Μεταπτυχιακή Εργασία

Transcript

1 Εθνικό και Καποδιστριακό Πανεπιστήμιο Αθηνών Τμήμα Φυσικής Τομέας Φυσικής Περιβάλλοντος Μετεωρολογίας Μεταπτυχιακό πρόγραμμα «Φυσική Περιβάλλοντος» Μεταπτυχιακή Εργασία «Εκτίμηση της κατακόρυφης κατανομής συγκεντρώσεων μάζας αιωρούμενων σωματιδίων μέσω επίγειων μετρήσεων lidar στην Φινοκαλιά της Κρήτης» Αποστολοπούλου Π. Στυλιανή Α.Μ Επιβλέπουσα: Λέκτορας Γιαννακάκη Ελένη Αθήνα, Ιούλιος 2017

2 ΕΘΝΙΚΟ ΚΑΙ ΚΑΠΟΔΙΣΤΡΙΑΚΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΘΗΝΩΝ ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΤΟΜΕΑΣ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ ΜΕΤΕΩΡΟΛΟΓΙΑΣ Εκτίμηση της κατακόρυφης κατανομής συγκεντρώσεων μάζας αιωρούμενων σωματιδίων μέσω επίγειων μετρήσεων lidar στην Φινοκαλιά της Κρήτης. Διπλωματική Εργασία Στυλιανή Π. Αποστολοπούλου Επιβλέπουσα: Γιαννακάκη Ελένη, Λέκτορας ΕΚΠΑ Τριμελής Εξεταστική Επιτροπή.... Κάλλος Γ. Καθηγητής ΕΚΠΑ.... Αμοιρίδης Β. Ερευνητής Β Εθνικό Αστεροσκοπείο Αθηνών.... Γιαννακάκη Ε. Λέκτορας ΕΚΠΑ Αθήνα, Ιούλιος 2017 i

3 .... Στυλιανή Αποστολοπούλου Πτυχιούχος Φυσικών Επιστημών Ε.Κ.Π.Α.

4 i

5 Στους γονείς μου Ράνια και Παναγιώτη και στον αδερφό μου Δημήτρη

6 Ευχαριστίες Με την περάτωση αυτής της εργασίας ολοκληρώνονται οι μεταπτυχίακες μου σπουδές στον τομέα της ατμοσφαιρικής φυσικής. Στην πορεία μου έως εδώ είχα την στήριξη πολλών ανθρώπων, τους οποίους και θα ήθελα να ευχαριστήσω. Αρχικά, θα ήθελα να αναφερθώ στην Λέκτορα κ. Ελίνα Γιαννακάκη, η οποία ήταν η επιβλέπουσα της διπλωματικής εργασίας. Την ευχαριστώ από καρδιάς για την εμπιστοσύνη, την καθοδήγηση και το ενδιαφέρον που μου έδειξε καθ όλη την διάρκεια της συνεργασίας μας αλλά κυρίως για τις πολύτιμες επιστημονικές της γνώσεις. Στη συνέχεια, θα ήθελα να ευχαριστήσω τα μέλη της τριμελούς επιτροπής, τον καθηγητή κ. Γεώργιο Κάλλο και τον ερευνητή κ. Βασίλη Αμοιρίδη για την πολύτιμη βοήθειά τους, τις γνώσεις που μου προσέφεραν και τις ενδιαφέρουσες συζητήσεις στο αντικείμενο της ατμοσφαιρικής φυσικής. Ευχαριστώ θερμά την Ελένη Μαρίνου για την βοήθειά της με τα δεδομένα του lidar και τις χρησιμες συμβουλές της. Ευχαριστώ ιδιαίτερως τον Πλάτωνα Πατλάκα, που ως φίλος μου τα τελευταία χρόνια, μου πρόσφερε την βοήθεια του ανιδιοτελώς, με στήριξε και με ενθάρρυνε καθ όλη την διάρκεια των σπουδών μου. Τον ευχαριστώ που υπήρξε φίλος μου όλα αυτά τα χρόνια. Στο σημείο αυτό θα ήθελα να ευχαριστήσω όλους τους φίλους μου και ιδιαίτερα τον Σταύρο, που στάθηκε δίπλα μου με κατανόηση και υπομονή όλο αυτό το διάστημα. Η στήριξή του ήταν πολύτιμη και καθοριστική. Τέλος, θα ήθελα να εκφράσω την ευγνωμοσύνη και να ευχαριστήσω με όλη μου την καρδιά τους γονείς μου, Ράνια και Παναγιώτη, που με την αγάπη τους, την ενθάρρυνσή τους και τον συνεχή αγώνα τους όλα αυτά τα χρόνια έφτασα ως εδώ. Ευχαριστώ τον αδερφό μου, Δημήτρη, που βρίσκεται πλάι μου και με στηρίζει σιωπηλά. Θα ήθελα ειλικρινά και μέσα από τα βάθη της καρδίας μου να τους αφιερώσω την παρούσα διπλωματική εργασία, αναγνωρίζοντας όλες τις προσπάθειες που έχουν κάνει ως τώρα. Στέλλα Π. Αποστολοπούλου Αθήνα, Ιούλιος 2017

7 Περίληψη Η εργασία επικεντρώνεται στη διακρίβωση των προσομοιώσεων της κατακόρυφης κατανομής της συγκέντρωσης μάζας αιωρούμενων σωματιδίων των μοντέλων RAMS/ICLAMS, SKIRON/Dust και BSC-DREAM8b, χρησιμοποιώντας την συνέργεια επίγειων δεδομένων ενεργής και παθητικής τηλεπισκόπησης. Συγκεκριμένα, χρησιμοποιήθηκαν δεδομένα από το lidar Polly XT και το φωτόμετρο CIMEL κατά την διάρκεια της πειραματικής εκστρατείας CHARADMExp που πραγματοποιήθηκε στη Φινοκαλιά της Κρήτης την περίοδο Ιούνιος Ιούλιος O διαχωρισμός των διαφορετικών τύπων αιωρούμενων σωματιδίων πραγματοποιείται χρησιμοποιώντας τον συντελεστή αποπόλωσης και τον συντελεστή οπισθοσκέδασης. Για τη μετατροπή των οπτικών μεγεθών σε συγκέντρωση μάζας, χρησιμοποιήθηκε η κατανομή μεγεθών του φωτομέτρου CIMEL. Συγκεκριμένα, υπολογίστηκε ο λόγος της χωρικής συγκέντρωσης προς το οπτικό βάθος στα 500 nm και βιβλιογραφικές τιμές για την πυκνότητα των διαφορετικών τύπων σωματιδίων. Επιλέχθηκαν τρεις περιπτώσεις μελέτης που αφορούν τη Σαχαριανή σκόνη, θαλάσσια σωματίδια καθώς και ανάμιξη αυτών. Η σύγκριση έδειξε ορθή εκτίμηση των γεωμετρικών στρωμάτων Σαχαριανής σκόνης αλλά υποεκτίμηση της συγκέντρωσης μάζας του μοντέλου BSC-DREAM8b. Για το μοντέλο SKIRON/Dust, βρέθηκε συμφωνία ως προς την γεωμετρία και την απόλυτη τιμή της συγκέντρωσης του χαμηλού στρώματος Σαχαριανής σκόνης αλλά υπερεκτίμηση του υπερκείμενου στρώματος. Το μοντέλο RAMS/ICLAMS προσομοιώνει θαλάσσια σωματίδια σε ύψη μικρότερα από το 1 km ενώ η συγκέντρωση διαφέρει κατά 2 με 3 τάξεις μεγέθους συγκριτικά με την εκτίμηση των μετρήσεων. Λέξεις κλειδιά: lidar, θαλάσσια σωματίδια, σκόνη από Σαχάρα, διαχωρισμός αιωρούμενων σωματιδίων

8 Abstract In this study we investigate the validity of the aerosol mass concentration profiles simulated with the RAMS/ICLAMS, SKIRON/dust and BSC-DREAM8b using observational lidar data. For this purpose, were used retrievals of the Polly XT lidar in combination with measurements of the CIMEL sunphotometer, which perform measurements at the frame of CHARADMExp campaign during June July Lidar aerosol vertical profiles are required to validate the modeled vertical mass concentration products. The main model products typically involve mass concentrations for different aerosol types. Thus, to ensure comparability we convert the lidar s output, such as the aerosol backscatter and extinction coefficient profiles after applying appropriate techniques. Three case studies were selected, involving dust particles from the Sahara, marine particles as well as a mixture of them. The comparison showed a good estimation of the geometric characteristics of dust layers but an underestimation of the mass concentration by three orders of magnitude of the model BSC-DREAM8b. The SKIRON model showed a good agreement on the geometry and absolute concentration values of the lower dust layer, but there is an overestimating by three orders of magnitude from the model concerning the upper dust layer. The RAMS/ICLAMS model simulates marine particles at heights lower than 1 km as observed in two cases while the comparison shows lower the concentration by 2 to 3 orders of magnitude than lidar approach. Keywords: lidar, dust, marine aerosols, aerosol separation

9

10 Πίνακας περιεχομένων Ευχαριστίες... Περίληψη... Abstract Εισαγωγή Τηλεπισκόπηση της ατμόσφαιρας με τη χρήση συστημάτων LIDAR Αρχή λειτουργίας lidar Συστήματα lidar Προσδιορισμός οπτικών ιδιοτήτων των αιωρούμενων σωματιδίων με την χρήση lidar Οπτικές ιδιότητες των αιωρούμενων σωματιδίων Εξίσωση lidar Συντελεστής οπισθοσκέδασης των αιωρούμενων σωματιδίων Συντελεστής εξασθένισης των αιωρούμενων σωματιδίων Λόγος lidar Συντελεστής γραμμικής αποπόλωσης των αιωρούμενων σωματιδίων Εκθέτης Ångström Αβεβαιότητα οπτικών παραμέτρων Μεθοδολογία Σταθμός παρατήρησης - μετεωρολογία περιοχής Θαλάσσια αιωρούμενα σωματίδια Αιωρούμενα σωματίδια σκόνης Δίκτυο PollyNet Σύστημα lidar Polly XT Σύστημα lidar Polly XT Μέθοδος διαχωρισμού αιωρούμενων σωματιδίων Συγκέντρωση μάζας αιωρούμενων σωματιδίων Δίκτυο ΑΕRΟΝΕΤ Περιγραφή του αριθμητικού μοντέλου προσομοίωσης RAMS/ICLAMS Περιγραφή των αριθμητικών μοντέλων SKIRON και BSC-DREAM8b SKIRON/Dust BSC-DREAM8b Το Ατμοσφαιρικό μοντέλο HYSPLIT Αποτελέσματα Εκτίμηση του λόγου χωρικής συγκέντρωσης προς οπτικό βάθος αιωρούμενων σωματιδίων Μετρήσεις lidar Περιπτώσεις μελέτης... 51

11 4.3.1 Σκόνη από Σαχάρα: , 00:00-02:20 UTC Θαλάσσια σωματίδια: , 23:00-00:45 UTC Θαλάσσια σωματίδια και σκόνη από Σαχάρα: , 00:20-02:00 UTC Συμπεράσματα Βιβλιογραφία i

12 Πίνακας σχημάτων Σχήμα 1: Η μέση επίδραση στο ενεργειακό ισοζύγιο των συστατικών της ατμόσφαιρας (IPCC 2013) Σχήμα 3: Αρχή λειτουργία της τεχνικής lidar Σχήμα 4: Τυπική διάταξη ενός συστήματος lidar Σχήμα 5: Τοποθεσία του σταθμού της Φινοκαλιάς Σχήμα 6: Ανάλυση συστοιχιών των οπίσθιων τροχιών. Προέλευση αέριων μαζών ανάλογα με τους επικρατούντες ανέμους. ( finokalia.chemistry.uoc.gr/) Σχήμα 7: Παγκόσμιος χάρτης των σταθμών που διαθέτουν lidar Polly XT. Οι ενδείξεις με πράσινο χρώμα υποδηλώνουν τους 7 μόνιμους σταθμούς, οι πορτοκαλί ενδείξεις αντιπροσωπεύουν τους προσωρινούς σταθμούς μέτρησης και οι ενδείξεις με το καράβι αντιπροσωπεύουν τους πλωτούς σταθμούς του δικτύου.( 26 Σχήμα 8: Το σύστημα lidar Polly X T εντός της αδιάβροχης καμπίνας. 1: Laser, 2: Τροφοδοτικό laser, 3: Διαστολέας δέσμης, 4:Τηλεσκόπιο-δέκτης, 5:Δέκτης με επτά κανάλια, 6:Τροφοδοσία ρεύματος, 7: Υ/Η για την λήψη των δεδομένων, 8: UPS, 9: Κλιματιστικό, 10: Αισθητήρας εξωτερικής θερμοκρασίας και υετού, 11: Κάλυμμα στέγασης (Althausen et al, 2009) Σχήμα 9: Οι σταθμοί του παγκόσμιου δικτύου AERONET Σχήμα 10 : Ο λόγος συγκέντρωσης όγκου προς το οπτικό βάθος των σωματιδίων στα 500 nm για την περίοδο Ιουνίου Ιουλίου Σχήμα 11 : Σταθμοί AERONET που χαρακτηρίζονται από την ύπαρξη θαλάσσιων σωματιδίων. Για κάθε σταθμό απεικονίζεται η μέση τιμή, η απόκλιση, οι ακραίες τιμές και το πλήθος των μετρήσεων που υπήρχαν διαθέσιμές Σχήμα 12 : Σταθμοί AERONET που χαρακτηρίζονται από σωματίδια σκόνης. Για κάθε σταθμό απεικονίζεται η μέση τιμή, η απόκλιση, οι ακραίες τιμές και το πλήθος των μετρήσεων που υπήρχαν διαθέσιμές Σχήμα 13: (α) το διορθωμένο με την απόσταση επιστρεφόμενο σήμα στα 1064 nm και (β) ο χωρικός συντελεστής αποπόλωσης για όλη την περίοδο της πειραματικής εκστρατείας στην Φινοκαλιά της Κρήτης Σχήμα 14: Η συγκέντρωση σωματιδίων sea salt (μg/m 3 ) Σχήμα 15: Τεσσάρων ημερών οπισθοτροχιές για τις (α) 00:00 UTC, (β) 01:00 UTC και (γ) 02:00 UTC. Τρία ύψη άφιξης χρησιμοποιήθηκαν (2km: κόκκινο, 3 km: μπλε και 4 km: πράσινο) Σχήμα 16: Οπτικές ιδιότητες των σωματιδίων στις , 00:00-02:20 UTC (α) συντελεστής οπισθοσκέδασης στα 355, 532 και 1064 nm, (β) συντελεστής οπισθοσκέδασης στα 355, 532 nm, (γ) λόγος lidar στα 355, 532 nm, (δ) εκθέτης Ångström ο βασιζόμενος στους συντελεστής εξασθένισης nm, o βασιζόμενος στους συντελεστής οπισθοσκέδασης nm και nm και (ε) ο σωματιδιακός και χωρικός συντελεστής αποπόλωσης στα 355 και 532 nm Σχήμα 17: Συντελεστής οπισθοσκέδασης στα 355, 532 και 1064 nm όπως μετρήθηκε από το σύστημα EMORAL στις , 00:00-02:20 UTC Σχήμα 18: (α) Διαχωρισμός της σκόνης και των υπολοίπων σωματιδίων για το συντελεστή οπισθοσκέδασης στα 532 nm, (b) o συντελεστής αποπόλωσης στα 532 nm και (γ) η σχετική συνεισφορά κάθε τύπου αιωρούμενων σωματιδίων στις , 00:00-02:20 UTC Σχήμα 19: Συγκέντρωση μάζας όπως υπολογίσθηκε με πειραματικές μετρήσεις lidar για τρεις διαφορετικές πυκνότητες και την εφαρμογή 2 μοντέλων Σχήμα 20: (α) Το διορθωμένο με την απόσταση επιστρεφόμενο σήμα στα 1064 nm και (β) ο χωρικός συντελεστής αποπόλωσης από τις 12:00 UTC μέχρι και τις 06:

13 Σχήμα 21: Τεσσάρων ημερών οπισθοτροχιές για τις (α) 15:00 UTC, (β) 21:00 UTC και (γ) 01:00 UTC. Τρία ύψη άφιξης χρησιμοποιήθηκαν (0.5km: κόκκινο, 1.5 km: μπλε και 2.5 km: πράσινο) Σχήμα 22: Κατανομή μεγέθους σωματιδίων από το φασματοφωτόμετρο cimel (α) 15 Ιουλίου 2014 και (β) 16 Ιουλίου Σχήμα 23: Χρονοσειρά του οπτικού βάθους για διαφορετικά μήκη κύματος (α) 15 Ιουλίου 2014 και (β) 16 Ιουλίου Σχήμα 24: Οπτικές ιδιότητες των σωματιδίων στις , 23:00-02:20 UTC (α) συντελεστής οπισθοσκέδασης στα 355, 532 και 1064 nm, (β) συντελεστής οπισθοσκέδασης στα 355, 532 nm, (γ) λόγος lidar στα 355, 532 nm, (δ) εκθέτης Ångström ο βασιζόμενος στους συντελεστής εξασθένισης nm, o βασιζόμενος στους συντελεστής οπισθοσκέδασης nm και nm και (ε) ο σωματιδιακός και χωρικός συντελεστής αποπόλωσης στα 355 και 532 nm Σχήμα 25: Οι τιμές του λόγου v/τ της ημέρας για κάθε mode αιωρούμενων σωματιδίων Σχήμα 26: Διαχωρισμός θαλάσσιων, ανθρωπογενών και ρυπασμένων θαλάσσιων σωματιδίων στις Σχήμα 27: Συγκέντρωση μάζας όπως υπολογίσθηκε με πειραματικές μετρήσεις lidar για τρεις διαφορετικές πυκνότητες και την εφαρμογή του μοντέλου Σχήμα 27: (α) Το διορθωμένο με την απόσταση επιστρεφόμενο σήμα στα 1064 nm και (β) ο χωρικός συντελεστής αποπόλωσης από τις 00:00 UTC μέχρι και τις 18: Σχήμα 28: Οπισθοτροχιές τεσσάρων ημερών για τις (α) 00:00 UTC, (β) 01:00 UTC και (γ) 02:00 UTC. Τρία ύψη άφιξης χρησιμοποιήθηκαν (2 km: κόκκινο, 3 km: μπλε και 4 km: πράσινο) Σχήμα 29: Οπισθοτροχιές τεσσάρων ημερών για τις (α) 00:00 UTC, (β) 01:00 UTC και (γ) 02:00 UTC. Τρία ύψη άφιξης χρησιμοποιήθηκαν (0.5 km: κόκκινο, 1 km: μπλε και 1.5 km: πράσινο) Σχήμα 32: Οπτικές ιδιότητες των σωματιδίων στις , 00:20-02:00 UTC (α) συντελεστής οπισθοσκέδασης στα 355, 532 και 1064 nm, (β) συντελεστής οπισθοσκέδασης στα 355, 532 nm, (γ) λόγος lidar στα 355, 532 nm, (δ) εκθέτης Ångström ο βασιζόμενος στους συντελεστής εξασθένισης nm, o βασιζόμενος στους συντελεστής οπισθοσκέδασης nm και nm και (ε) ο σωματιδιακός συντελεστής αποπόλωσης στα 355 και 532 nm Σχήμα 31: (α) Διαχωρισμός της σκόνης και θαλάσσιων σωματιδίων για το συντελεστή οπισθοσκέδασης στα 532 nm, (b) o συντελεστής αποπόλωσης στα 532 nm και (γ) η σχετική συνεισφορά κάθε τύπου αιωρούμενων σωματιδίων Σχήμα 32: Συγκέντρωση μάζας όπως υπολογίσθηκε με πειραματικές μετρήσεις lidar για τρεις διαφορετικές πυκνότητες και την εφαρμογή 2 μοντέλων Σχήμα 33: Συγκέντρωση μάζας όπως υπολογίσθηκε με πειραματικές μετρήσεις lidar για και την εφαρμογή του μοντέλου i

