνεχής µετρήσεις του επιφανειακού ό- ζοντος (στην τοποθεσία «Λιβάδι»). Ραδιοβολίσεις ήταν διαθέσιµες σχεδόν για όλες τις περιπτώσεις. Στο πλαίσιο της παρούσας διατριβής συγκεντρώθηκαν και µελετήθηκαν τα πειραµατικά δεδοµένα για όλη την περίοδο , ώστε να εξαχθούν συµπεράσµατα σχετικά µε τη συχνότητα και το µέγεθος των επεισοδίων διανταλλαγής στον Ελλαδικό χώρο. Μετά από εξέταση την κατακόρυφης κατανοµής του όζοντος για τις περιπτώσεις προγνώσεων, όπως αυτή µετρήθηκε µε το σύστηµα DIAL (Σχήµα 5.6), προέκυψε ότι για 8 περιπτώσεις υπήρξε αυξηµένη συγκέντρωση τροποσφαιρικού όζοντος. Οι εν λόγω µετρήσεις έγιναν τους χειµερινούς µήνες (από Νοέµβριο µέχρι τον Μάρτιο). Οι στρωµατώσεις µε υψηλές τιµές όζοντος παρατηρήθηκαν σε ύψη άνω των 3.5 km. Η κατακόρυφη κατανοµή όζοντος έδειξε µέγιστη συγκέντρωση αυτή των 80 ppbv (σε ύψος 5.6 km) σε µία περίπτωση (Σχήµα 5.6, γ), ενώ σε όλες τις υπόλοιπες περιπτώσεις η µέγιστη τιµή δεν ξεπέρασε τα 70ppbv. Σχεδόν σε όλες τις περιπτώσεις η αύξηση του όζοντος συνοδεύεται από ταυτόχρονη µείωση της σχετικής υγρασίας, στοιχείο ενδεικτικό της ύπαρξης αέρα µε στρατοσφαιρική προέλευση. Προκειµένου να πιστοποιηθεί η στρατοσφαιρική προέλευση του αέρα εξετάστηκαν και οι µετρήσεις 7 Be, ως ιχνηθέτη. Σχεδόν σε όλες τις περιπτώσεις η συγκέντρωση του 7 Be κυµάνθηκε εντός του 1σ της µέσης τιµής, όπως αυτή προέκυψε από τις µετρήσεις των τελευταίων 14 ετών. Μόνο σε µία περίπτωση (Σχήµα 5.6, α) η µετρηθήσα συγκέντρωση ξεπέρασε τα 2σ, µε τιµή που ξεπέρασε τα 8 mbq m -3, τιµή που θεωρείται ενδεικτική των επεισοδίων εισόδου αέρα από τη στρατόσφαιρα [160], [1], [3], [176]. 102

119 Ανίχνευση των Εισροών του Στρατοσφαιρικού Όζοντος στην Τροπόσφαιρα µε το σύστηµα DIAL altitude [m] 6000 altitude [m] ozone [ppbv] - RH [%] (α): ozone [ppbv] - RH [%] (β): altitude [m] ozone [ppbv] - RH [%] (γ): altitude [m] ozone [ppbv] - RH [%] (δ): altitude [m] 6000 altitude [m] ozone [ppbv] - RH [%] (ε): ozone [ppbv] - RH [%] (στ): altitude [m] 6000 altitude [m] ozone [ppbv] - RH [%] (ζ): ozone [ppbv] - RH [%] (η): Σχήµα 5.6: Κατακόρυφη κατανοµή όζοντος (συνεχής γραµµή), όπως µετρήθηκε µε το σύστηµα DIAL του Α.Π.Θ., στις 18:00 UTC, κατόπιν προγνώσεων για επεισόδια διανταλλαγής. Η κατακόρυφη κατανοµή της υγρασίας (διακεκοµµένη γραµµή) προέρχεται από ραδιοβολίσεις που πραγµατοποιήθηκαν τις ίδιες µέρες. 103