14 Εισαγωγή 1. Εισαγωγή Το αντικείμενο της διπλωματικής εργασίας είναι η εκτίμηση της κατακόρυφης συγκέντρωσης μάζας διαφορετικών αιωρούμενων σωματιδίων με την συνέργεια οργάνων ενεργής και παθητικής τηλεπισκόπησης. Τα αποτελέσματά μας συγκρίθηκαν με προσομοιώσεις ατμοσφαιρικών μοντέλων. Για τις ανάγκες της παρούσας μελέτης χρησιμοποιήθηκε ένα σύστημα τηλεπισκόπησης lidar (light detection and ranging) και συγκεκριμένα το lidar Polly XT Arielle, το οποίο έχει στην κατοχή του το Ινστιτούτο TROPOS της Λειψίας. Μέσω των δεδομένων του lidar είναι δυνατή η εκτίμηση της κατακόρυφης συγκέντρωσης μάζας για τα θαλάσσια σωματίδια και τα σωματίδια σκόνης. Από το σύνολο των συστατικών την ατμόσφαιρας ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζουν τα αιωρούμενα σωματίδια, είτε φυσικής είτε ανθρωπογενούς προέλευσης διότι παρουσιάζουν μεγάλη μεταβλητότητα στην ατμόσφαιρα τόσο στην σύσταση και το μέγεθός τους, όσο και στην συγκέντρωσή τους, εξαιτίας της ανομοιογένειας των πηγών τους, των χημικών και φυσικών διεργασιών συμπύκνωσης και συσσωμάτωσης. Επιπλέον, οι πολύπλοκες αλληλεπιδράσεις τους με τα νέφη συμβάλλουν σημαντικά στην ανάγκη να ερευνηθούν και να χαρακτηριστούν τα αιωρούμενα σωματίδια. Χωρίς αμφιβολία αποτελούν ένα σημαντικό παράγοντα που δύναται να επηρεάσει σημαντικά το ενεργειακό ισοζύγιο της Γης (IPCC, 2014). Το ισοζύγιο ενέργειας μεταξύ της ανακλώμενης από την Γη και της ηλιακής ενέργεια είναι ιδιαίτερα εύκολο να διαταραχθεί. Τα αιωρούμενα σωματίδια επιδρούν σημαντικά σε αυτό το ισοζύγιο ακτινοβολίας. Ωστόσο, οι κλιματικές επιπτώσεις αυτών παρουσιάζουν ακόμα και σήμερα μεγάλη αβεβαιότητα (IPCC, 2013). Στο σχήμα 1 παρουσιάζεται η συνεισφορά των διάφορων παραγόντων που επιδρούν στο ισοζύγιο ακτινοβολίας, η χωρική τους κλίμακα και το επίπεδο της επιστημονικής κατανόησης των διαδικασιών με τις οποίες τα διάφορα ατμοσφαιρικά συστατικά επιδρούν στο ενεργειακό ισοζύγιο, με κλίμακα από υψηλό (high) μέχρι χαμηλό (low). Στο ίδιο σχήμα παρατηρούμε επίσης ότι η ψύξη από τα ανθρωπογενή σωματίδια είναι συγκρίσιμη με την θέρμανση που προκαλούν τα αέρια του θερμοκηπίου σε παγκόσμια κλίμακα (IPCC, 2001). 2

15 Εισαγωγή Σχήμα 1: Η μέση επίδραση στο ενεργειακό ισοζύγιο των συστατικών της ατμόσφαιρας (IPCC 2013). Τα αιωρούμενα σωματίδια επιδρούν άμεσα στο ισοζύγιο της ακτινοβολίας του συστήματος Γης Ατμόσφαιρας, μέσω της σκέδασης και της απορρόφησης της ηλιακής και γήινης ακτινοβολίας, με αποτέλεσμα να επηρεάζουν το κλίμα. (Seinfeld and Pandis, 1998). Μέσω της σκέδασης της ηλιακής ακτινοβολίας προς το διάστημα τείνουν να ψύξουν την ατμόσφαιρα. Όμως κατά την απορρόφηση της ηλιακής ακτινοβολίας επιδρούν στην ατμόσφαιρα θερμαίνοντάς την. Καταλήγουμε λοιπόν στο γεγονός ότι η μείωση της έντασης της άμεσης ακτινοβολίας κατά τη διάρκεια της διάδοσής της μέσω ενός αιωρούμενου σωματιδίου καθορίζεται ταυτόχρονα και από την απορρόφηση και από τη σκέδαση του φωτός. Τα αιωρούμενα σωματίδια έχουν επίσης την δυνατότητα να αλλάξουν τις ιδιότητες ενός νέφους και κατ αυτόν τον τρόπο επιδρούν έμμεσα στο κλίμα (Twomey, 1977). Με την βοήθεια των υδρατμών που υπάρχουν στην ατμόσφαιρα δύναται να σχηματίσουν πυρήνες συμπύκνωσης με αποτέλεσμα την έναρξη του σχηματισμού των νεφών. Όταν τα χαρακτηριστικά των αιωρούμενων σωματιδίων, όπως η συγκέντρωση και το μέγεθός τους, μεταβάλλονται τότε είναι δυνατό να μεταβληθούν και τα χαρακτηριστικά των νεφοσταγονιδίων που προκύπτουν έπειτα από την δημιουργία των πυρήνων συμπύκνωσης. Η ύπαρξη των αιωρούμενων σωματιδίων στα νέφη μπορεί να 3

16 Εισαγωγή έχει σημαντικές συνέπειες τόσο στο χρόνο παραμονής τους στην ατμόσφαιρα όσο και στη δυνατότητά τους για δημιουργία υετού, τείνουν να καθυστερούν το μηχανισμό βροχής (Koren et al., 2004). Αντίθετα, υπό ορισμένες συνθήκες ορισμένα αιωρούμενα σωματίδια έχουν τη δυνατότητα να προκαλέσουν ταχύτερη διάλυση των νεφών. Εν κατακλείδι, ο τρόπος με τον οποίο τα αιωρούμενα σωματίδια επιδρούν στα νέφη δεν είναι ακόμα πλήρως κατανοητός στην επιστημονική κοινότητα, και για αυτό δεν μπορούμε να εκτιμήσουμε ποιες από αυτές τις διαδικασίες είναι ικανές να επηρεάσουν σημαντικά τον καιρό, το κλίμα και την ποιότητα του αέρα (IPCC, 2007). Στο σχήμα 2 παρουσιάζονται οι διάφορες αλληλεπιδράσεις των αιωρούμενων σωματιδίων με τα νέφη. Τα σωματίδια εκτός από το κλίμα επιδρούν σημαντικά και στην κοινωνία καθώς ορισμένες φορές αποτελούν απειλή για την δημόσια υγεία και κίνδυνο για τις αερομεταφορές. Συχνά η ποιότητα του αέρα στις πόλεις φτάνει σε επιβλαβή επίπεδα για την υγεία και μία από τις αιτίες είναι τα αιωρούμενα σωματίδια, τα οποία μπορούν να δημιουργήσουν ή να επιδεινώσουν προβλήματα στον αναπνευστικό σύστημα και την όραση. Όσον αφορά τις αερομεταφορές, όταν τα σωματίδια βρίσκονται σε υψηλές συγκεντρώσεις στην ατμόσφαιρα μειώνουν την ορατότητα με αποτέλεσμα να απειλούν την ασφάλεια των αεροπορικών πτήσεων. Στα πλαίσια της παρούσας μελέτης θα ασχοληθούμε με δύο συγκεκριμένα είδη αιωρούμενων σωματιδίων, τα θαλάσσια σωματίδια και τη σκόνη, τα οποία αμφότερα ανήκουν στα χονδρόκοκκα σωματίδια. Η περιοχή μελέτης, η Φινοκαλιά της Κρήτης, θεωρείται αντιπροσωπευτική τοποθεσία διότι βρίσκεται μακριά από αστικές περιοχές με αποτέλεσμα να μένει σχεδόν ανεπηρέαστη από ανθρωπογενείς ρύπους. Η καλύτερη δυνατή προσέγγιση των ιδιοτήτων των αιωρούμενων σωματιδίων είναι απαραίτητη για την πληρέστερη παραμετροποίησή τους στα ατμοσφαιρικά αριθμητικά μοντέλα, τόσο σε τοπική όσο και σε παγκόσμια κλίμακα. Τα μοντέλα μέσω βασικών εξισώσεων της φυσικής και των μαθηματικών προσομοιώνουν το πλήθος θερμοδυναμικών, φωτοχημικών, μηχανικών και άλλων αλληλεπιδράσεων που πραγματοποιούνται στο χαοτικό σύστημα της ατμόσφαιρας. Αποτελούν ένα σημαντικό εργαλείο όσον αφορά την πρόγνωση και πρόβλεψη των διεργασιών της ατμόσφαιρας καθώς επίσης έχουν την δυνατότητα να προσομοιώσουν παρελθοντικές διεργασίες για τις οποίες δεν υπάρχουν καταγραφές από όργανα μέτρησης. 4

17 Εισαγωγή Έτσι όσον αφορά τα αιωρούμενα σωματίδια είναι σημαντικό οι προσομοιώσεις των αριθμητικών μοντέλων να έχουν την καλύτερη δυνατή ακρίβεια την μεταφορά των αιωρούμενων σωματιδίων, την επίδραση αυτών στις μετεωρολογικές συνθήκες μικρής κλίμακας καθώς επίσης και το ενεργειακό ισοζύγιο της Γης. Είναι σημαντικό να αναφέρουμε ότι στην μελέτη η σύγκριση παραγματοποιείται για κάθε είδος αιωρούμενου σωματίδου ξεχωριστά. Αρχικός στόχος είναι να διαχωριστούν τα θαλάσσια αιωρούμενα σωματίδια από αυτά της σκόνης. Η δυσκολία αυτού του εγχειρήματος έγκειται στο γεγονός ότι τα δύο αυτά είδη έχουν παραπλήσιο μέγεθος αφού ανήκουν κυρίως στην κατηγορία των χονδρόκοκκων σωματιδίων (coarse particles). Επιπλέον, οι οπτικές ιδιότητες που καταγράφονται από τα φασματοφωτόμετρα αφορούν την ολική ατμοσφαιρική στήλη και δεν επιτρέπουν την διάκριση μεταξύ των διαφόρων τύπων σωματιδίων. Αυτό μπορεί να ξεπεραστεί με την χρήση lidar και των μετρούμενων εντατικών μεγεθών που παρέχει. Έχοντας διαχωρίσει τα είδη των σωματιδίων μπορούμε να εκτιμήσουμε την κατακόρυφη συγκέντρωση μάζας μέσω μετρήσεων φωτόμετρου. Αυτό είναι δυνατόν να επιτευχθεί διότι αντιμετωπίζουμε πλέον τις κατακόρυφες κατανομές ως σωματίδια ενός τύπου και συνεπώς μπορούμε να εφαρμόσουμε αντίστοιχους συντελεστές μετατροπής οπτικών ιδιοτήτων σε συγκέντρωση μάζας. Τέλος, συγκρίνουμε τα αποτελέσματά μας με προσομοιώσεις των μοντέλων RAMS/ICLAMS, BSC- DREAM8b, SKIRON/Dust. Συνοπτικά, στην εργασία αυτή περιγράφουμε την αρχή λειτουργίας ενός συστήματος lidar και παρέχουμε το θεωρητικό υπόβαθρο του συστήματος τηλεπισκόπησης laser (κεφάλαιο 2). Στη συνέχεια παρουσιάζουμε το σταθμό παρατήρησης και την μετεωρολογία της περιοχής (παράγραφος 3.1) για να προχωρήσουμε στην αναλυτική περιγραφή του οργάνου (παράγραφος 3.2) και των μοντέλων που χρησιμοποιήθηκαν (παράγραφοι 3.6, 3.7, 3.8). Δίνεται επίσης εκτενής περιγραφή της μεθόδου που χρησιμοποιήθηκε για την εκτίμηση της κατακόρυφης συγκέντρωσης μάζας των διαφορετικών τύπων σωματιδίων με μετρήσεις lidar (παράγραφοι 3.3, 3.4). Τέλος, εξετάζουμε αναλυτικά τις τρεις περιπτώσεις μελέτης (κεφάλαιο 4) και ολοκληρώνουμε την εργασία παραθέτοντας τα συμπεράσματα που προέκυψαν (κεφάλαιο 5). 5

18 Τηλεπισκόπηση της ατμόσφαιρας με τη χρήση lidar 2. Τηλεπισκόπηση της ατμόσφαιρας με τη χρήση συστημάτων LIDAR Η τηλεπισκόπηση των ατμοσφαιρικών παραμέτρων με τη χρήση πηγών laser πραγματοποιήθηκε για πρώτη φορά το 1962 από τους Fiocco και Smullin (1963) και αφορούσε στην ανίχνευση του στρώματος των αιωρούμενων σωματιδίων της ατμόσφαιρας σε ύψος 20 km. Έκτοτε η ραγδαία ανάπτυξη στην τεχνολογία κατασκευής πηγών laser, επέτρεψε το σχεδιασμό και την υλοποίηση εξελιγμένων διατάξεων, οι οποίες βασίζονται στην μελέτη και καταγραφή της αλληλεπίδρασης του φωτός, που εκπέμπει μια πηγή laser με τα διάφορα συστατικά της ατμόσφαιρας, σαν συνάρτηση της απόστασης. Το lidar είναι ακρωνύμιο του όρου «LIght Detection And Ranging» και πρόκειται για ένα όργανο (σύστημα ενεργούς τηλεπισκόπησης) με το οποίο μετράμε το αποτέλεσμα της διαμόρφωσης της ακτινοβολίας από τα συστατικά της ατμόσφαιρας. Η τεχνική lidar βασίζεται στην εκπομπή ενός παλμού μονοχρωματικής ακτινοβολίας laser, στην μέτρηση της επανασκεδαζόμενης ακτινοβολίας από τα μόρια και τα σωματίδια της ατμόσφαιρας και στην καταγραφή του χρόνου που μεσολαβεί ανάμεσα στην εκπομπή και στη λήψη, η οποία αντιστοιχεί στην απόσταση των σκεδαστών από την πηγή laser. Αυτός ο τρόπος λειτουργίας αποδίδει τελικά μια εικόνα της καθ ύψους κατανομής των συστατικών του ατμοσφαιρικού αέρα, ο οποίος υπάρχει πάνω από το όργανο βασισμένοι στις οπτικές ιδιότητες των συστατικών του. Στο κεφάλαιο αυτό θα αναφερθούμε αναλυτικά στην αρχή λειτουργίας και την διάταξη του οργάνου, στα κυριότερα οπτικά φαινόμενα αλληλεπίδρασης του φωτός με τα συστατικά της ατμόσφαιρας, στις οπτικές ιδιότητες που μπορούν να μετρηθούν με ένα σύστημα lidar καθώς επίσης και στις αβεβαιότητες που δημιουργούνται κατά την μέτρηση. 2.1 Αρχή λειτουργίας lidar Η τεχνική της τηλεπισκόπησης µε χρήση ακτινοβολίας laser, έχει καθιερωθεί διεθνώς ως µία αποτελεσματική και αξιόπιστη μέθοδος μελέτης και παρακολούθησης των βασικότερων χαρακτηριστικών της ατμόσφαιρας. Εξαιτίας της υψηλής χωρικής (της 6

19 Τηλεπισκόπηση της ατμόσφαιρας με τη χρήση lidar τάξης των m) και χρονικής (της τάξης των 1-15 min) ακρίβειας των μετρήσεων η τεχνική lidar αποτελεί µία πανίσχυρη και πρωτοποριακή μέθοδο παρατήρησης της μεταβολής των σημαντικότερων μετεωρολογικών και ατμοσφαιρικών συστατικών καθ ύψος, από την επιφάνεια του εδάφους έως τα km, ανάλογα με την ένταση της πηγής laser. Υπάρχουν, λοιπόν διατάξεις που βασίζονται στη σκέδαση της ακτινοβολίας laser κατά Rayleigh, στη σκέδαση Mie, στη σκέδαση Raman, στη σκέδαση συντονισμού, στο φθορισμό, στην απορρόφηση καθώς και στη διαφορική σκέδαση απορρόφηση. Στον Πίνακα 1, αναφέρουμε τα πιο βασικά φαινόμενα που λαμβάνουν χώρα κατά την αλληλεπίδραση μιας δέσμης laser και των σωματιδίων της ατμόσφαιρας, που αυτή συναντά κατά την πορεία της (Weitcamp, 2005). Πίνακας 1: Φυσική περιγραφή των οπτικών φαινομένων Οπτικό φαινόμενο Απορρόφηση Φθορισμός Σκέδαση Φυσική περιγραφή Η αφαίρεση ενέργειας από μια δέσμη φωτός χωρίς επανεκπομπή. Πραγματοποιείται όταν το μήκος κύματος συμπίπτει με την ζώνη απορρόφησης του εν λόγω μορίου. Η αφαίρεση ενέργειας από μια δέσμη φωτός και στην συνέχεια η καθυστερημένη επανεκπομπή, συνήθως σε όλες τις κατευθύνσεις, στο αρχικό ή σε διαφορετικό (συνήθως μεγαλύτερο) μήκος κύματος. Η αλλαγή διεύθυνσης ενός φωτονίου ή μιας δέσμης φωτός. Εξασθένιση Η αφαίρεση ενέργειας από μια δέσμη φωτός από το συνδυαστικό αποτέλεσμα της απορρόφησης, της σκέδασης και του φθορισμού. Οπισθοσκέδαση Σκέδαση σε γωνία 180 ο σε σχέση με την προσπίπτουσα δέσμη φωτός. Ελαστική σκέδαση Σκέδαση χωρίς αλλαγή στο μήκος κύματος μεταξύ προσπίπτουσας και σκεδαζόμενης ακτινοβολίας: Άθροισμα της σκέδασης Mie και Rayleigh. Σκέδαση Mie Ελαστική σκέδαση από αιωρούμενα σωματίδια και σταγόνες νεφών στα μήκη κύματος που αναφερόμαστε (355 και 532 nm). Σκέδαση Rayleigh Ελαστική σκέδαση από ατμοσφαιρικά μόρια στα μήκη κύματος που αναφερόμαστε (355 και 532 nm). Σκέδαση Raman Μη ελαστική σκέδαση που συμπεριλαμβάνει την αλλαγή του επιπέδου ενέργειας περιστροφής/ταλάντωσης του μορίου. Η αλλαγή της συχνότητας της σκεδαζόμενης ακτινοβολίας αντιστοιχεί στην διαφορά ενέργειας μεταξύ της αρχικής και τελικής κατάστασης του μορίου. Αποπόλωση Η μερική οπισθοσκέδαση γραμμικά πολωμένης δέσμης φωτός σε ένα επίπεδο πόλωσης (κάθετο ή παράλληλο) στην διεύθυνση διάδοσης της δέσμης. 7

20 Τηλεπισκόπηση της ατμόσφαιρας με τη χρήση lidar Διαφορική σκέδαση - απορρόφηση Η διαφορική εξασθένιση δύο ακτινών laser, όπως προκύπτει από τα οπισθοσκεδαζόμενα σήματα, όταν η συχνότητα της μίας ακτίνας συμπίπτει με τη συχνότητα γνωστής μοριακής μετάπτωσης, ενώ η συχνότητα της άλλης είναι ακριβώς μετά ή πριν από αυτή τη χαρακτηριστική συχνότητα Το lidar Polly XT, που χρησιμοποιήθηκε για τις ανάγκες της παρούσας μελέτης, λειτουργεί με βάση τις εξής φυσικές διεργασίες: τη σκέδαση Mie, Rayleigh καθώς και τη σκέδαση Raman, δηλαδή βασίζεται στις αρχές της ελαστικής και ανελαστικής σκέδασης. Η σκέδαση Rayleigh είναι η ελαστική σκέδαση από σωματίδια που είναι σχετικά μικρά συγκρινόμενα με το μήκος κύματος της σκεδαζόμενης ακτινοβολίας και συνήθως χρησιμοποιείται ως συνώνυμο της σκέδασης από τα μόρια της ατμόσφαιρας. Η γήινη ατμόσφαιρα αποτελείται κατά 99% από άζωτο και οξυγόνο και για αυτόν τον λόγο θεωρούμε αυτά τα δύο αέρια σαν πηγή της σκέδασης Rayleigh. Η ένταση της σκεδαζόμενης ακτινοβολίας Rayleigh είναι αντιστρόφως ανάλογη της τέταρτης δύναμης του μήκους κύματος της ακτινοβολίας. Επίσης ως σκέδαση Rayleigh ορίζεται η ελαστική σκέδαση της ακτινοβολίας χωρίς την αλλαγή της κβαντικής κατάστασης των μορίων, δηλαδή της ενέργειας ταλάντωσης και της ενέργειας δόνησης. Ο όρος σκέδαση Mie αναπτύχθηκε από τον Gustav Mie (Mie, 1908) και δίνει την αναλυτική επίλυση της σκέδασης της ακτινοβολίας οποιουδήποτε μήκους κύματος από μια σφαίρα οποιασδήποτε ακτίνας και με οποιοδήποτε μιγαδικό δείκτη διάθλασης. Έτσι, η σκέδαση Mie δεν περιορίζεται σε ένα συγκεκριμένο μέγεθος σκεδαστών, καθώς συμπεριλαμβάνει ακόμα και την σκέδαση Rayleigh. Παρόλα αυτά, ο όρος χρησιμοποιείται για να περιγράψει την σκέδαση από σωματίδια με μέγεθος συγκρινόμενο με το μήκος κύματος της ακτινοβολίας ή και μεγαλύτερα. Η φασματική εξάρτηση του σκεδαζόμενου φωτός είναι συνάρτηση της ακτίνας του σωματιδίου σε σχέση με το μήκος κύματος και του μιγαδικού δείκτη διάθλασης. Οι «μικροί» (Rayleigh) σκεδαστές όπως αναφέραμε δείχνουν την λ -4 εξάρτηση. Η σκέδαση από πολύ μεγάλα σωματίδια δεν εξαρτάται από το μήκος κύματος της ακτινοβολίας. Στην περιοχή εκείνη όπου το μέγεθος των σωματιδίων και το μήκος κύματος της ακτινοβολίας είναι παρόμοιας τάξης μεγέθους, η φασματική εξάρτηση της 8

21 Τηλεπισκόπηση της ατμόσφαιρας με τη χρήση lidar έντασης της σκεδαζόμενης ακτινοβολίας ποικίλει. Για αυτό τον λόγο η φασματική εξάρτηση της έντασης του σκεδαζόμενου φωτός μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να αντλήσουμε πληροφορίες για το μέγεθος και άλλες παραμέτρους ατμοσφαιρικών συστατικών για σωματίδια από 50 nm μέχρι και μερικά μm. Η εφαρμογή αυτών των τεχνικών απαιτεί την εκπομπή διαφόρων μηκών κύματος και τον ανεξάρτητο προσδιορισμό των συντελεστών οπισθοσκέδασης και εξασθένισης. Στην πραγματικότητα τα σωματίδια στην ατμόσφαιρα κάθε άλλο παρά τέλειες σφαίρες είναι και επομένως η προσέγγιση της θεωρίας Mie δεν περιγράφει ικανοποιητικά τα αιωρούμενα σωματίδια. Πιο συγκεκριμένα, όσο τα σωματίδια είναι μικρά, συγκρινόμενα με το μήκος κύματος της ακτινοβολίας που αλληλοεπιδρούν, το σχήμα τους δεν παίζει σημαντικό ρόλο στις σκεδαστικές διαδικασίες. Εάν όμως τα σωματίδια είναι μεγάλα και μη-σφαιρικά, όπως οι παγοκρύσταλοι, η σκόνη από τις ερήμους, ή τα θαλάσσια σωματίδια, δεν μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε την θεωρία της σκέδασης Mie. Το lidar ελαστικής οπισθοσκέδασης είναι η πιο συνήθης μορφή lidar, συχνά δε ονομάζεται και Rayleigh-Mie lidar, μιας και η αρχή λειτουργίας του στηρίζεται στις αντίστοιχες θεωρίες. Η σκέδαση Raman είναι διεργασία ανελαστικής σκέδασης και περιλαμβάνει την αλλαγή στην ενέργεια ταλάντωσης δόνησης του μορίου. Η συχνότητα αλλαγής της σκεδαζόμενης ακτινοβολίας αντιστοιχεί στην ενεργειακή διαφορά μεταξύ της αρχικής και της τελικής κατάστασης του μορίου και επομένως είναι συγκεκριμένη για κάθε μόριο. Η αλλαγή του ενεργειακού επιπέδου ταλάντωσης των μορίων αντιστοιχεί σε αλλαγή της συχνότητας από μερικές εκατοντάδες μέχρι μερικές χιλιάδες κυματάριθμους ανάλογα με το μόριο που υφίσταται τη σκέδαση Raman. Η φασματική ανάλυση της οπισθοσκεδαζόμενης ακτινοβολίας οδηγεί στην ανίχνευση πλήθους ατμοσφαιρικών συστατικών. Αξίζει να σημειωθεί ότι κάθε φωτόνιο που ανιχνεύεται από το σύστημα lidar έχει σκεδαστεί περισσότερες από μία φορές κατά την διάρκεια της πορείας του μέσα στην ατμόσφαιρα, ειδικά αν η συγκέντρωση των σωματιδίων σε εκείνη την περιοχή είναι υψηλή ή αν τα σωματίδια είναι μεγάλα, όπως στην περίπτωση της σκόνης. Είναι εύκολα κατανοητό ότι το μέγεθος των σωματιδίων παίζει σημαντικό ρόλο. Τα μεγάλα σωματίδια εμφανίζουν ισχυρή εμπρόσθια σκέδαση λόγω της διάθλασης του φωτός 9

22 Τηλεπισκόπηση της ατμόσφαιρας με τη χρήση lidar (light diffraction). Τα φωτόνια που σκεδάζονται σε γωνία κοντά στις 0 ο παραμένουν στο οπτικό πεδίο του τηλεσκοπίου και μπορούν να οπισθοσκεδαστούν (ή το φωτόνιο μπορεί να οπισθοσκεδαστεί και στην συνέχεια υφίσταται πολλαπλής τάξης εμπρόσθια σκέδαση πριν να φτάσει το τηλεσκόπιο του συστήματος lidar). Το φαινόμενο αυτό (επηρεάζει τα αποτελέσματα των μετρήσεων) είναι γνωστό ως πολλαπλή σκέδαση. 2.2 Συστήματα lidar Τα συστήματα lidar βασίζονται στην εκπομπή παλμικής ακτινοβολίας laser στην ατμόσφαιρα και ακολούθως, στην καταγραφή της οπισθοσκεδαζόμενης ακτινοβολίας laser. Η ατμόσφαιρα αποτελούμενη από άτομα, µόρια, αιωρούμενα σωματίδια κλπ. προκαλεί εξασθένιση της διερχόμενης ακτινοβολίας laser. Η σκεδαζόμενη ακτινοβολία συλλέγεται από ένα οπτικό τηλεσκόπιο και οδηγείται στο σύστημα λήψης και καταγραφής των σημάτων lidar (Weitkamp, 2005). Η τεχνική lidar, αναλύοντας τα οπισθοσκεδαζόμενα σήματα που προέρχονται από την αλληλεπίδραση των συστατικών της ατμόσφαιρας µε την ακτινοβολία laser, είναι ικανή να καθορίσει την κατακόρυφη κατανομή των κυριότερων ρύπων και συστατικών της ατμόσφαιρας µε µεγάλη χωρική (~15-50 m) και χρονική ακρίβεια (1-15 min). Σχήμα 2: Αρχή λειτουργία της τεχνικής lidar 10

23 Τηλεπισκόπηση της ατμόσφαιρας με τη χρήση lidar Συνεπώς, ένα σύστημα lidar αποτελείται από 5 βασικά υποσυστήματα: (1) έναν πομπό (παλμικό laser), (2) μία διάταξη οπτικών για την εκπομπή της δέσμης, (3) ένα οπτικό σύστημα υποδοχής της επιστρεφόμενης ακτινοβολίας, (4) έναν ανιχνευτή και (5) ένα ηλεκτρονικό σύστημα για την επεξεργασία, απεικόνιση και αποθήκευση των μετρήσεων. Η βασική δομή ενός συστήματος lidar απεικονίζεται στο σχήμα 4. Σχήμα 3: Τυπική διάταξη ενός συστήματος lidar Πιο συγκεκριμένα η χρησιμοποιούμενη παλμική πηγή laser, μετά από επεξεργασία κατευθύνεται με κάτοπτρα κατακόρυφα προς τον ουρανό. Στην πορεία του ο παλμός οπισθοσκεδάζεται από τον ατμοσφαιρικό αέρα. Ένα μέρος της οπισθοσκεδαζόμενης ακτινοβολίας συλλέγεται από το τηλεσκόπιο, διαχωρίζεται φασματικά, ενισχύεται και τέλος μετατρέπεται σε ηλεκτρικό σήμα. Η διαδικασία αυτή λαμβάνει χώρα στον οπτικό αναλυτή. Μαζί με την καταγραφή του σήματος γίνεται και η ψηφιοποίηση του ως συνάρτηση του χρόνου. Με την εκπομπή νέου παλμού τελειώνει η καταγραφή του προηγούμενου. Η πληροφορία μεταφέρεται σε ηλεκτρονικό υπολογιστή. Θεωρώντας ότι η ταχύτητα του φωτός είναι σταθερή στον αέρα (n=1.0003) μπορούμε να 11

24 Τηλεπισκόπηση της ατμόσφαιρας με τη χρήση lidar μετατρέψουμε τον χρόνο σε ύψος. Μεταφέροντας το σήμα σε υπολογιστή μπορούμε να το μετατρέψουμε από ένταση ηλεκτρικού ρεύματος καθ ύψος σε τιμές του συντελεστή οπισθοσκέδασης του ατμοσφαιρικού αέρα καθ ύψος. Συγκρίνουμε το σήμα της μέτρησης με το σήμα το οποίο θεωρητικά θα είχαμε σε μια καθαρή, μοριακή ατμόσφαιρα (μόνο άζωτο και οξυγόνο) και από τις διαφορές τους μπορούμε, σε πρώτη φάση να ανιχνεύσουμε ένα στρώμα σωματιδίων και να υπολογίσουμε το ύψος των νεφών. Η διάταξη η οποία περιγράφηκε προϋποθέτει την εκπομπή ακτινοβολίας τουλάχιστον ενός μήκους κύματος και ονομάζεται lidar οπισθοσκέδασης. Είναι η απλούστερη δυνατή. Χρησιμοποιώντας περισσότερα μήκη κύματος κατά την εκπομπή και την ανίχνευση μπορούν να μετρηθούν επιπλέον οπτικές ιδιότητες του ατμοσφαιρικού αέρα (αιωρούμενων σωματιδίων) όπως ο συντελεστής εξασθένισης ή ο εκθέτης Ångström καθώς και μεγέθη όπως η θερμοκρασία ή η υγρασία καθ ύψος. Τα είδη των ατμοσφαιρικών και µετεωρολογικών παραμέτρων που είναι δυνατόν να μετρηθούν µε την τεχνική lidar είναι πολλά και συνεχώς αυξανόμενα. Η ανίχνευση και ανάλυση της οπισθοσκεδαζόμενης ακτινοβολίας laser στον κατακόρυφο άξονα, επιτρέπει τη µέτρηση των οπτικών και φυσικών ιδιοτήτων των αιωρούμενων σωματιδίων, των υδρατμών, των απόλυτων συγκεντρώσεων αέριων ρύπων ή και αερίων του θερμοκηπίου (π.χ. O3, CO2, NOx, SO2), του ύψους και του πάχους των νεφών στην ατμόσφαιρα, και τη δομή - ύψος του Ατμοσφαιρικού Οριακού Στρώματος, µε µεγάλη χρονική και χωρική ακρίβεια. Στην περίπτωση ενός συστήματος που δύναται να εκτελέσει τρισδιάστατη σάρωση της ατμόσφαιρας, είναι δυνατή η αντίστοιχη τρισδιάστατη απεικόνιση της ατμοσφαιρικής ρύπανσης σε τυπικές αποστάσεις 5-10 χιλιομέτρων. 12

25 Τηλεπισκόπηση της ατμόσφαιρας με τη χρήση lidar 2.3 Προσδιορισμός οπτικών ιδιοτήτων των αιωρούμενων σωματιδίων με την χρήση lidar Οπτικές ιδιότητες των αιωρούμενων σωματιδίων Σε αυτό το σημείο θα αναφερθούμε στις βασικότερες οπτικές ιδιότητες των αιωρούμενων σωματιδίων που μπορούν να υπολογιστούν με ένα επίγειο σύστημα lidar. Ο πίνακας 2 παρουσιάζει συνοπτικά τις οπτικές ιδιότητες των αιωρούμενων σωματιδίων. Πίνακας 2: Οπτικές ιδιότητες αιωρούμενων σωματιδίων παραγόμενες με μετρήσεις lidar Ιδιότητα Σύμβολο Μονάδες Χωρικός συντελεστής εξασθένισης σωματιδίων Χωρικός συντελεστής οπισθοσκέδασης σωματιδίων a par m -1 β par m -1 sr -1 Λόγος Lidar S sr Συντελεστής αποπόλωσης δ par αδιάστατο Εκθέτης Ångström λόγω εξασθένισης Εκθέτης Ångström λόγω οπισθοσκέδασης Å α,par Å β,par αδιάστατο αδιάστατο Είναι σημαντικό να σημειώσουμε ότι οι συντελεστές εξασθένισης και οπισθοσκέδασης είναι παράμετροι που εξαρτώνται από την συγκέντρωση των αιωρούμενων σωματιδίων και χαρακτηρίζονται ως εvτατικά μεγέθη σε αντίθεση με τις άλλες παραμέτρους του πίνακα 2 που εξαρτώνται από τον τύπο, το μέγεθος και το σχήμα των σωματιδίων και είναι εκτατικά μεγέθη. Συγκεκριμένα, ο συντελεστής εξασθένισης εκφράζει την πιθανότητα ανά μονάδα οπτικής διαδρομής, να αφαιρεθεί ένα φωτόνιο από την αρχική ακτινοβολία λόγω σκέδασης ή/και απορρόφησης από το οπτικό μέσο. Ο συντελεστής οπισθοσκέδασης περιγράφει την σκέδαση της ακτινοβολίας σε γωνία 180 ο ως προς την προσπίπτουσα ακτινοβολία. Ο λόγος lidar είναι το πηλίκο του συντελεστή εξασθένισης προς τον συντελεστή οπισθοσκέδασης των αιωρούμενων σωματιδίων. Ο συντελεστής 13

26 Τηλεπισκόπηση της ατμόσφαιρας με τη χρήση lidar αποπόλωσης εκφράζει τον λόγο της συνιστώσας του κάθετα πολωμένου φωτός προς την συνιστώσα του παράλληλα πολωμένου φωτός σε ένα μήκος κύματος. Ο εκθέτης Ångström ο βασιζόμενος στους συντελεστές εξασθένισης εκφράζει την φασματική εξάρτηση των συντελεστών εξασθένισης που υπολογίζονται σε διαφορετικά μήκη κύματος. Ο εκθέτης Ångström, ο βασιζόμενος στους συντελεστές οπισθοσκέδασης εκφράζει την φασματική εξάρτηση του φάσματος των συντελεστών οπισθοσκέδασης που υπολογίζονται σε διαφορετικά μήκη κύματος Επίσης ένα ακόμα χρήσιμο μέγεθος είναι το οπτικό βάθος (Optical Depth), το οποίο δηλώνει τη συνολική εξασθένιση την οποία υφίσταται ακτινοβολία η οποία περνά από στρώμα συγκεκριμένου πάχους. Όσο μεγαλύτερο το οπτικό βάθος ενός στρώματος ή όλης της ατμόσφαιρας τόσο μικρότερη η ορατότητα Εξίσωση lidar O προσδιορισμός των οπτικών ιδιοτήτων των αιωρούμενων σωματιδίων βασίζεται στην επίλυση των δύο εξισώσεων lidar. P(λ L, z) = C o O(z, λ o ) β par(λ L, z) + β mol (λ L, z) z 2 z exp { 2 [α par (λ L, ζ) + α mol (λ L, ζ)dζ]} 0 (2.1) P(λ R, z) = C o O(z, λ z R)N 2 R (z) dσ R(π) exp { z [α dω par(λ L, ζ) + α mol (λ L, ζ) + 0 α par (λ R, z) + α mol (λ R, z)dζ]} (2.2) Η εξίσωση (2.1) αναφέρεται στο επιστρεφόμενο σήμα εξαιτίας της ελαστικής οπισθοσκέδασης από τα σωματίδια και τα μόρια της ατμόσφαιρας (Fernald et al., 1972), ενώ η εξίσωση (2.2) περιγράφει το επιστρεφόμενο σήμα εξαιτίας της ανελαστικής σκέδασης Raman (Ansmann et al., 1992). Όπου P η καταγεγραμμένη ένταση του ηλεκτρικού σήματος lidar και η αντίστοιχη από σκέδαση Raman. O όρος C o z2 που εμφανίζεται είναι μία σταθερά του συστήματος, που περιλαμβάνει την εκπεμπόμενη ισχύ του παλμού και παραμέτρους που αφορούν την διάταξη του lidar και περιγράφουν την αποδοτικότητα των οπτικών και ανιχνευτικών 14

27 Τηλεπισκόπηση της ατμόσφαιρας με τη χρήση lidar διατάξεων στα αναφερόμενα μήκη κύματος. Ο λόγος dσ R(π) εκφράζει την διαφορική ενεργός διατομή οπισθοσκέδασης της σκέδασης Raman. Οι όροι O(z, λ o ) και O(z, λ R ) περιγράφουν την συνάρτηση αλληλοεπικάλυψης της εξερχόμενης δέσμης με το οπτικό πεδίο του τηλεσκοπίου. Τέλος, οι όροι βmol(λ,z) και βpar(λ,z) είναι οι συντελεστές οπισθοσκέδασης (backscatter coefficients) ενώ αmol(λ,z) και αpar(λ,z) είναι οι συντελεστές εξασθένισης (extinction coefficients) των μορίων και των σωματιδίων αντίστοιχα. z Ο εκθετικός όρος exp { 2 [α par (λ, z) + α mol (λ, z)dζ]} dz 0 dω είναι το τετράγωνο της ατμοσφαιρικής διαπερατότητας. Το 2 στον εκθέτη προκύπτει εξαιτίας της διπλής διαδρομής την οποία κάνουν τα φωτόνια στην ατμόσφαιρα από την εκπομπή ως την ανίχνευση Συντελεστής οπισθοσκέδασης των αιωρούμενων σωματιδίων Μέθοδος Raman Ο συντελεστής οπισθοσκέδασης β par (z, λ o ) μπορεί να υπολογισθεί με την συνδυαστική χρήση του ολικού (μόρια και σωματίδια) και ανελαστικού (μόρια) οπισθοσκεδαζόμενου σήματος. Αν πάρουμε τον λόγο του ελαστικά οπισθοσκεδαζόμενου σήματος από τα σωματίδια της ατμόσφαιρας προς το ανελαστικά οπισθοσκεδαζόμενο σήμα από το άζωτο σύμφωνα με τις δύο διαφορικές εξισώσεις lidar (1) και (2) μπορούμε να υπολογίσουμε τον συντελεστή οπισθοσκέδασης στο μήκος κύματος εκπομπής, σύμφωνα με την εξίσωση (2.3) (Ansmann et al., 1992): β par (z, λ o ) = β mol (z, λ o ) + [β par (z o, λ o ) + β par (z o, λ o )] z P(λ R,z o )P(λ o,z)n R (z) exp { [α aer (λ R,z)++ α mol (λ R,z)dz]} 0 z P(z o,λ o )P(λ R,z)N R (z o ) exp { [α aer (λ o,z)++ α mol (λ o,z)dz]} 0 (2.3) Στην περίπτωση αυτή και θεωρώντας ότι τα δύο σήματα έχουν την ίδια συνάρτηση αλληλοεπικάλυψης, O(z, λ o ) = O(z, λ R ), η επίδραση του φαινομένου μη αλληλεπικάλυψης μεταξύ της εκπεμπόμενης δέσμης και του οπτικού πεδίου του τηλεσκοπίου αναιρείται, γιατί ο συντελεστής οπισθοσκέδασης καθορίζεται από την 15