120 Σε αρκετές περιπτώσεις σηµειώθηκαν διαβαθµίσεις κατά τη διάρκεια της νύχτας, φαινόµενο όµως που παρατηρήθηκε καθ όλη τη διάρκεια του STACCATO και µπορεί να αποδοθεί όχι µόνο σε στρατοσφαιρικές εισροές αλλά και σε περιπτώσεις οριζόντιας µεταφοράς. Για τις εξεταζόµενες 8 περιπτώσεις δεν διαφαίνεται επίδραση στη συγκέντρωση του όζοντος στην επιφάνεια του εδάφους στο Λιβάδι, κάτι που ήταν αναµενόµενο λαµβάνοντας υπόψη το υψόµετρο στο οποίο παρατηρήθηκαν οι στρωµατώσεις µε αυξηµένες τιµές όζοντος. Εξετάζοντας την επικρατούσα συνοπτική κατάσταση, µέσω των χαρτών υψοµέτρου 500 mb, για τις 8 περιπτώσεις, προέκυψε ότι στις περισσότερες (4 περιπτώσεις) η Ελλάδα ήταν επηρεασµένη από την ύπαρξη αυλώνα (trough) στη Βόρεια και Κεντρική Ευρώπη που κινήθηκε νοτιοανατολικά. Σε 2 περιπτώσεις η χώρα µας βρέθηκε στο νοτιότερο άκρο αυλώνα που ξεκινούσε από το Βόρειο Ατλαντικό µετακινούµενος πάνω από την Κεντρική Ευρώπη. Το φαινό- µενο αυτό απεικονίζεται και στο Σχήµα 5.7, στο οποίο παρουσιάζεται ένα τυπικό παράδειγµα (22 Φεβρουαρίου 2001) της διαδροµής που ακολούθησαν αέριες µάζες από τη στρατόσφαιρα κατερχόµενες στην τροπόσφαιρα της Θεσσαλονίκης. Σχήµα 5.7: Συνήθης διαδροµή αερίων µαζών πριν τα επεισόδια εισροής στρατοσφαιρικού αέρα στην τροπόσφαιρα της Θεσσαλονίκης. (ο εν λόγω χάρτης είναι παράδειγµα της 22 ης Φεβρουαρίου 2001, 18:00 UTC). 104

121 Ανίχνευση των Εισροών του Στρατοσφαιρικού Όζοντος στην Τροπόσφαιρα µε το σύστηµα DIAL Τέλος, µόνο σε 2 περιπτώσεις υπήρξε αποκοµµένο χαµηλό (cut-off low) πάνω από τον Ελλαδικό χώρο και γενικότερα πάνω από το χώρο των Βαλκανίων. Πρέπει να σηµειωθεί ότι αυτά τα συνοπτικά συστήµατα συνδέονται µε τις εισροές στρατοσφαιρικού αέρα στην τροπόσφαιρα που συµβαίνουν κατά τη διάρκεια αναδιπλώσεων της τροπόπαυσης στη είσοδο του αεροχειµµάρου του πολικού µετώπου (polar front jet-stream) στη δυτική πλευρά υφέσεων στα ανώτερα στρώµατα της τροπόσφαιρας.. Οι αναδιπλώσεις της τροπόπαυσης χαρακτηρίζονται από γλώσσες µε υψηλές τιµής δυναµικού στροβιλισµού (potential vorticity - PV > 1.5 pvu) που εκτείνονται προς τα νοτιότερα γεωγραφικά πλάτη (Σχήµα 5.8). Σχήµα 5.8: Ενδεικτική εικόνα πεδίου δυναµικού στροβιλισµού, από δεδοµένα του ECMWF, στην ισεντροπική επιφάνεια των 325 Κ (το εν λόγω παράδειγµα αφορά την 11 η Σεπτεµβρίου 2001, ώρα 18:00 UTC). Προκειµένου όµως να εξαχθεί µε βεβαιότητα το συµπέρασµα για τη στρατοσφαιρική προέλευση των αερίων µαζών που παρατηρήθηκαν στην τροπόσφαιρα της Θεσσαλονίκης απαιτείται η περαιτέρω διερεύνηση της προέλευση τους µε οπισθοτροχιές 3-διαστάσεων. Εξετάστηκαν σε λεπτοµέρεια οι οπισθοτροχιές των αερίων µαζών που κατέληξαν στην τροπόσφαιρα της Θεσσαλονίκης τις εν λόγω ηµέρες. Τα αποτελέσµατα φαίνονται συνοπτικά στον Πίνακας 105