28 Τηλεπισκόπηση της ατμόσφαιρας με τη χρήση lidar κατακόρυφη κατανομή του λόγου των δύο σημάτων Ρ (λ ο, z) P(λ R, z). Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα ο συντελεστής οπισθοσκέδασης να μπορεί να υπολογισθεί ακόμα και για πολύ χαμηλά ύψη. Για την επίλυση της εξίσωσης (2.3) χρειάζεται να θεωρήσουμε τον συντελεστή οπισθοσκέδασης για τα σωματίδια σε ένα ύψος αναφοράς zo. Για να μειώσουμε την αβεβαιότητα σε αυτήν την θεώρηση επιλέγουμε το ύψος αναφοράς σε μια περιοχή στην ελεύθερη τροπόσφαιρα όπου η σκέδαση από αιωρούμενα σωματίδια είναι σχεδόν αμελητέα σε σχέση με την μοριακή σκέδαση. Η περιοχή αυτή ονομάζεται περιοχή βαθμονόμησης του σήματος. Σε αυτήν την περιοχή θεωρούμε ότι τα μόρια συνεισφέρουν μόλις κατά 10% στην συνολική οπισθοσκέδαση. Μέθοδος Klett Στην περίπτωση όπου είναι γνωστή η ολικά οπισθοσκεδαζόμενη ακτινοβολία χωρίς να γίνεται διάκριση μεταξύ της συνεισφοράς των μορίων και σωματιδίων εφαρμόζουμε την μέθοδο κατά Klett (Klett, 1981). Η πιο κρίσιμη παράμετρος κατά την επίλυση με την μέθοδο Klett είναι η σωστή υπόθεση της σχέσης μεταξύ του συντελεστή εξασθένισης και οπισθοσκέδασης, δηλαδή του λόγου lidar, για τον οποίο θα γίνει αναλυτικότερη αναφορά σε επόμενη παράγραφο. Σύμφωνα με την βιβλιογραφία, που αφορά την συγκεκριμένη μέθοδο, υπάρχουν αρκετοί περιορισμοί κατά την εφαρμογή αυτής της μεθόδου. Η αιτία πηγάζει στο γεγονός ότι οι δύο φυσικές παράμετροι, ο συντελεστής οπισθοσκέδασης και ο συντελεστής εξασθένισης, πρέπει να υπολογισθούν βάσει μιας μετρούμενης ποσότητας και αυτή είναι το ελαστικά οπισθοσκεδαζόμενο σήμα. Μετά την παραδοχή του σταθερού με το ύψος λόγου lidar, και για την περιοχή πλήρους επικάλυψης της δέσμης laser με το οπτικό πεδίο του τηλεσκοπίου, η εξίσωση του lidar μπορεί να λυθεί ως προς τον συντελεστή οπισθοσκέδασης των αιωρούμενων σωματιδίων με μία επιπλέον παραδοχή που αφορά την σταθερά βαθμονόμησης του συστήματος. Συνήθως θεωρούμε μία περιοχή βαθμονόμησης του συντελεστή οπισθοσκέδασης των αιωρούμενων σωματιδίων στο λεγόμενο ύψος αναφοράς. Συνεπώς, ο συντελεστής οπισθοσκέδασης μπορεί να υπολογιστεί από την σχέση: 16

29 Τηλεπισκόπηση της ατμόσφαιρας με τη χρήση lidar β par (λ, z) = β mol (λ, z) + + P(λ,z)z 2 z exp { 2(S par S mol ) β mol (λ,ζ)dζ} zo P(λ,zo)z2 o z βpar (z o )+β mol (z o ) 2S par P(λ,ζ)ζ 2 z exp { 2(S par S mol ) β mol (z )dz } dζ zo zo (2.4) Συντελεστής εξασθένισης των αιωρούμενων σωματιδίων Ο συντελεστής οπισθοσκέδασης Raman στο εκπεμπόμενο μήκος κύματος, όπως αναφέρθηκε και νωρίτερα, υπολογίζεται από την αριθμητική πυκνότητα των μορίων N R, που είναι το γινόμενο της μοριακής αριθμητικής πυκνότητας του αζώτου ή του οξυγόνου με την ενεργό διατομή κατά την Raman σκέδασης στο μήκος κύματος λ0 και σε γωνία σκέδασης 180 ο. Η σχέση που αποδίδει τον συντελεστή εξασθένισης είναι: β R (λ ο, z) = N R (z) dσ R(π,λ ο ) dω (2.5) Μέσω της εξίσωσης (2) και της εισαγωγής του εκθέτη Ångström (Å α,par ), που περιγράφει την φασματική εξάρτηση των συντελεστών εξασθένισης. Τελικά καταλήγουμε στη σχέση (Ansmann et al., 1990): α par (λ ο, z) = d dz ln N R (z) z 2 P(λ R,z) α mol (λ o,z) α mol (λ R,z) 1+( λ o λ R ) Å α,par(z) (2.6) Το σφάλμα που εισάγεται από μια εσφαλμένη εκτίμηση του εκθέτη Ångström, μπορεί να οδηγήσει σε αβεβαιότητα στον υπολογισμό του συντελεστή εξασθένισης μικρότερη του 10% (Ferrare et al., 1998) Λόγος lidar Ως λόγος lidar αναφέρεται το πηλίκο του συντελεστή εξασθένισης προς τον συντελεστή οπισθοσκέδασης των αιωρούμενων σωματιδίων, υπολογίζεται από τις κατακόρυφες κατανομές του συντελεστή εξασθένισης προς τον συντελεστή οπισθοσκέδασης σύμφωνα με την σχέση, στην περίπτωση των μετρήσεων Raman: 17

30 Τηλεπισκόπηση της ατμόσφαιρας με τη χρήση lidar S par (λ ο, z) = α par (λ ο,z) β par (λ ο,z) (2.7) Ο λόγος lidar εξαρτάται από την κατανομή μεγεθών, το σχήμα και την χημική σύνθεση των σωματιδίων, επομένως είναι μια παράμετρος που μεταβάλλεται καθ ύψος. Ο λόγος lidar εξαρτάται επίσης και από το μετρούμενο μήκος κύματος. Διαφορετικοί τύποι αιωρούμενων σωματιδίων μπορούν να χαρακτηριστούν ποιοτικά από την εκτίμηση του λόγου lidar. Στον πίνακα 3 παρουσιάζεται ο λόγος lidar στα 532 nm για διάφορα είδη αιωρούμενων σωματιδίων. Πίνακας 3:Τυπικές τιμές του λόγου lidar για διάφορα είδη αιωρούμενων σωματιδίων στα 532 nm όπως αυτές υπολογίσθηκαν μέσω Raman lidar. (Ansmann & Müller, 2005) Τύπος σωματιδίων S 532 [sr] Θαλάσσια σωματίδια Σωματίδια από ερήμους Αστικά σωματίδια μικρής απορρόφησης Συντελεστής γραμμικής αποπόλωσης των αιωρούμενων σωματιδίων Η πόλωση της λαμβανόμενης δέσμης laser σε σχέση με την πόλωση της εκπεμπόμενης περιέχει σημαντικές πληροφορίες σχετικά με το σχήμα των σωματιδίων. Συχνά οι όροι πόλωση και αποπόλωση χρησιμοποιούνται χωρίς τον προσδιορισμό «γραμμική». Η εξίσωση που μας επιτρέπει να υπολογίζουμε τον αριθμό των φωτονίων που ανιχνεύονται, σε κάθε κανάλι μέτρησης, για τα διάφορα μήκη κύματος και για κάθε διαφορετική κατάσταση πόλωσης της ληφθείσας δέσμης συγκριτικά με την εκπεμπόμενη είναι: Ρ, cτ λ (z) = P λ,0 C, 2 λ Ο, λ (z) β, λ (z) T 2 z 2 λ (z) (2.8) όπου P λ,0 είναι ο αριθμός των εκπεμπόμενων φωτονίων, c η ταχύτητα του φωτός, z το ύψος πάνω από το επίγειο σύστημα lidar. Ο όρος C περιγράφει την αποδοτικότητα του συστήματος σε δεδομένο κανάλι παρατήρησης. Ο(z) αφορά τη συνάρτηση επικάλυψης (overlap function) της δέσμης laser του συστήματος, η οποία κυμαίνεται από το μηδέν 18

31 Τηλεπισκόπηση της ατμόσφαιρας με τη χρήση lidar έως ένα. Οι όροι β λ και β λ είναι η κάθετη και η παράλληλη συνιστώσα του συντελεστή οπισθοσκέδασης, αντίστοιχα. Η κάθετη συνιστώσα του συντελεστή οπισθοσκέδασης εξαρτάται από την σφαιρικότητα των σωματιδίων και τα χαρακτηριστικά της μοριακής αποπόλωσης: β λ = β λ,mol + β λ,par (2.9) O λόγος του ελαστικού οπισθοσκεδαζόμενου, κάθετου και παράλληλου, πολωμένου φωτός ορίζεται ως ο λόγος αποπόλωσης όγκου (volume depolarization ratio): δ λ,ν = β λ β λ = β λ,mol β λ,mol +β λ,par +β λ,par (2.10) Κατά αναλογία, ο λόγος αποπόλωσης μορίων και σωματιδίων ορίζεται ως: και δ λ,mol = β λ,mol (2.11) β λ,mol δ λ,par = β λ,par (2.12) β λ,par Ο λόγος αποπόλωσης όγκου και σωματιδίου μπορεί να προσδιοριστεί με την μέθοδο lidar αποπόλωσης (Murayama et al., 1999; Cairo et al., 1999; Freudenthaler et al., 2009) μέσω των εξισώσεων 2.1 και 2.8. Αντί να μετρήσουμε την κάθετη και την παράλληλη πολωμένη οπισθοσκεδαζόμενη δέσμη φωτός, το σύστημα lidar Polly XT καταγράφει την ελαστικά οπισθοσκεδαζόμενη και την κάθετη πολωμένη ακτινοβολία φωτός. Κατ αυτόν τον τρόπο και σύμφωνα με τον Baars (2012), o λόγος αποπόλωσης όγκου μπορεί να ανακτηθεί από την κάθετη πολωμένη και την ελαστικά οπισθοσκεδαζόμενη ακτινοβολία μέσω της σχέσης: δ λ,νol = C δ Ρ λ λ Ρ λ Ρ D λ λ D Ρ λ C δ λ λ (2.13) Η σταθερά βαθμονόμησης C λ δ, η οποία έχει προσδιοριστεί για ατμόσφαιρα «καθαρή» από σωματίδια και το ληφθέν κάθετο πολωμένο και ελαστικά οπισθοσκεδαζόμενο σήμα, Ρ λ και Ρ λ, αντίστοιχα, προκύπτουν από το κανάλι αποπόλωσης και από το 19

32 Τηλεπισκόπηση της ατμόσφαιρας με τη χρήση lidar συνολικό κανάλι. Ο λόγος μετάδοσης για κάθετο και παράλληλο πολωμένο φως (D λ, D λ ) προσδιορίζονται πειραματικά. Αυτή η παράμετρος είναι ενδεικτική του σχήματος των σωματιδίων και επομένως επιτρέπει την διάκριση μεταξύ των μη-σφαιρικών σωματιδίων σκόνης από ερήμους και των ανθρωπογενών σωματιδίων, που γενικά είναι μικρά και επομένως εμφανίζουν σχεδόν αμελητέα αποπόλωση της ακτινοβολίας Εκθέτης Ångström Ο εκθέτης Ångström είναι χαρακτηριστικός του τύπου των αιωρούμενων σωματιδίων. Σε μελέτες σχετικές με τις οπτικές ιδιότητες των αιωρούμενων σωματιδίων και την επίδραση αυτών στο ισοζύγιο της ακτινοβολίας, μια σημαντική παράμετρος είναι και ο εκθέτης Ångström. Ο προσδιορισμός αυτής της παραμέτρου γίνεται όταν αναζητείται η εξάρτηση της σκέδασης από το μήκος κύματος της ακτινοβολίας και μπορεί να προσδιοριστεί τόσο σε σχέση με τον συντελεστή εξασθένισης όσο και με τον συντελεστή οπισθοσκέδασης (Ångström, 1964): Å,par = ln apar (λ 1,z) apar (λ 2,z) ln λ 1 λ2 = ln βpar (λ 1,z) βpar (λ 2,z) ln λ 1 λ2 (2.14) Ο εκθέτης Ångström εξαρτάται από την κατανομή του μεγέθους των αιωρούμενων σωματιδίων και από τον δείκτη διάθλασης, αλλά είναι ανεξάρτητος από την συγκέντρωση των σωματιδίων στην ατμόσφαιρα. Γενικά, ισχύει ότι η τιμή του δείκτη αυξάνει με την μείωση του μεγέθους του αερολύματος. Οι πληροφορίες που παρέχει ο συντελεστής αυτός είναι σχετικές με το μέγεθος των σωματιδίων που επικρατούν στην μάζα της ατμόσφαιρας. Για καταστάσεις όπου η σκέδαση προέρχεται από σωματίδια διαμέτρου μικρότερης από 1 μm (fine) π.χ. νιτρικά, θειικά και καύση βιομάζας, ο δείκτης Ångström παίρνει τιμές κοντά στο 2, ενώ για μεγαλύτερα σωματίδια διαμέτρου λίγων μm (coarse) π.χ. σκόνη και θαλάσσιο άλας, παίρνει τιμές κοντά στο μηδέν 20

33 Τηλεπισκόπηση της ατμόσφαιρας με τη χρήση lidar Αβεβαιότητα οπτικών παραμέτρων Σε αυτή την υποενότητα θα αναφέρουμε ορισμένα βασικά σφάλματα που αναφέρονται στο σύστημα lidar, Polly XT. Οι κυριότερες πηγές σφάλματος του συντελεστή εξασθένισης είναι τέσσερις και αναφέρονται εν συντομία: (1) αβεβαιότητα στην εκτίμηση του εκθέτη Ångström, (2) λανθασμένη χρήση της εξασθένισης του φωτός από τα μόρια, μέσω χρήσης λανθασμένης κατανομής της πυκνότητας του αέρα, (3) σφάλματα στην εκτίμηση της συνάρτησης αλληλοεπικάλυψης, η αβεβαιότητα αυτή αυξάνει με την μείωση της απόστασης από το σύστημα lidar, όπου η τιμή της συνάρτησης αυτής είναι χαμηλή και μεταβάλλεται πολύ γρήγορα με την απόσταση, (4) σφάλματα κατά την διαδικασία άθροισης πολλών σημάτων, όταν οι οπτικές ιδιότητες της ατμόσφαιρας μεταβάλλονται κατά την διάρκεια της μέτρησης. Αντίστοιχα σφάλματα επηρεάζουν και την εκτίμηση του συντελεστή οπισθοσκέδασης όταν αυτός προκύπτει με την μέθοδο Raman. Αβεβαιότητα υπεισέρχεται εξαιτίας των παρακάτω: (1) της υπόθεσης του ύψους αναφοράς, δηλαδή του ύψους εκείνου όπου θεωρούμε αμελητέα την ύπαρξη σωματιδίων, (2) λανθασμένη χρήση της εξασθένισης του φωτός από τα μόρια, μέσω χρήσης λανθασμένης κατανομής της πυκνότητας του αέρα, (3) σφάλμα εξαιτίας της αμελητέας διαφοράς διαπερατότητας της ακτινοβολίας από τα σωματίδια στα μήκη κύματος λ ο και λ R και τέλος (4) σφάλμα στην άθροιση του σήματος. Όσον αφορά τον συντελεστή οπισθοσκέδασης που προκύπτει από την μέθοδο Klett, η εκτίμηση του σφάλματος είναι πολύπλοκη. Σε αυτήν την περίπτωση πρέπει να υποτεθεί ο λόγος lidar. Διαφορές στις τιμές του λόγου lidar από 20 έως 100 sr επιφέρουν διαφορές στην εκτίμηση του συντελεστή οπισθοσκέδασης από -40% έως 80% και από -20% έως και 30% για τα 532 nm. Χρησιμοποιώντας, είτε την πλησιέστερη Raman μέτρηση, είτε κλιματολογικές τιμές (Amiridis et al., 2005a), μπορούμε να εκτιμήσουμε αυτήν την παράμετρο με ακρίβεια της τάξης του 20%. Τα σφάλματα που προκύπτουν για τον λόγο lidar και τον εκθέτη Ångström εξαρτώνται από τα αντίστοιχα σφάλματα του συντελεστή εξασθένισης και οπισθοσκέδασης. Η ακρίβεια με την οποία προκύπτουν οι εν λόγω ποσότητες είναι της τάξης του 15%- 40%. Η επίδραση του φαινομένου της πολλαπλής σκέδασης στις οπτικές ιδιότητες των αιωρούμενων σωματιδίων μπορεί να θεωρηθεί αμελητέα. (Bissonnette, 1988;2005; Eloranta, 1998; Wandinger,1998; Giannakaki et al., 2007) 21

34 Μεθοδολογία 3. Μεθοδολογία 3.1 Σταθμός παρατήρησης - μετεωρολογία περιοχής Σε αυτή την παράγραφο θα παρουσιαστούν τα χαρακτηριστικά του σταθμού παρατήρησης καθώς και η μετεωρολογία της υπό μελέτης περιοχής. Η Φινοκαλιά ( ο Ν, ο Ε) είναι παραθαλάσσια και βρίσκεται στο βόρειο τμήμα της Κρήτης (Σχήμα 4). Το πλησιέστερο μεγάλο αστικό κέντρο με κατοίκους τοποθετείται 70 χλμ δυτικά της Φινοκαλιάς. Ο σταθμός βρίσκεται στην κορυφή ενός μικρού λόφου (252 m above sea level (asl)) και έχει ανεμπόδιστη θέα στη θάλασσα με εύρος από 270 ο έως 90 ο. Σε απόσταση 3 km νότια του σταθμού υπάρχει ένα μικρό χωριό με μόλις 10 κατοίκους. Προκύπτει, λοιπόν, ότι δεν υπάρχει καμία σημαντική ανθρωπογενής δραστηριότητα, η οποία να λαμβάνει χώρα, σε απόσταση μικρότερη από 15 km από την περιοχή του σταθμού. Σχήμα 4: Τοποθεσία του σταθμού της Φινοκαλιάς. Όσον αφορά την μετεωρολογία της περιοχής, χαρακτηρίζεται από την ύπαρξη δύο καλά διαχωρισμένων εποχών, που κατανέμονται καθ όλη την διάρκεια του έτους: η ξηρή περίοδος (από τον Απρίλιο έως τον Σεπτέμβριο) και την υγρή περίοδος (από τον Οκτώβριο έως τον Απρίλιο). Κατά την διάρκεια της ξηρής περιόδου επικρατούν σε ποσοστό 90% Β/ΒΔ άνεμοι με υψηλή ταχύτητα, ενώ κατά την υγρή περίοδο επικρατούν Ν/ΝΔ, με αποτέλεσμα η μεταφορά σκόνης από την Σαχάρα έρημο να είναι συχνά εμφανής στις καταγραφές του σταθμού. 22

35 Μεθοδολογία Σχήμα 5: Ανάλυση συστοιχιών των οπίσθιων τροχιών. Προέλευση αέριων μαζών ανάλογα με τους επικρατούντες ανέμους. ( finokalia.chemistry.uoc.gr/) Στην συνέχεια θα αναφερθούμε στους επικρατέστερους τύπους αιωρούμενων σωματιδίων που παρατηρούνται στην περιοχή μελέτης μας και συγκεκριμένα στα θαλάσσια σωματίδια (παράγραφος 3.1.1) και στα σωματίδια από την περιοχή της Σαχάρας (παράγραφος 3.1.2) Θαλάσσια αιωρούμενα σωματίδια Τα θαλάσσια αιωρούμενα σωματίδια αποτελούνται από υδροσταγονίδια που περιέχουν άλατα (sea salt) και παράγονται είτε λόγω της τάσης του ανέμου που εφαρμόζεται στην επιφάνεια του ωκεανού είτε με την απελευθέρωση διμεθυλοσουλφιδίου (DMS) από το φυτοπλαγκτόν (Hoppel et al., 1990; Heintzenberg et al., 2000; Smirnov et al., 2002). Εξαιτίας του ότι οι μικροφυσικές και οπτικές ιδιότητες του προαναφερθέν αιωρούμενου σωματιδίου είναι σε μεγάλο βαθμό κατανοητές, προκύπτει ότι ο διαχωρισμός του μεταξύ άλλων σωματιδίων μπορεί να είναι αρκετά σαφής, όσον αφορά τις οπτικές ιδιότητές του (Schwarz, 2016). Συνοπτικά αναφέρεται ότι τα θαλάσσια αιωρούμενα σωματίδια είναι σε υγρή μορφή, σχετικά μεγάλα σε μέγεθος και μη απορροφητικά. Όσον αφορά τις οπτικές τους παράμετροι, ο εκθέτης Ångström έχει μικρή τιμή, ο λόγος lidar είναι μικρός και κυμαίνεται μεταξύ sr και ο 23

36 Μεθοδολογία συντελεστής αποπόλωσης είναι μικρότερος από 10% (Franke et al., 2001, 2003; Cattrall et al., 2005; Müller et al., 2007a; Burton et al., 2012; Dawson et al., 2015). Σε ηπειρωτικές περιοχές είναι δύσκολο να παρατηρηθούν καθαρά θαλάσσια σωματίδια. Πιθανές περιοχές προέλευσης είναι ο Β. Ατλαντικός, η Βαλτική Θάλασσα, η Μεσόγειος Θάλασσα και ο Εύξεινος Πόντος (Μαύρη Θάλασσα). Ο υψηλός πληθυσμός στις παράκτιες ευρωπαϊκές περιοχές σε συνδυασμό με την έντονη θαλάσσια κυκλοφορία δημιουργούν ένα μίγμα θαλάσσιων και ανθρωπογενών αερολυμάτων, το οποίο πρέπει να ληφθεί υπόψη κατά την επεξεργασία δεδομένων από σταθμούς κοντά στη Βόρεια Θάλασσα ή τη Μεσόγειο Θάλασσα (Wandinger et al., 2004). Επιπλέον, η ορογραφία της εκάστοτε περιοχής μπορεί να συμβάλει σημαντικά στις συνθήκες τις παράκτιας κυκλοφορίας, περιπλέκοντας τα αποτελέσματα παρατήρησης και καταγραφής Αιωρούμενα σωματίδια σκόνης Τα σωματίδια ορυκτής σκόνης προέρχονται από την διάβρωση του εδάφους λόγω της τάσης του ανέμου, κυρίως σε ξηρές περιοχές (Prospero et al., 2002). Η κινητοποίηση των σωματιδίων σκόνης και η ποσότητα αυτής που τελικά εισχωρεί στην ατμόσφαιρα εξαρτάται άμεσα από τις δυναμικές διεργασίες που θα λάβουν χώρα στην περιοχή παραγωγής τους. Συχνά τα σωματίδια σκόνης μπορούν να μεταφερθούν σε αποστάσεις αρκετών χιλιάδων χιλιομέτρων μακριά από το σημείο δημιουργίας τους (Ansmann et al., 2003; Mahowald et al., 2014). Η σημαντικότερη πηγή παραγωγής αιωρούμενων σωματιδίων σκόνης παγκοσμίως είναι η έρημος Σαχάρα (Dubovik et al., 2008), της οποίας οι εκπομπές επηρεάζουν τόσο την Ευρώπη αρκετά συχνά (Ansmann et al., 2003; Müller et al., 2003b; Papayannis et al., 2008), όσο και άλλες περιοχές της γης όπως το δάσος του Αμαζονίου (Ansmann et al., 2009; Baars et al., 2011) τα νησιά Μπαρμπέιντος (Weinzierl et al., 2014) και τον κόλπο του Μεξικού (Liu et al., 2008). Οι ιδιότητες των αιωρούμενων σωματιδίων σκόνης διαφέρουν σημαντικά σε σχέση με άλλα είδη αερολυμάτων, συνεπώς ο διαχωρισμός τους είναι συχνά αρκετά εύκολος. Το πιο αξιοσημείωτο χαρακτηριστικό που αφορά τις οπτικές ιδιότητες των σωματιδίων της σκόνης είναι το μεγάλο τους μέγεθος και το μη σφαιρικό σχήμα τους. Το μέγεθός 24

37 Μεθοδολογία τους έχει ως αποτέλεσμα μικρή φασματική εξασθένιση και οπισθοσκέδαση, για παράδειγμα ο εκθέτης Ångström λαμβάνει τιμές της τάξης Το σχήμα τους έχει ως συνέπεια την καταγραφή μεγαλύτερων τιμών του λόγου lidar (Mattis et al., 2002) όπως επίσης προκαλεί σημαντική αποπόλωση στην οπισθοσκεδαζόμενη ακτινοβολία. Σε αυτό το σημείο αξίζει να σημειωθεί ότι για την παράμετρο του λόγου lidar για τα σωματίδια σκόνης έχουν καταγραφεί ποικίλες τιμές οι οποίες φαίνεται να εξαρτώνται τόσο από την περιοχή παραγωγής της σκόνης όσο και από την πορεία που ακολούθησε η συγκεκριμένη αέρια μάζα μέσα στην ατμόσφαιρα (Schwarz, 2016). Έτσι όταν η αέρια μάζα μεταφέρεται στα χαμηλότερα στρώματα της ατμόσφαιρας και βρίσκεται πάνω από την επιφάνεια της θάλασσας, πραγματοποιείται μίξη των σωματιδίων σκόνης με τα θαλάσσια. Αυτή είναι μια συχνή κατάσταση όπως παρατηρείται στα δεδομένα της πειραματικής εκστρατείας που αναλύουμε. 3.2 Δίκτυο PollyNet Σύστημα lidar Polly XT To δίκτυο PollyNet είναι ένα δίκτυο προηγμένων συστημάτων lidar, τα οποία αναπτύχθηκαν κατά την διάρκεια της τελευταίας δεκαετίας, από το Ινστιτούτο TROPOS της Λειψίας (Althausen et al., 2009; Engelmann et al., 2016). To δίκτυο PollyNet διαθέτει συστήματα lidar τύπου Polly XT (Portable Lidar system extended) σε περισσότερες από 20 τοποθεσίες, τα οποία στην πλειοψηφία τους λειτουργούν για πάνω από 10 χρόνια. Τα συστήματα lidar που απαρτίζουν το δίκτυο είναι αυτοματοποιημένα καθώς παρέχουν την δυνατότητα απομακρυσμένου ελέγχου και λαμβάνουν μετρήσεις για τα αιωρούμενα σωματίδια και τα νέφη καθ όλη την διάρκεια του 24ωρου. Στο παρουσιάζεται ο χάρτης των συστημάτων Polly XT. 25

38 Μεθοδολογία Σχήμα 6: Παγκόσμιος χάρτης των σταθμών που διαθέτουν lidar Polly XT. Οι ενδείξεις με πράσινο χρώμα υποδηλώνουν τους 7 μόνιμους σταθμούς, οι πορτοκαλί ενδείξεις αντιπροσωπεύουν τους προσωρινούς σταθμούς μέτρησης και οι ενδείξεις με το καράβι αντιπροσωπεύουν τους πλωτούς σταθμούς του δικτύου.( Σύστημα lidar Polly XT Το Polly XT είναι ένα αυτοματοποιημένο σύστημα lidar οπισθοσκέδασης/raman, τριών μηκών κύματος (1064, 532, 355 nm), με δυνατότητες ανίχνευσης αποπόλωσης. Το σύστημα συνδυάζει τις πιο πρόσφατες ποιοτικές προδιαγραφές τού EARLINET, σε ένα αυτόνομο σχέδιο. Είναι εφοδιασμένο με ένα (1) τηλεσκόπιο μεγάλης εμβέλειας, καθώς και ένα (1) βραχείας εμβέλειας. Δύναται να πραγματοποιεί μετρήσεις μεγάλης χωρικής και χρονικής ανάλυσης, για τις ακόλουθες φυσικές ποσότητες: α) συντελεστής οπισθοσκέδασης σωματιδίων στα 355, 532 και 1064 nm, β) συντελεστής εξασθένισης σωματιδίων στα 355 και 532 nm, γ) συντελεστής αποπόλωσης στα 355 και 532 nm, δ) συντελεστές οπισθοσκέδασης και εξασθένισης σωματιδίων σε βραχεία εμβέλεια στα 532 nm, ε) συγκέντρωση υδρατμών στα 407 nm. To Polly XT στεγάζεται σε εξωτερική καμπίνα, προστατευμένο από τις κατακρημνίσεις και λειτουργεί υπό ποικίλες μετεωρολογικές συνθήκες. Στην περίπτωση υετού οι μετρήσεις διακόπτονται αυτόματα και επαναξεκινούν όταν οι συνθήκες κριθούν κατάλληλες. Τα κύρια μέρη του συστήματος παρουσιάζονται στο Σχήμα 7. Το lidar Polly XT αποτελείται από τρία βασικά στοιχεία, τον πομπό, τον δέκτη με την ανάκτηση των δεδομένων και τον εξοπλισμό για την στέγαση του συστήματος. Ο πομπός, ένα Nd:YAG laser (Continium Inlite III) εκπέμπει παλμό laser σε μήκος κύματος 1064,

39 Μεθοδολογία και 355 nm με ισχύ 180, 110, 60 mj, αντίστοιχα. Ο δέκτης, ένα Νευτώνειο τηλεσκόπιο με κύριο φακό διαμέτρου 30 cm και εστιακό μήκος 0.9 m συλλέγει την οπισθοσκεδαζόμενη δέσμη φωτός. Η λαμβανόμενη δέσμη ανακλάται μέσω μιας οπής στον δέκτη, όπου διαχωρίζεται και αναλύεται. Τα δεδομένα αποθηκεύονται με την βοήθεια του Η/Υ. Με βάση αυτή την διάταξη το σύστημα lidar δύναται να καταγράψει τον συντελεστή οπισθοσκέδασης στα 1064, 532 και 355 nm, τον συντελεστή εξασθένισης στα 532 και 355 nm και τον συντελεστή αποπόλωσης στα 355 και 532 nm,. Κατ αυτόν τρόπο, τα αιωρούμενα σωματίδια μπορούν να χαρακτηριστούν μέσω των εντατικών μεγεθών δηλαδή του λόγου lidar, του συντελεστή αποπόλωσης και του εκθέτη Ångström. Για τις ανάγκες της καμπάνιας στη Φινοκαλιά της Κρήτης χρησιμοποιήθηκε το lidar Polly XT Arielle, το οποίο είναι μέλος του δικτύου PollyNet και το οποίο παραχωρήθηκε στο Εθνικό Αστεροσκοπείο Αθηνών από το Ινστιτούτο TROPOS της Λειψίας για της ανάγκες της καμπάνιας CHARADMExp. Το σύστημα αυτό ενδεικτικά αναφέρεται ως , το οποίο σημαίνει ότι ο συντελεστής οπισθοσκέδασης προσδιορίζεται σε τρία διαφορετικά μήκη κύματος, ο συντελεστής εξασθένισης και ο λόγος αποπόλωσης σε δύο μήκη κύματος. Επιπλέον, έχει την δυνατότητα εφαρμογής της μεθόδου Raman, ώστε να καθορίζονται οι συντελεστές οπισθοσκέδασης και εξασθένισης ανεξάρτητα ο ένας από τον άλλον. Κατά την διάρκεια της ημέρας, όπου τα κανάλια Raman δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν, ο συντελεστής οπισθοσκέδασης ανακτάται με τον αλγόριθμο Fernald-Klett (Klett, 1981; Fernald, 1984), χρησιμοποιώντας το λόγο lidar από την βραδινή μέτρηση Raman. 27

40 Μεθοδολογία Σχήμα 7: Το σύστημα lidar Polly X T εντός της αδιάβροχης καμπίνας. 1: Laser, 2: Τροφοδοτικό laser, 3: Διαστολέας δέσμης, 4:Τηλεσκόπιο-δέκτης, 5:Δέκτης με επτά κανάλια, 6:Τροφοδοσία ρεύματος, 7: Υ/Η για την λήψη των δεδομένων, 8: UPS, 9: Κλιματιστικό, 10: Αισθητήρας εξωτερικής θερμοκρασίας και υετού, 11: Κάλυμμα στέγασης (Althausen et al, 2009). 3.3 Μέθοδος διαχωρισμού αιωρούμενων σωματιδίων Προκειμένου να συγκρίνουμε τις πειραματικές μετρήσεις lidar με αυτές τις συγκέντρωσης του μοντέλου απαιτείται αφενός ο διαχωρισμός των τύπων των αιρωμούμενων σωματιδίων και αφετέρου η μετατροπή των οπτικών ιδιοτήτων σε συγκέντρωση μάζας. Αντικείμενο της παραγράφου αυτής είναι η περιγραφή της μεθοδολογίας για τον κατακόρυφο διαχωρισμό των τύπων των αιωρούμενων σωματιδίων. Ο διαχωρισμός αυτός είναι δυνατόν να πραγματοποιηθεί με ένα απλό σύστημα lidar (ένα μήκος κύματος) αν ταυτόχρονα μετρείται και ο συντελεστής αποπόλωσης στο ίδιο μήκος κύματος. Στο πλαίσιο της παρούσας διπλωματικής χρησιμοποιείται η μέθοδος που προτάθηκε από τον Tesche et al. (2009) για το μήκος κύματος 532 nm Η μέθοδος απαιτεί την υπόθεση δύο βασικών τύπων αιρούμενων σωματιδιών, το ένα από τα οποία αποπολώνει ισχυρά την δέσμη laser και το άλλο όχι. 28

41 Μεθοδολογία Στην υπό μελέτη περιοχής, και τα διάρκεια της καμπάνιας είναι πολύ συχνή η παρουσία σωματιδίων σκόνης, τα οποία χαρακτηρίζονται από την ικανότητας τους να αποπολώνουν ισχυρά την ακτινοβολία, λόγω του μη σφαιρικού σχήματός τους. Τα υπολοιπόμενα σωματίδια θεωρούμε ότι ανήκουν στην γενική κατηγορία non-dust και τα οποία είναι είτε θαλάσσια σωματίδια είτε ανθροπογενούς προέλευσης σωματίδια είτε ενδεχομένως μια μίξη θαλάσσιων και ανθρωπογενών σωματιδίων. Σε οποιαδήποτε από τις τρεις περιπτώσεις, ο συντελεστής αποπόλωσης των non dust σωματιδίων είναι της τάξης του 5% με αποτέλεσμα να επιτρέπει την εφαρμογή της μεθόδου και έτσι τον διαχωρισμό τους από τα μη σφαιρικά σωματίδια σκόνης. Σύμφωνα με την βιβλιογραφία (Tesche et al., 2009) το κλάσμα της σκόνης σε σχέση με τον συντελεστή οπισθοσκέδασης σωματιδίων στα 532 nm δίνεται από την σχέση: par β dust par β meas (z) = [δ par meas par (δ dust δnd par par (z) βnd ](1+δmeas) par )[1+δmeas par (z)] (3.1) par β dust par β meas (z) είναι το κλάσμα των σωματιδίων σκόνης όπως αυτός ορίζεται ως ο λόγος μεταξύ του σχετιζόμενου με την σκόνη και μετρούμενου συντελεστή οπισθοσκέδασης, αντίστοιχα, δ par meas (z) είναι ο μετρούμενος λόγος αποπόλωσης των σωματιδίων, δ par dust και δ par nd είναι αντίστοιχα οι τιμές του λόγου αποπόλωσης των σωματιδίων σκόνης και μη (dust non-dust). Για την εφαρμογή της μεθόδου είναι απαραίτητη η γνώση οριακών συνθηκών του σωματιδιακού συντελεστή αποπόλωσης για τα μη σφαιρικά σωματίδια σκόνης από Σαχάρα και για τα υπόλοιπα σφαιρικά σωματίδια (non dust). Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιήθηκαν βιβλιογραφικές τιμές που δίνονται στον πίνακα 4. 29

42 Μεθοδολογία Πίνακας 4: Τιμές σωματιδιακού συντελεστή αποπόλωσης στα 532 nm. Τύπος σωματιδίων Σωματιδιακός συντελεστής Αναφορές αποπόλωσης (532 nm) 0.30 ± Burton et al., 2015 Σκόνη 0.33 ± Burton et al., ± 0.03 Freudenthaler et al., 2009 Θαλάσσια σωματίδια 0.02 ± 0.02 Groß et al., ± 0.01 Groß et al., 2013 Στη συνέχεια με την εφαρμογή της σχέσης (3.2) είναι εφικτή η εκτίμηση του συντελεστή οπισθοσκέδασης για τα σωματίδια που δεν είναι σκόνη. β par nd = β par par meas β dust (3.2) Για την μετατροπή του συντελεστή οπισθοσκέδασης σε συντελεστή εξασθένισης χρησιμοποιήθηκαν αρχικά χαρακτηριστικές τιμές του λόγου lidar για κάθε ένα από τους τύπους των αιωρούμενων σωματιδίων (πίνακας...προηγούμενος). Κατά την διάρκεια της επεξεργασίας όμως, και επειδή τα σφαιρικά (non dust) αιωρούμενα σωματίδια μπορεί να είναι ανθρωπογενούς προέλευσης είτε να είναι μίξη με θαλάσσια σωματίδια χρησιμοποιήθηκε ο συνολικός συντελεστής εξασθένισης εφαρμόζωντας το κλάσμα συνεισφοράς που υπολογίσθηκε από τον συντελεστή οπισθοσκέδασης και τον συντελεστή αποπόλωσης. 3.4 Συγκέντρωση μάζας αιωρούμενων σωματιδίων Για την άμεση σύγκριση των πειραματικών μετρήσεων lidar με τις αυτές του μοντέλου είναι απαραίτητη η μετατροπή των οπτικών ιδιοτήτων σε μετρήσεις μάζας.το μέγεθος που συνδέει τον συντελεστή εξασθένισης με την μάζα καλείται ικανότητα εξασθένισης μάζας (mass extinction efficiency MEE). Είναι ο λόγος του ολικού συντελεστή εξασθένισης σε μια στήλη σε ορισμένο μήκος κύματος, όπως αυτός εκτιμάται μέσω των μετρήσεων του lidar, προς την συγκέντρωση μάζας των αιωρούμενων σωματιδίων στην στήλη αυτή για οποιαδήποτε κατανομή μεγέθους των αιωρούμενων σωματιδίων 30

43 Μεθοδολογία (aerosol size distribution ASD), όπως αυτή υπολογίζεται από το φασματοφωτόμετρο CIMEL (AERONET). Η ικανότητα εξασθένισης μάζας συνδέει την εξασθένιση, που προκαλείται από τα σωματίδια σύμφωνα με την σκέδαση Mie, με την μάζα τον αιωρούμενων σωματιδίων (Hand et al., 2007; Lagrosas et al., 2005). Στον πίνακα 4 παρουσιάζονται ενδεικτικές βιβλιογραφικές τιμές για την ικανότητα εξασθένισης μάζας. Η σχέση που δίνει τον ικανότητα εξασθένισης μάζας είναι: ΜΕΕ = τ M = τ ρv (3.3) Πίνακας 5: Ενδεικτικές τιμές του ικανότητα εξασθένισης μάζας (ΜΕΕ) για τα υπό μελέτη είδη αιωρούμενων σωματιδίων. Τύπος σωματιδίων ΜΕΕ (m 2 /g) Αναφορές Σκόνη 0.64 Gerasopoulos et al., 2009; Moulin et al., ±0.04 Andreae et al., Li et al., 1996 Θαλάσσια σωματίδια 1.27 Bagtasa et al., Textor et al., 2006 Κατ αυτόν τον τρόπο, χρησιμοποιώντας τον συντελεστή εξασθένισης για κάθε τύπο σωματιδίων, όπως αυτός υπολογίζεται μετά το διαχωρισμό των σωματιδίων (παράγραφος 3.3) και τον αντίστοιχο ΜΕΕ μπορεί κανείς να υπολογίσει την συγκέντρωση μάζας σε μία κατακόρυφη στήλη. C(R) = a(r) = ρv MEE τ α(r) (3.4) Για τον σκοπό αυτό χρησιμοποιούμε μετρήσεις του φασματοφωτομέτρου CIMEL που είναι μέλος του δικτύου AERONET και θα περιγραφεί εν συντομία στην παράγραφο

44 Μεθοδολογία 3.5 Δίκτυο ΑΕRΟΝΕΤ Το πρόγραμμα AERONET (AErosol RObotic NETwork) είναι ένα δίκτυο επίγειων μετρήσεων παθητικής τηλεπισκόπησης αιωρούμενων σωματιδίων που ιδρύθηκε από τη NASA και LOA-PHOTONS (CNRS, Γαλλία). Σκοπός του δικτύου αυτού είναι ο υπολογισμός και η ανάκτηση οπτικών ιδιοτήτων των αιωρούμενων σωματιδίων στην συνολική ατμοσφαιρική στήλη, όπως προκύπτουν από τις μετρήσεις της άμεσης και της διάχυτης ακτινοβολίας από τα φωτόμετρα CIMEL. Μεταξύ άλλων παρέχει το οπτικό πάχος (AOD), τον συντελεστή Ångström στα μήκη κύματος 340, 380, 440, 500, 675, 870, 1020 και 1640 nm, τη συγκέντρωση της συνολικής στήλης των υδρατμών, καθώς και τη σχετική συνεισφορά των λεπτών σωματιδίων στη συνολική στήλη, έναντι των χονδρόκοκκων αερολυμάτων. Όσον αφορά τα προϊόντα που προέρχονται από την αντιστροφή των σημάτων του CIMEL (ανάμεσά τους αναφέρονται και οι μικροφυσικές ιδιότητες των αερολυμάτων), υπολογίζονται από την επίλυση πολύπλοκων μαθηματικών εξισώσεων, με προϋπόθεση ότι ισχύουν ορισμένες παραδοχές (Dubovik et al., 2006). Οι παραδοχές που ορίζονται για τον υπολογισμό των αντίστροφων προϊόντων είναι οι εξής: Τα αιωρούμενα σωματίδια χωρίζονται σε δύο μεγάλες κατηγορίες: σφαιρικά και μη σφαιρικά Η ατμόσφαιρα θεωρείται επίπεδη και παράλληλη (plane-parallel) Η κατακόρυφη κατανομή των αιωρούμενων σωματιδίων θεωρείται ομογενής κατά τις μετρήσεις στο κύριο επίπεδο (principal plane). Η χωρική κατανομή των σωματιδίων dv(r) dlnr ( μm 3 μm 2 ) υπολογίζεται σε 22 κατανομές μεγέθους των αερολυμάτων με ακτίνα r, έτσι ώστε 0.05μm r 15μm. Το πραγματικό μέρος n(λ) του δείκτη διάθλασης (1.33 n(λ) 1.6) και το φανταστικό μέρος k(λ) του δείκτη διάθλασης ( k(λ) 0.5) των αιωρούμενων σωματιδίων υπολογίζονται από τα μήκη κύματος που χρησιμοποιούνται για την μέτρηση της ακτινοβολίας υποβάθρου του ουρανού. Επιπλέον, εκτός της χωρικής κατανομής των αερολυμάτων υπολογίζονται και ορισμένες παράμετροι που αφορούν, το σύνολο των αιωρούμενων σωματιδίων, λεπτά και χονδρά σωματίδια. Οι παράμετροι αυτές παρουσιάζονται ακολούθως: 32

45 Μεθοδολογία r max dv(r) Cv (μm 3 μm 2 ) συγκέντρωση όγκου σωματιδλιων, C v = dln(r) (3.5) r min dlnr rmax r dlnr dln(r) min rmaxdv(r) dlnr dln(r) σv, η τυπική απόκλιση, σ v = (lnr lnr v )2dV(r) r min (3.6) reff, η ενεργός ακτίνα σωματιδίων, r eff = r r3dn(r) min dlnr (3.7) rmax r r 2dn(r) min rmax dlnr Η μαθηματική σχέση που δίνει την χωρική κατανομή των αιωρούμενων σωματιδίων είναι η εξής: dv(r) dlnr dn(r) = V(r) = 4 dn(r) πr3 dlnr 3 dlnr (3.8) Αναφορικά με την διάκριση των σωματιδίων σε λεπτόκοκκα και χονδρόκοκκα το χρησιμοποιούμενο λογισμικό υπολογίζει την ελάχιστη τιμή μεγέθους μεταξύ μm έως μm και συνεπώς η τιμή αυτή χρησιμοποιείται ως σημείο αναφορά για τον διαχωρισμό. Κατ αυτόν τον τρόπο αποδίδεται το οπτικό πάχος, η συνάρτηση φάσης και η ανακλαστικότητα μεμονωμένης σκέδασης ωο (λ) των μικρών και μεγάλων αερολυμάτων χωριστά. Τα δεδομένα του οπτικού πάχους είναι διαθέσιμα σε 3 επίπεδα επεξεργασίας: Επίπεδο 1 (χωρίς επεξεργασία, unscreened), Επίπεδο 1.5 (αποκλεισμός νεφών, cloud screened), Επίπεδο 2.0 (αποκλεισμός νεφών και εξασφάλιση ποιότητας, quality assured). Για τις ανάγκες της παρούσας μελέτης χρησιμοποιήθηκαν δεδομένα επιπέδου 1.5, από το σταθμό της Φινοκαλιάς στην Κρήτη (FKL ( N, E) ( (Albert et al., 2012). 33

46 Μεθοδολογία Σχήμα 8: Οι σταθμοί του παγκόσμιου δικτύου AERONET 3.6 Περιγραφή του αριθμητικού μοντέλου προσομοίωσης RAMS/ICLAMS Το αριθμητικό μοντέλο RAMS (Regional Atmospheric Modeling System) είναι ένα αριθμητικό μοντέλο πολλαπλών εφαρμογών, που αναπτύχθηκε στο Colorado State University σε συνεργασία με την Mission Research Corporation/Aster division για προσομοίωση και πρόγνωση μετεωρολογικών φαινομένων και για την απεικόνιση των αποτελεσμάτων (Pielke et al., 1992) και συνεχίζει να εξελίσσεται από διάφορες ερευνητικές ομάδες. Επιτρέπει προσομοιώσεις ατμοσφαιρικών φαινομένων σε κλίμακες από μερικές δεκάδες μέτρα μέχρι και μερικές χιλιάδες μέτρα. Βασίστηκε σε δύο προγενέστερα μοντέλα της δεκαετίας του 70 των William Cotton και Roger Pielke, οι οποίοι μάλιστα επέβλεψαν την κατασκευή του νέου κώδικα RAMS (ο οποίος σήμερα είναι σχεδόν αποκλειστικά γραμμένος σε FORTRAN 90). Μερικές από τις ιδιότητες του RAMS είναι ότι διαθέτει: δομή αμφίδρομων επάλληλων πλεγμάτων, σύστημα κατακόρυφων συντεταγμένων που ακολουθούν την τοπογραφία, παραμετροποιημένο σχήμα μικροφυσικής των νεφών με δυνατότητες ρητής περιγραφής των μικροφυσικών διεργασιών, παραμετροποιημένα σχήματα μεταφορά 34

47 Μεθοδολογία μικρού και μεγάλου μήκους ακτινοβολίας, διάφορες επιλογές για τα πλευρικά και ανώτερα όρια όπως και διάφορα επίπεδα πολυπλοκότητας για την παραμετροποίηση του επιφανειακού στρώματος. Το RAMS εφαρμόζεται συνήθως ως μοντέλο περιορισμένη περιοχής, για το λόγο αυτό κρίθηκε κατάλληλη η εφαρμογή στην περιοχή ενδιαφέροντος της συγκεκριμένης εργασίας. Δεν υπάρχει κατώτατο όριο για το μέγεθος της περιοχής ούτε για το πλέγμα πεπερασμένων διαφορών του μοντέλου. Με τον ίδιο κώδικα έχουν προσομοιωθεί φαινόμενα μικρής κλίμακας όπως ανεμοστρόβιλοι στο οριακό στρώμα και μικρότερης κλίμακας τυρβώδεις ροές πάνω από κτίρια. Η εφαρμογή επάλληλων πλεγμάτων, που αλληλοεπιδρούν αμφίδρομα, επιτρέπει την χρησιμοποίηση πλεγμάτων με υψηλή ανάλυση πάνω στις περιοχής άμεσου ενδιαφέροντος με σκοπό την επίλυση μικρής κλίμακας συστημάτων, όπως τυφώνες, ενώ ταυτόχρονα επιλύει τα μεγάλης κλίμακας φαινόμενα στο πλέγμα χαμηλής ανάλυσης. Οι κύριες συνιστώσες του RAMS είναι: Το ατμοσφαιρικό μοντέλο, που εκτελεί τις προσομοιώσεις Το σύστημα εδάφους LEAF-3 Το σύστημα ανάλυσης δεδομένων (ISAN), το οποίο προετοιμάζει τα αρχικά δεδομένα από τις παρατηρήσεις για να χρησιμοποιηθούν από το ατμοσφαιρικό μοντέλο Το σύστημα μετεπεξεργασίας (REVU), το οποίο οπτικοποιεί και αναλύει τα αποτελέσματα του ατμοσφαιρικού μοντέλου με μία ποικιλία λογισμικό οπτικοποίησης και άλλα προγράμματα υποστήριξης. Το ατμοσφαιρικό μοντέλο ICLAMS (Integrated Community Limited Area Modeling System) είναι μια βελτιωμένη έκδοση του RAMS6.0 και αναπτύχθηκε από την ομάδα ατμοσφαιρικών μοντέλων και πρόγνωσης καιρού του πανεπιστημίου Αθηνών, με κύριο σκοπό τη μελέτη των αλληλεπιδράσεων των αιωρούμενων σωματιδίων με την ατμόσφαιρα, των αλληλεπιδράσεων μεταξύ της αέριας ρύπανσης και των ατμοσφαιρικών διεργασιών και κατά συνέπεια τις πιθανές επιπτώσεις στο κλίμα κάθε περιοχής. Περιλαμβάνει αρκετές νέες δυνατότητες που σχετίζονται τόσο με τις φυσικές όσο και με τις χημικές διεργασίες που πραγματοποιούνται στην ατμόσφαιρα. 35

48 Μεθοδολογία Οι βασικές διαδικασίες που προστέθηκαν στις δυνατότητες του μοντέλου είναι οι εξής: περιγραφή του κύκλου της σκόνης στην ατμόσφαιρα (μεταφορά και εναπόθεση), περιγραφή του κύκλου του αλατιού στην ατμόσφαιρα, ατμοσφαιρική χημεία υγρής και αέριας φάσης, ετερογενής χημεία και παραγωγή αιωρούμενων σωματιδίων μέχρι τρίτης γενιάς, αναλυτική επίλυση της διαδικασίας διάδοσης της ακτινοβολίας (direct aerosol effect), αναλυτική επίλυση της διαδικασίας συμπύκνωσης των νεφοσταγόνων (indirect aerosol effect). Το προφιλ των θαλάσσιων αιωρούμενων σωματίδιων στην περιοχή της Φινοκαλιάς παρέχεται από το συγκεκριμένο μοντέλο (Cotton et al., 2003; Solomos et al. 2011). 36

49 Μεθοδολογία 3.7 Περιγραφή των αριθμητικών μοντέλων SKIRON και BSC- DREAM8b SKIRON/Dust To αριθμητικό μοντέλο SKIRON/Dust αναπτύχθηκε στο Πανεπιστήμιο Αθηνών από την ομάδα ατμοσφαιρικών μοντέλων και πρόγνωσης καιρού (Atmospheric Modeling and Weather Group) και διακρίνεται για την αξιόπιστη αναπαράσταση μετεωρολογικών φαινομένων (Kallos et al., 1997; Nickovic et al., 2001; Spyrou et al., 2010). Οι βασικές εξισώσεις του μοντέλου στηρίζονται στην μη-υδροστατική προσέγγιση και ο υπολογισμός των εξαρτημένων μεταβλητών πραγματοποιείται σε καθορισμένα σημεία πλέγματος. Η επίλυση των διαφορικών εξισώσεων ως προς το χρόνο και το χώρο προσεγγίζεται αριθμητικά με χρήση σχημάτων πεπερασμένων διαφορών. Η συγκεκριμένη μεθοδολογία εφαρμόζεται με σκοπό την εκπλήρωση των απαιτήσεων για υπολογιστική οικονομία αλλά και των φυσικών περιορισμών που επικρατούν στην ατμόσφαιρα. Στον οριζόντιο χώρο, το μοντέλο ορίζεται σε semistaggered πλέγμα τύπου Ε (Arakawa, 1972; Mesinger, 1973; Janjic, 1979). Στη δομή του μοντέλου SKIRON αναπτύχθηκε επίσης ξεχωριστή συνιστώσα για την περιγραφή του κύκλου σωματιδίων σκόνης στην ατμόσφαιρα με βάση τις εργασίες των Marticorena et al., 1997; Zender et al., 2003; Perez et al., 2006 και Spyrou et al., Το εν λόγω σχήμα περιλαμβάνει σειρά αλγορίθμων και παραμετροποιήσεων για την πληρέστερη περιγραφή των διεργασιών παραγωγής, μεταφοράς και εναπόθεσης σωματιδίων. Στόχος των προσομοιώσεων του μοντέλου είναι η επιτυχημένη πρόβλεψη παραγόμενης σκόνης και των συνεπειών στο κλίμα και την πρόγνωση του καιρού, με άμεση εφαρμογή σε διάφορες περιοχές του κόσμου (Β. Ατλαντικός, Μεσόγειος θάλασσα, Μέση Ανατολή). Στην παρούσα μελέτη μας απασχολεί η πρόγνωση μεταφοράς και εναπόθεσης σωματιδίων σκόνης. Ο κύκλος αιώρησης της σκόνης περιγράφεται από ένα σύνολο Οϋλεριανών (Eulerian) εξισώσεων µε ανεξάρτητη μεταβλητή Κ. Η μεταβλητή αυτή εκφράζει τον τύπο των αιωρούμενων σωματιδίων. Οι τιμές του Κ είναι 4 όσοι δηλαδή είναι και οι τύποι των σωματιδίων: πηλός (clay), λεπτόκοκκη ιλύς (small silt), χονδρόκοκκη ιλύς (large silt) και άμμος (sand). Ικανά να μεταφερθούν σε μεγάλες 37

50 Μεθοδολογία αποστάσεις είναι µόνο τα σωματίδια των δύο πρώτων τύπων αφού η αιώρηση των άλλων δύο δεν διαρκεί πάνω από12 ώρες (Kallos et al., 2007). Ο κύκλος ζωής των σωματιδίων σκόνης στην ατμόσφαιρα περιγράφεται με την εξίσωση της συνέχειας τύπου Euler, η οποία ολοκληρώνεται χρονικά ταυτόχρονα με άλλες προγνωστικές εξισώσεις του μοντέλου. Η εξίσωση συνέχειας που χρησιμοποιείται είναι της μορφής που δίνεται παρακάτω: Όπου, C k t Ck : Συγκέντρωση σωματιδίων τύπου Κ = u C k v C k (w v x y gk) C k (K z H C k ) (K C k z z ) + z (K z C k z ) SOURCE C k t SINK u, v : Οριζόντιες συνιστώσες της ταχύτητας w : Κάθετη συνιστώσα της ταχύτητας vgk : Ταχύτητα καθίζησης σωματιδίων ΚΗ : Συντελεστής διάχυσης ΚΖ : Συντελεστής τυρβώδους ροής (3.9) Για την περιγραφή της κατανομής και μεταφοράς των σωματιδίων σκόνης χρησιμοποιείται μια μέθοδος ανεξάρτητων κλάσεων (bin-method, Zender at al., 2003; Spyrou et al., 2010). Κάθε κλάση έχει μια ανεξάρτητα διαμορφωμένη κατανομή, η οποία επιτρέπει τον πιο ακριβή χειρισμό του αριθμού των σωματιδίων και των οπτικών ιδιοτήτων της σκόνης. Ο αριθμός των μεταφερόμενων κλάσεων (transport bins) περιορίζεται μόνο από την διαθέσιμη υπολογιστική ισχύ. 38

51 Μεθοδολογία Πίνακας 6: : Οι 8 κλάσεις σωματιδίων που χρησιμοποιύνται στο σύστημα. Δίνονται η ελάχιστη και η μέγιστη ακτίνα κάθε κλάσης, η ενεργή ακτίνα, η μέση ακτίνα αριθμού της κατανομής και η γεωμετρική τυπική απόκλιση (Spyrou et al., 2010) Bin rmin rmax reff rn σg Η απομάκρυνση της σκόνης από την ατμόσφαιρα πραγματοποιείται με δύο μηχανισμούς: την ξηρή και την υγρή εναπόθεση. Η ξηρή εναπόθεση είναι η εναπόθεση λόγω βαρυτικής καθίζησης, επιφανειακής τυρβώδους διάχυσης και λόγω σύγκρουσης με την επιφάνεια ενώ η υγρή εναπόθεση είναι εναπόθεση λόγω κατακρημνίσεων. Η ξηρή εναπόθεση στο μοντέλο παραμετροποιείται με βάση το σχήμα αντιστάσεων των Kumar et al., (1996), Η ταχύτητα εναπόθεσης κάθε σωματιδίου υπολογίζεται ως: V d V sed r a 1 r r r V b a b sed (3.10) όπου, r a 1 ku * 1 ln h z0 και r b u ( S * 2 / 3 c / S t ) η αεροδυναμική αντίσταση (aerodynamic resistance) και η αντίσταση του εδάφους (boundary resistance), z σταθερά von Karman, 0 το μήκος τραχύτητας της επιφάνειας, h k η ένας διορθωτικός S όρος ευστάθειας (stability correction term), t ο αριθμός Stokes που χαρακτηρίζει την ατμοσφαιρική ροή του αέρα και Vsed η οριακή ταχύτητα εναπόθεσης όπως αυτή προσδιορίζεται από το νόμο του Stokes. Έτσι η μεταβολή στη συγκέντρωση της σκόνης λόγω ξηρής εναπόθεσης σε κάθε επίπεδο του μοντέλου υπολογίζεται ως 39

52 Μεθοδολογία C t SINKddep v t dep LM (3.11) Όσον αφορά την υγρή εναπόθεση αναπτύχθηκε και προσαρμόστηκε στο σύστημα μία σύγχρονη διαδικασία που περιλαμβάνει παραμετροποιήσεις για σάρωση (scavenging) τόσο μέσα στο νέφος, όσο και κάτω από αυτό. Η χωρική μεταβολή της συγκέντρωσης των σωματιδίων λόγω βροχής εξαρτάται από ένα συντελεστή C σάρωσης (scavenging coefficient) ως t σύννεφο ο συντελεστής υπολογίζεται ως ικανότητα συλλογής, P ο ρυθμός βροχόπτωσης και C. Για σωματίδια μέσα στο c d d 7 EP d d, όπου E είναι η η διάμετρος των σταγόνων του νέφους. Για διεργασίες συλλογής κάτω από το νέφος εφαρμόζεται η παραμετροποίηση των Seinfeld and Pandis (1998): E( d 4 p ) w 4 Re 1 0.4Re Sc (1 Re 1 / 2 1 / 2 Sc 1 / Re * St S ) * 2/3 St S 3 / 2 1 / 2 Sc 1 / 2 (3.12) όπου και w kg m -1 s -1 ) αντίστοιχα, το κινηματικό ιξώδες του αέρα ( kg m -1 s -1 ) και του νερού (10-3 d / d p d ο λόγος της διαμέτρου του σωματιδίου προς τη διάμετρο των υδροσταγόνων, S c ο αριθμός Schmidt και S t ο αριθμός Stokes. Τέλος η παράμετρος * S υπολογίζεται ως S * 1.2 ln(1 Re) /12 1 ln(1 Re) (3.13) Σωματίδια μικρότερα από 10μm απομακρύνονται κυρίως μέσω υγρής απόθεσης και τυρβώδους ξηρής απόθεσης. Σωματίδια μεγαλύτερα από 10 μm απομακρύνονται κυρίως μέσω καθίζησης λόγο βαρύτητας (Kallos et al., 2007). Το μοντέλο παρέχει την συγκέντρωση σκόνης κοντά στην επιφάνεια του εδάφους, τον φόρτο σκόνης (dust load) καθώς και την υγρή και ξηρή εναπόθεση σκόνης για κάθε 6 ώρες. Για την παρούσα 40

53 Μεθοδολογία μελέτη χρησιμοποιήθηκαν οι προσομοιώσεις του μοντέλου SKIRON που αφορούν την κατακόρυφη συγκέντρωση σκόνης για την περίοδο Ιουνίου Ιουλίου BSC-DREAM8b Το BSC-DREAM8b (Dust REgional Atmospheric Model) είναι ένα σύστημα αριθμητικής προσομοίωσης ή/και πρόγνωσης, το οποίο αναπτύχθηκε από το Υπολογιστικό κέντρο της Βαρκελώνης (Barcelona Supercomputing Center BSC), και δύναται να περιγράψει με ακρίβεια τον κύκλο της σκόνης στην ατμόσφαιρα (Nickovic et al., 2001; Perez et al., 2006a, b; Basart et al., 2012). Βασίζεται στο μοντέλο πρόγνωσης SKIRON/ETA και στο ατμοσφαιρικό μοντέλο ETA/NCEP. Το μοντέλο διαθέτει δύο βασικά μέρη: (1) το ατμοσφαιρικό μοντέλο προσομοιώσεων και (2) το σύστημα προσομοίωσης της συγκέντρωσης σκόνης. Οι παραμετροποιήσεις του μοντέλου BSC-DREAM8b περιλαμβάνουν τις κύριες φάσης των σωματιδίων σκόνης, την παραγωγή, η διάχυση, η μεταφορά και η απόθεση. Πιο συγκεκριμένα, οι μεταβλητές του ατμοσφαιρικού μοντέλου αφορούν την τυρβώδη διάχυση των σωματιδίων σκόνης κατά την είσοδό τους στην ατμόσφαιρα, την συνεισφορά του ανέμου που συμβάλει στην μεταφορά των σωματιδίων, τις θερμοδυναμικές αλληλοεπιδράσεις που λαμβάνουν χώρα όσο τα σωματίδια βρίσκονται στην ατμόσφαιρα καθώς επίσης και τα χαρακτηριστικά του εδάφους που είναι υπεύθυνα για την ξηρή και υγρή εναπόθεση των σωματιδίων σκόνης. Το σύστημα είναι εύκολο να ρυθμιστεί και να εξάγει προσομοιώσεις για την συγκέντρωση σκόνης για οποιοδήποτε σημείο της Γης, παρέχοντας οριζόντια χωρική ανάλυση που κυμαίνεται από 100 χλμ έως περίπου 4 χλμ και πρόγνωση έως και 72 ώρες για την περιοχή της Μεσογείου. Ένα από τα κύρια μέρη του μοντέλου BSC-DREAM8b είναι ο τρόπος εισαγωγής της πηγής των σωματιδίων σκόνης στην εξίσωση συνέχειας της συγκέντρωσης. Η μη επιτυχής προσομοίωση αυτής της φάσης του κύκλου της σκόνης μπορεί να οδηγήσει σε αλληλουχία λανθασμένων συμπερασμάτων και προσομοιώσεων. Για το λόγο αυτό έχει δοθεί ιδιαίτερη προσοχή στην ορθότερη παραμετροποίηση της παραγωγής των σωματιδίων σκόνης. Οι παράγοντες που διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο είναι: ο τύπος 41

54 Μεθοδολογία του εδάφους, το είδος της βλάστησης, το ποσοστό υγρασίας του εδάφους και οι τυρβώδεις αναταράξεις στην επιφάνεια. Τα γενικά χαρακτηριστικά της τελευταίας έκδοσης του μοντέλου (Pérez et al., 2006a,b) που αφορούν την παραγωγή σκόνης είναι η εισαγωγή ενός ιξώδους υποστρώματος (viscous sub-layer), η κατανομή μεγέθους των σωματιδίων παραμετροποιημένη σε 8 κάδους (bins), η επίδραση της υγρασίας του εδάφους στην παραγωγή σκόνης, η ξηρή εναπόθεση, η οριζόντια και κατακόρυφη μεταφορά, η τυρβώδης και στρωτή διάχυση ( /mineral_dust_database ). Το μοντέλο έχει αξιολογηθεί εκτενώς έναντι παρατηρήσεων (Pay et al., 2010; Basart et al., 2012b, a). Πίνακας 7: Περιγραφή των βασικών παραμέτρων της μεταφοράς σκόνης για το μοντέλο BSC- DREAM8b (Βenedetti et al., 2014) Institution Meteorological driver Initial and boundary conditions Model domain BSC-DREAM8b v2 BSC-CNS Eta/NCEP NCEP/GFS 28 W 68 E, 0 70 N Resolution Boundary condition update Emission scheme Deposition scheme Vertical resolution Transport size bins Radiation interaction 6 h Uplifting Shao et al., 1993 Janjic, 1994 Nickovic et al., 2001 Dry deposition Zhang et al., 2001 Below-cloud scavenging Nickovic et al., Eta-layers 8 ( µm) Yes 42

55 Μεθοδολογία 3.8 Το Ατμοσφαιρικό μοντέλο HYSPLIT Το HYSPLIT (Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory Model) είναι ένα ολοκληρωμένο σύστημα, το οποίο υπολογίζει από τροχιές απλών πακέτων αέρα έως και πολύπλοκες προσομοιώσεις διασποράς και εναπόθεσης ρύπων ή αιωρούμενων σωματιδίων (Draxler and Hess, 1997; Draxler and Hess, 1998). Αρχικά αναπτύχθηκε από τις κοινές προσπάθειες του εθνικού οργανισμού ΝΟΑΑ (National Oceanic and Atmosphere Administration) των ΗΠΑ και του Αυστραλιανού Γραφείου Μετεωρολογίας. Πρόσφατες αναβαθμίσεις του από διάφορους φορείς, περιλαμβάνουν βελτιώσεις στους αλγορίθμους που χρησιμοποιούνται στους υπολογισμούς καθώς επίσης και στα γραφικά συστήματα που χρησιμοποιούνται για την οπτικοποίηση των μετρήσεων και αποτελεσμάτων. Η διασπορά κάποιου ρύπου υπολογίζεται υποθέτοντας τον ως «φούσκα»( πακέτο αέριου ρύπου) ή ως σωματίδια. Στην πρώτη περίπτωση οι φούσκες διαρκούν ως έχουν, μέχρι το μέγεθός τους να υπερβεί (είτε οριζοντίως είτε καθέτως) το μέγεθος της κυψελίδας του χρησιμοποιούμενου από τα μετεωρολογικά δεδομένα πλέγματος. Στη συνέχεια χωρίζεται σε επί μέρους φούσκες εκ των οποίων κάθε μια περιλαμβάνει μέρος της μάζας του ρύπου. Στη δεύτερη περίπτωση ένας καθορισμένος αριθμός σωματιδίων μεταφέρεται εντός του χωρικού εύρους που καθορίζει το μοντέλο, κυρίως από ανέμους, και αυτά διασπείρονται εξαιτίας τυρβωδών ατμοσφαιρικών κινήσεων. Η αρχική διαμόρφωση του μοντέλου προϋποθέτει μια τριών διαστάσεων κατανομή των σωματιδίων. Στην εργασία έγινε χρήση του μοντέλου για τον υπολογισμό των οπισθοτροχιών (backtrajectory) αέριας μάζας τεσσάρων ημερών πάνω από το σταθμό μετρήσεων (Φινοκαλιά), χρησιμοποιώντας συγκεκριμένα ύψη άφιξης ανάλογα με την περίπτωση μελέτης. 43

56 Αποτελέσματα 4. Αποτελέσματα 4.1 Εκτίμηση του λόγου χωρικής συγκέντρωσης προς οπτικό βάθος αιωρούμενων σωματιδίων Όπως αναλυτικά περιγράφηκε στην παράγραφο 3.4 είναι απαραίτητη η εκτίμηση του λόγου της χωρικής συγκέντρωσης προς το οπικό βάθος των σωματιδίων μέσω μετρήσεων του φασματοφωτομέτρου CIMEL. Υπολογίσθηκε ο λόγος χωρικής συγκέντρωσης προς το οπτικό βάθος των σωματιδίων στα 500 nm θεωρώντας ότι είναι αντιπροσωπευτικά και για το μήκος κύματος των 532 nm. Στο σχήμα 9 παρουσιάζονται οι μέσες ημερήσιες τιμές του λόγου για το σταθμό της Φινοκαλιάς. Όπως παρατηρούμε ο λόγος παρουσιάζει μεγάλη διακυμάνση από 0.2 μέχρι 0.7, γεγονός που οφείλεται κυρίως σε δύο λόγους. Πρώτον επειδή ο σταθμός επηρεάζεται όπως αναφέραμε τόσο από σωματίδια σκόνης όσο και από θαλάσσια σωματίδια και δεύτερον διότι οι τιμές του φασματοφωτομέτρου αναφέρονται στην ολική στήλη της ατμόσφαιρας είναι δύσκολο να καθορίσουμε το λόγο αυτό για τα αμιγώς θαλάσσια και αμιγώς σωματίδια σκόνης Total Fine Coarse 0.7 vol conc. / AOD June, 2014 July, 2014 Σχήμα 9 : Ο λόγος συγκέντρωσης όγκου προς το οπτικό βάθος των σωματιδίων στα 500 nm για την περίοδο Ιουνίου Ιουλίου

57 Αποτελέσματα Για το λόγο αυτό στην ανάλυση μας επιλέχθηκαν σταθμοί που επηρεάζονται κυρίως από θαλάσσια σωματίδια ή από σωματίδια σκόνης με προέλευση την έρημο Σαχάρα. Η επιλογή αυτή έγινε παρατηρώντας την τοποθεσία του σταθμού αλλά και το πλήθος οπτικών ιδιοτήτων που είναι διαθέσιμες μέσω του δικτύου AERONET. Στη συνεχεία υπολογίσαμε τη μέση τιμή αυτών και την τυπική απόκλιση του λόγου της συγκέντρωσης προς το οπτικό βάθος στα 500 nm. Τα αποτελέσματα μας παρουσιάζονται στα σχήματα 10 και 11. Οι τιμές αυτές θεωρούνται αντιπροσωπευτικές για την μετατροπή του συντελεστή εξασθένισης για θαλάσσια και σωματίδια σκόνης όταν η παράμετρος δεν μπορεί να καθοριστεί με ακρίβεια από το σταθμό της Φινοκαλοιάς.. Σχήμα 10 : Σταθμοί AERONET που χαρακτηρίζονται από την ύπαρξη θαλάσσιων σωματιδίων. Για κάθε σταθμό απεικονίζεται η μέση τιμή, η απόκλιση, οι ακραίες τιμές και το πλήθος των μετρήσεων που υπήρχαν διαθέσιμές.ο λόγος v/τ παρουσιάζει εύρος

58 Αποτελέσματα Σχήμα 11 : Σταθμοί AERONET που χαρακτηρίζονται από σωματίδια σκόνης. Για κάθε σταθμό απεικονίζεται η μέση τιμή, η απόκλιση, οι ακραίες τιμές και το πλήθος των μετρήσεων που υπήρχαν διαθέσιμές. Ο λόγος v/τ παρουσιάζει εύρος Στον πίνακα 8 παρατίθενται η μέση τιμή μαζί με την τυπική απόκλιση καθώς επίσης και οι μέγιστες και ελάχιστες τιμές του λόγου για κάθε σταθμό. Η τυπική απόκλιση παρέχει ένα δείκτη του μεγέθους της αβεβαιότητας του κάθε τύπου σωματιδίων για την εκτίμηση της αντίστοιχης μάζας. Οι τιμές που υπολογίστηκαν βρίσκονται σε πολύ καλή συμφωνία με αυτές της βιβλιογραφίας για τα σωματίδια σκόνης όπως αναλυτικά φαίνεται από τον πίνακα 6. Πολύ καλή συμφωνία του συντελεστή προκύπτει και για τα θαλάσσια σωματίδια όπως φαίνεται στον πίνακα 5. Πίνακας 8: Τιμές του ικανότητα εξασθένισης μάζας για τα αιωρούμενα σωματίδια σκόνης σύμφωνα με τις αναγραφόμενες αναφορές. ΜΕΕ (m 2 /g) Σκόνη Σαχάρας Αναφορά 0.64 Hess et al., Barnaba and Gobbi, ± 0.10 Johnson and Osborne, Weinzierl et al., ± 0.04 Muller et al., ± 0.05 Ansmann et al., ± 0.06 Ansmann et al.,

59 Αποτελέσματα Πίνακας 9: Τιμές του λόγου v τ, μέγιστη και ελάχιστη τιμή για κάθε σταθμό AERONET που χρησιμοποιήθηκε, μέση τιμή και τυπική απόκλιση των σταθμών με αναφορά στο ίδιο είδος αιωρούμενου σωματιδίου. Τύπος Τοποθεσία v τ Ελάχιστη Μέγιστη Μέση σωματιδίων σταθμού τιμή τιμή τιμή Tamanrasset 0.56± INM Σκόνη (22N, 5E) Quarzazarte 0.66± ±0.03 (30N,6W) Solar Village 0.63± (24N, 46E) ARM_Graciosa 0.66± (39N, 28W) American Samoa 0.67±0.2 Θαλάσσια (14S,170W) σωματίδια Midway Island ±0.03 (28N, 177W) 0.52±0.2 Lanai (20N, 156W) 0.60± Azores (38N, 28W) 0.45± Η πυκνότητα των αιωρούμενων σωματιδίων είναι επίσης απαραίτητη για την εκτίμηση της ικανότητας εξασθένισης μάζας. Στη σχέση (3.6) η πυκνότητα βρίσκεται στον παρονομαστή του κλάσματος και ως συνέπεια μειώνει την τιμή του ΜΕΕ, σύμφωνα πάντα με το τύπο των σωματιδίων. Στον πίνακα 9 παρουσιάζονται διάφορες τιμές για κάθε είδος σωματιδίου σύμφωνα με σχετική βιβλιογραφία. Λόγω του εύρους των τιμών, για τους υπολογισμούς χρησιμοποιήσαμε τρεις διαφορετικές τιμές πυκνοτήτων για κάθε τύπο αιωρούμενων σωματιδίων. Στην περίπτωση της σκόνης χρησιμοποιήσαμε τις τιμές 2.0, 2.5 και 3.0 g/cm 3, ενώ στην περίπτωση των θαλάσσιων 47

60 Αποτελέσματα σωματιδίων 1.8, 2.0 και 2.2 g/cm 3. Ο σκοπός ήταν να δούμε την επίδραση των διαφορετικών πυκνοτήτων στην εκτίμηση της κατακόρυφης συγκέντρωσης μάζας. Πίνακας 10: Τιμές της πυκνότητας για σκόνη και θαλάσσια σωματίδια. Τύπος σωματιδίων Πυκνότητα ρ (g/cm 3 ) Αναφορές 2.0 Raut & Chazette, 2009 Σκόνη Θαλάσσια σωματίδια 2.3 Paterson & Gilette, Chin et al., Zender, Blanchard & Woodcock, Chin et al., Μετρήσεις lidar Στο σχήμα 13 παρουσιάζεται το σύνολο των μετρήσεων που πραγματοποιήθηκαν κατά την περίοδο της πειραματικής εκστρατείας. Συγκεκριμένα παρουσιάζεται το διορθωμένο με την απόσταση οπισθοσκεδαζόμενο σήμα στα 1064 nm (13, α) και ο χωρικός συντελεστής αποπόλωσης (13, β). Στο σχήμα είναι φανερή η παρουσία αιωρούμενων σωματιδίων μέσα στο οριακό στρώμα καθ όλη την διάρκεια της εκστρατείας όσο και στην ελεύθερη τροπόσφαιρα στο πλήθος των ημερών μέτρησης. 48

61 Αποτελέσματα Σχήμα 12: (α) το διορθωμένο με την απόσταση επιστρεφόμενο σήμα στα 1064 nm και (β) ο χωρικός συντελεστής αποπόλωσης για όλη την περίοδο της πειραματικής εκστρατείας στην Φινοκαλιά της Κρήτης. Συγκεκριμένα, παρουσιάζονται τρία επεισόδια ρύπανσης από σωματίδια Σαχάρας όπως αυτό προκύπτει από τον ισχυρό συντελεστή αποπόλωσης και παρουσιάζεται στο σχήμα 14 (β). Το πρώτο επεισόδιο έλαβε χώρα από μέχρι το απόγευμα και ξεκινώντας από την ελεύθερη τροπόσφαιρα σε ύψη ~3-5 km μέσα σε λίγες ώρες εισήλθε μέσα στο οριακό στρώμα για να εξασθενίσει το απόγευμα της Το δεύτερο επεισόδιο ξεκίνησε το μεσημέρι της στο ύψος των ~2 km περίπου και μέσα σε μία μέρα επεκτάθηκε σε ύψη από το έδαφος μέχρι τα ~ 5.5 km. Το επεισόδιο αυτό διήρκησε πάνω από 4 ημέρες ενώ φαίνεται ότι κάποια μικρότερα επεισόδια ακολούθησαν στο πέρας του. Τέλος, μετά τις εμφανίσθηκε στην ελεύθερη τροπόσφαιρα ένα λεπτό στρώμα με ισχυρό δείκτη αποπόλωσης οποία παρέμεινε λεπτό αλλά όχι σταθερή καθ ύψος για περίπου τρεις ημέρες, για να επεκταθεί και πάλι σε ύψη από το έδαφος μέχρι και τα 6 km. Εκτός από την εμφανή παρουσία σωματιδίων σκόνης από την Σαχάρα, είναι πολύ πιθανή και η μεταφορά θαλάσσιων σωματιδίων στην περιοχή μελέτης μας. Δεδομένου του σχετικά μικρού συντελεστή αποπόλωσης αλλά και του προβλήματος της 49

62 Αποτελέσματα συνάρτησης αλληλεπικάλυψης τα σωματίδια αυτά δε είναι εύκολο να παρατηρηθούν και να ποσοτικοποιηθούν με την βοήθεια μετρήσεων lidar. Για την χρονική περίοδο της πειραματικής εκστρατείας αποτελέσματα του μοντέλου RAMS/ICLAMS για την συγκέντρωση μάζας των θαλάσσιων σωματιδίων παρουσιάζονται στο σχήμα 15. Σχήμα 13: Η συγκέντρωση σωματιδίων sea salt (μg/m 3 ) Σύμφωνα με τα αποτελέσματα του μοντέλου θαλάσσια σωματίδια βρίσκονται μέσα στο οριακό στρώμα σε όλη την διάρκεια της εκστρατείας ενώ σε ορισμένες περιπτώσεις εισήλθαν και μέσα στην ελεύθερη τροπόσφαιρα σε ύψη μέχρι και ~3.5 km. Όπως προκύπτει από μια πρώτη προσέγγιση του συνόλου των πειραματικών μετρήσεων και αποτελεσμάτων του μοντέλου RAMS/ICLAMS, οι μετρήσεις καθιστούν ένα ιδανικό σύνολο δεδομένων για τον κατακόρυφο διαχωρισμό σε δύο τύπους σωματιδίων, την εφαρμογή κατάλληλων συντελεστών για την εκτίμηση της μάζας και την σύγκρισή τους με τα αντίστοιχα μοντέλα. Στα πλαίσια της διπλωματικής χρησιμοποιήσαμε το σύνολο των αποτελεσμάτων που προκύπτουν από τον αυτοματοποιημένο αλγόριθμο (Baars et al., 2016) με σκοπό την ανάκτηση της μάζας 50

63 Αποτελέσματα για όλη την περίοδο της πειραματικής εκστρατείας. Ο υπολογισμός του σωματιδιακού συντελεστή αποπόλωσης δεν ήταν όμως εφικτός σε μεγάλο πλήθος μετρήσεων λόγω του μικρού σήματος ως προς θόρυβο (SNR) με την χρήση του εν λόγω αλγορίθμου. Για το λόγο αυτό χρησιμοποιήθηκαν τελικά μεμονωμένες περιπτώσεις μελέτης όπου η ανάκτηση των οπτικών ιδιοτήτων έγινε χειροκίνητα και για μεγαλύτερα χρονικά διαστήματα (ο αυτοματοποιημένος αλγόριθμος έχει χρονική ανάλυση μισής ώρας). Στην συνέχεια παρουσιάζονται τρεις περιπτώσεις μελέτης: Η πρώτη αφορά την περίπτωση μεταφοράς σκόνης από Σαχάρα για τις 26 Ιουνίου 2014 από 00:00 μέχρι 02:20 UTC, η δεύτερη αφορά την περίπτωση θαλάσσιων σωματιδίων στις 15 Ιουλίου 2014 από 23:15 μέχρι 00:40 UTC, και η τρίτη αφορά την μίξη θαλάσσιων και σωματιδίων σκόνης που έγινε στις από τις 00:20 μέχρι τις 02:00 UTC. 4.3 Περιπτώσεις μελέτης Σκόνη από Σαχάρα: , 00:00-02:20 UTC Το βράδυ της αέριες μάζες από την περιοχή της Σαχάρας αφίχθησαν στην ελεύθερη τροπόσφαιρα της Φινοκαλιάς. Αυτό ελέγχθηκε με την χρήση του μοντέλου HYSPLIT και συγκεκριμένα υπολογίστηκαν τεσσάρων ημερών οπισθοτροχιές με ύψη άφιξης τα 2, 3, 4 km για τις ώρες 00:00, 01:00 και 02:00 UTC και παρουσιάζονται στο σχήμα

64 Αποτελέσματα Σχήμα 14: Τεσσάρων ημερών οπισθοτροχιές για τις (α) 00:00 UTC, (β) 01:00 UTC και (γ) 02:00 UTC. Τρία ύψη άφιξης χρησιμοποιήθηκαν (2km: κόκκινο, 3 km: μπλε και 4 km: πράσινο). Όπως είναι φανερό από το σχήμα 15, οι αέριες μάζες κατά την διαδρομή τους μέχρι την περιοχή μελέτης συλλέξαν και μετέφεραν σωματίδια από την περιοχή της Σαχάρας. Αυτό φαίνεται κυρίως στην οπισθοτροχιά των 2 km, χωρίς όμως να αποκλείεται και σε μεγαλύτερα ύψη τόσο των 3 km όσο και των 4 km. Στο σχήμα 16 παρουσιάζονται οι οπτικές ιδιότητες των αιωρούμενων σωματιδίων όπως αυτές ανακτήθηκαν από τις μετρήσεις lidar. 52

65 Αποτελέσματα Ext b355/b532 b532/b1064 vol.depol 532 part. depol 532 vol. depol 355 part. depol Height ase (Km) Bsc.Coef. Ext. Coef. Lidar Ratio Angstrom Depolar. Ratio (Mm -1 sr -1 ) (Mm -1 ) (sr) Exponent Σχήμα 15: Οπτικές ιδιότητες των σωματιδίων στις , 00:00-02:20 UTC (α) συντελεστής οπισθοσκέδασης στα 355, 532 και 1064 nm, (β) συντελεστής οπισθοσκέδασης στα 355, 532 nm, (γ) λόγος lidar στα 355, 532 nm, (δ) εκθέτης Ångström ο βασιζόμενος στους συντελεστής εξασθένισης nm, o βασιζόμενος στους συντελεστής οπισθοσκέδασης nm και nm και (ε) ο σωματιδιακός και χωρικός συντελεστής αποπόλωσης στα 355 και 532 nm. Από την απεικόνιση του συντελεστή οπισθοσκέδασης είναι φανερή η ύπαρξη 3 στρωμάτων. Το πρώτο εκτείνεται από 0.52 μέχρι το 1.04 km, το δεύτερο από 1.05 έως 1.9 km, και το τρίτο από το 1.9 έως το 4.0 km. Η εύρεση των γεωμετρικών ορίων των στρωμάτων πραγματοποιήθηκε με την χρήση του ελαχίστου πρώτης παραγώγου στα 1064 nm. Οι μέσες εντατικές οπτικές ιδιότητες με την τυπική απόκλιση, το εύρος και την διάμεσο των τριών στρωμάτων παρουσιάζονται στον πίνακα

66 Αποτελέσματα Πίνακας 11: Μέση τιμή και τυπική απόκλιση, εύρος και διάμεσος των στρωμάτων της Στρώμα Μέση τιμή ± SD Min Max Διάμεσος Lidar 355 nm * 42 ± 2 *39 42 * ± ± Lidar 532 nm * 34 ± 1 *33 35 * ± ± Ånsgtrom exponent ext nm * -0.1 ± 0.05 * * ± ± Ånsgtrom exponent bcs nm * -0.6 ± 0.01 * * ± ± Ånsgtrom exponent bcs nm * 0.7 ± 0.01 * * ± ± Depolarization 355 nm * 0.3 ± 0.01 * * ± ± Depolarization 532 nm * 0.3 ± * * ± ± *οι τιμές του πρώτου στρώματος είναι ενδεικτικές και αναφέρονται μόνο στο εύρος των υψών km Αξιοσημείωτο είναι ο αρνητικός συντελεστής Ångström ο βασιζόμενος στους συντελεστές οπισθοσκέδασης 355 και 532 nm που προκύπτει από το γεγονός ότι ο συντελεστής οπισθοσκέδασης στα 355 είναι μικρότερος από αυτόν στα 532 nm. Κάτι τέτοιο είναι σπάνιο έχει όμως παρατηρηθεί και στο παρελθόν (Balis et al., 2004, GRL). Την ίδια ώρα και μέρα πραγματοποιήθηκε μέτρηση με το σύστημα EMORAL και εμφανίζεται ακριβώς η ίδια συμπεριφορά. Παρόλα αυτά η φασματική εξάρτηση του 54

67 Αποτελέσματα συντελεστή οπισθοσκέδασης δεν είναι αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής, καθώς θα γίνει χρήση μόνο του συντελεστή οπισθοσκέδασης στο ορατό (532 nm) Height (m) x x x x10-6 Backscatter Coefficient (1/m*sr) Σχήμα 16: Συντελεστής οπισθοσκέδασης στα 355, 532 και 1064 nm όπως μετρήθηκε από το σύστημα EMORAL στις , 00:00-02:20 UTC Οι μέσες τιμές του λόγου lidar είναι ενδεικτικές της παρουσίας σκόνης από την Σαχάρα, αλλά με πιθανή ανάμιξη και άλλων μη απορροφητικών σωματιδίων. Στο ίδιο συμπέρασμα οδηγούμαστε μελετώντας τις τιμές του συντελεστή αποπόλωσης όπου οι μεγάλες τιμές του αποδεικνύουν πλέον την ύπαρξη μη σφαιρικών σωματιδίων (σωματίδια σκόνης από Σαχάρα), με την μικρή επίδραση και κάποιων σφαιρικών σωματιδίων που μειώνουν ελαφρώς τον συντελεστή αποπόλωσης. Τα σωματίδια αυτά τα κατηγοριοποιούμε ως non-dust και δεν θα ασχοληθούμε στην συνέχεια με αυτά. Στην συνέχεια στηριζόμαστε στον συντελεστή οπισθοσκέδασης και τον συντελεστή αποπόλωσης στα 532 nm για τον διαχωρισμό της κατακόρυφης κατανομής των σωματιδίων σκόνης από τα υπόλοιπα. Η μεθοδολογία περιγράφεται αναλυτικά στην παράγραφο 3.3. Ο διαχωρισμός και το ποσοστό κάθε τύπου σωματιδίου παρουσιάζεται στο σχήμα

68 Αποτελέσματα Σχήμα 17: (α) Διαχωρισμός της σκόνης και των υπολοίπων σωματιδίων για το συντελεστή οπισθοσκέδασης στα 532 nm, (b) o συντελεστής αποπόλωσης στα 532 nm και (γ) η σχετική συνεισφορά κάθε τύπου αιωρούμενων σωματιδίων στις , 00:00-02:20 UTC. Όπως παρατηρούμε το μεγαλύτερο ποσοστό της μετρούμενης ποσότητας ανήκει σε σωματίδια σκόνης Σαχάρας με το ποσοστό αυτό να είναι της τάξης του 90%. Η υπολογιζόμενη καθ ύψος συνεισφορά εφαρμόστηκε στην συνέχεια στον συντελεστή εξασθένισης όπως υπολογίστηκε με την μέθοδο Raman. Στην συνέχεια, χρησιμοποιώντας τον συντελεστή μετατροπής εξασθένισης μάζας για τρεις διαφορετικές πυκνότητες όπως περιεγράφηκε στην παράγραφο 4.1 εκτιμήσαμε την κατακόρυφη κατανομή της συγκέντρωσης μάζας για τα σωματίδια της σκόνης από την Σαχάρα. Τα αποτελέσματα μας συγκρίθηκαν με αυτά του μοντέλου BSC-DREAM8b καθώς και αυτά του μοντέλου SKIRON/Dust και παρουσιάζονται στο σχήμα

69 Αποτελέσματα Σχήμα 18: Συγκέντρωση μάζας όπως υπολογίσθηκε με πειραματικές μετρήσεις lidar για τρεις διαφορετικές πυκνότητες και την εφαρμογή 2 μοντέλων. Σύμφωνα με το σχήμα 18, το μοντέλο BSC-DREAM8b φαίνεται να αναπαριστά σωστά την γεωμετρική στρωμάτωση των σωματιδίων σκόνης με μια υποεκτίμηση της μάζας της τάξης περίπου του 3. Από την άλλη μεριά το μοντέλο SKIRON/Dust φαίνεται να αναπαράγει ορθά τις τιμές του χαμηλότερου στρώματος με μεγάλη όμως υπερεκτίμηση του υπερκείμενου στρώματος, τόσο σχετικά με το γεωμετρικό του πάχος όσο και με τις απόλυτες τιμές συγκέντρωσης. Παρατηρούμε δηλαδή ότι υπάρχει συσσωρευμένο φορτίο σκόνης. Αυτό πιθανόν να οφείλεται στην μεγάλη χωρική διακριτική ικανότητα του μοντέλου και κατ επέκταση στην δυσκολία της ακριβούς αναπαράστασης των βροχοπτώσεων καθώς επίσης και στο πλήθος γενικευμένων παραδοχών κατά την παραμετροποίηση του μοντέλου για την ξηρή εναπόθεση. Σύμφωνα με τα μετεωρολογικά δεδομένα η υπαρξη του υπερκειμενου στρώματος είναι πιθανόν να προέρχεται από την μη απόπλυση του κατά την μεταφορά του από μακρινή πηγή σωματιδίων. Είναι επίσης πιθανόν εξαιτίας του ανεμολογικού πεδίου το στρώμα αυτό να απεικονίζεται σε λάθος γεωγραφικό μήκος και πλάτος. 57

70 Αποτελέσματα Θαλάσσια σωματίδια: , 23:00-00:45 UTC Η δεύτερη ημέρα που επιλέξαμε να αναλύσουμε είναι αυτή της 15 ης Ιουλίου Η επιλογή έγινε με βάση την ταυτόχρονη μελέτη του σωματιδιακού συντελεστή αποπόλωσης και των αποτελεσμάτων RAMS/ICLAMS όπως παρουσιαστήκαν στα σχήματα 14(β) και 15. Στο σχήμα 19 παρουσιάζουμε το διορθωμένο με την απόσταση σήμα στα 1064 nm (α) μαζί με τον χωρικό συντελεστή αποπόλωσης στα 532 nm από το μεσημέρι της 15 ης Ιουλίου μέχρι και το πρωί της 16 ης Ιουλίου. Παρατηρούμε την ύπαρξη ενός διακριτού στρώματος που εκτείνεται από το έδαφος μέχρι και τα 2 περίπου km, το οποίο παρουσιάζεται με μικρό συντελεστή αποπόλωσης που σημαίνει ότι πρόκειται για σχεδόν σφαιρικά σωματίδια. Σχήμα 19: (α) Το διορθωμένο με την απόσταση επιστρεφόμενο σήμα στα 1064 nm και (β) ο χωρικός συντελεστής αποπόλωσης από τις 12:00 UTC μέχρι και τις 06:

71 Αποτελέσματα Για να αντιληφθούμε την προέλευση των αερίων μαζών υπολογίσαμε με το μοντέλο HYSPLIT τις οπισθοτροχιές τεσσάρων ημερών με ύψη άφιξης τα 0.5, 2, 2.5 km για τις ώρες 15:00, 21:00 και 01:00 UTC. Οι οπισθοτροχιές παρουσιάζονται στο σχήμα 20. Όλες οι οπισθοτροχιές δείχνουν την άφιξη των αερίων μαζών από τα ΒΔ και πιθανόν πρόκειται για ηπειρωτικές αέριες μάζες με πιθανή ανάμιξη και θαλάσσιων σωματιδίων. Σχήμα 20: Τεσσάρων ημερών οπισθοτροχιές για τις (α) 15:00 UTC, (β) 21:00 UTC και (γ) 01:00 UTC. Τρία ύψη άφιξης χρησιμοποιήθηκαν (0.5km: κόκκινο, 1.5 km: μπλε και 2.5 km: πράσινο). Επιπλέον, χρησιμοποιήσαμε και την κατανομή μεγέθους των σωματιδίων όπως αυτή προκύπτει από το φασματοφωτόμετρο και αναφέρεται σε ολόκληρη την ατμοσφαιρική στήλη και παρουσιάζεται στο σχήμα

72 Αποτελέσματα Σχήμα 21: Κατανομή μεγέθους σωματιδίων από το φασματοφωτόμετρο cimel (α) 15 Ιουλίου 2014 και (β) 16 Ιουλίου 2014 Η κατανομή μεγέθους αναδεικνύει την ύπαρξη δύο μεγίστων (modes), το ένα αφορά λεπτόκοκκα σωματίδια που πιθανόν αντιστοιχεί στα ανθρωπογενούς προέλευσης σωματίδια όπως διαφαίνεται και από την ανάλυση των οπισθοτροχιών και το άλλο μέγιστο αφορά χονδρόκοκκα σωματίδια και αντιστοιχεί στα μεγαλύτερα θαλάσσια σωματίδια. Το δεύτερο μέγιστο γίνεται επικρατέστερο τις απογευματινές ώρες ενώ την επόμενη μέρα και πάλι υποχωρεί σε σχέση με το πρώτο. Επίσης, όπως φαίνεται και από το οπτικό βάθος του ίδιου οργάνου, είναι σχετικά μικρό με μέση τιμή στα 500 nm για τις , ενώ την επόμενη μέρα παρουσιάζεται διπλάσιο με μέση τιμή στο ίδιο μήκος κύματος. Συνήθως η ύπαρξη ανθρωπογενών σωματιδίων χαρακτηρίζεται από μεγαλύτερες τιμές οπτικού βάθους. 60

73 Αποτελέσματα Σχήμα 22: Χρονοσειρά του οπτικού βάθους για διαφορετικά μήκη κύματος (α) 15 Ιουλίου 2014 και (β) 16 Ιουλίου 2014 Στην συνέχεια ανακτήσαμε τις οπτικές ιδιότητες από τις μετρήσεις lidar για τις 23:00-00:45 UTC και τις παρουσιάζουμε στο σχήμα 23. Η κατακόρυφη κατανομή του λόγου lidar παρέχει ισχυρές ενδείξεις ότι τα αιωρούμενα σωματίδια του οριακού στρώματος είναι ανθρωπογενούς προέλευσης με ισχυρή την πρόσμιξη θαλάσσιων σωματιδίων. Τα ανθρωπογενή σωματίδια είναι συνήθως απορροφητικά και χαρακτηρίζονται συνήθως από υψηλότερο λόγο lidar σε σχέση με αυτά των θαλάσσιων. Σχήμα 23: Οπτικές ιδιότητες των σωματιδίων στις , 23:00-02:20 UTC (α) συντελεστής οπισθοσκέδασης στα 355, 532 και 1064 nm, (β) συντελεστής οπισθοσκέδασης στα 355, 532 nm, (γ) λόγος lidar στα 355, 532 nm, (δ) εκθέτης Ångström ο βασιζόμενος στους συντελεστής εξασθένισης nm, o βασιζόμενος στους συντελεστής οπισθοσκέδασης nm και nm και (ε) ο σωματιδιακός και χωρικός συντελεστής αποπόλωσης στα 355 και 532 nm. 61

74 Αποτελέσματα Στην ελέυθερη τροπόσφαιρα εμφανίζεται και ένα διακριτό ανεξάρτητο στρώμα από τα ~2 μέχρι τα ~3 km το οποίο θεωρούμε ότι είναι αμιγώς ηπειρωτικής προέλευσης, χωρίς την επίδραση θαλάσσιων σωματιδίων. Στο συμπέρασμα αυτό οδηγούμαστε από το ύψος στο οποίο εμφανίζεται το στρώμα αλλά και από την αύξηση του λόγου lidar και την μείωση του συντελεστή αποπόλωσης η οποία αρχίζει να διαφαίνεται στο άνω όριο του χαμηλότερου στρώματος (~1.5 km). Έχοντας αναλύσει την πηγή των άεριων μαζών μαζί με τις οπτικές ιδιοτήτες, χρησιμοποιήσαμε τον λόγο της συγκέντρωσης προς το οπτικό βάθος των σωματιδίων για να διαχωρίσουμε την συνεισφορά των ανθρωπογενούς προέλευσης σωματιδίων με αυτά των θαλάσσιων σωματιδίων. Για να τα κάνουμε αυτό παραδεχθήκαμε ότι τα θαλάσσια σωματίδα είναι αυτά που δημιουργούν το δευτερο μέγιστο της κατανομής, ενώ το πρώτο μέγιστο (fine) προκαλείται μόνο απο τα ανθρωπογενούς προέλευσης σωματίδια. Η θεώρηση αυτή είναι καταλυτικής σημασίας αλλά υποστηρίζεται από το γεγονός ότι τα ανθρωπογενούς σωματίδια οφείλονται αφίχθησαν από μακριά (long range transport) και η περιοχή μελέτης μας δεν επηρρεάζεται από κοντινές ανθρωπογενείς πηγές. Έτσι, τα πιθανόν μεγάλα ανθρωπογενή σωματίδια έχουν αφαιρεθεί από την αέρια μάζα κατά την διαδρομή της στην περιοχή μελέτης. Κάνοντας την παραπάνω θεώρηση εκτιμούμε ότι το ποσοστό των θαλάσσιων σωματιδίων στο συνολικό φόρτο είναι της τάξης του 72% Total Fine Coarse 0.7 vol conc. / AOD Time, 15 July 2014 Σχήμα 24: Οι τιμές του λόγου v/τ της ημέρας για κάθε mode αιωρούμενων σωματιδίων. 62

75 Αποτελέσματα Όπως παρατηρούμε στο σχήμα 23 με βάση τον συντελεστή οπισθοσκέδασης και τον γραμμικό συντελεστή αποπόλωσης o οποίος είναι μικρότερος από 5%, συμπεραίνουμε ότι πρόκειται για θαλάσσια σωματίδια στο μεγαλύτερο ποσοστό. Η κατανομή μετά τον διαχωρισμό παρουσιάζεται στο σχήμα 25. Τα θαλάσσια σωματίδια θεωρήθηκε ότι φτάνουν μέχρι το ύψος περίπου των 1.35 km, ενώ για ύψη πάνω από τα 2 km θεωρήθηκε ότι αυτα δεν συμβάλλουν στο συνολικό σωματιδιακό φόρτο. Σχήμα 25: (α) Διαχωρισμός των θαλάσσιων σωματιδίων για το συντελεστή οπισθοσκέδασης στα 532 nm, (b) o συντελεστής αποπόλωσης στα 355 και 532 nm και (γ) η σχετική συνεισφορά κάθε τύπου αιωρούμενων σωματιδίων στις , 23:00-00:45 UTC. 6 5 polluted marine polluted marine 4 Height, km Backscatter 532 nm, Mm -1 sr -1 Σχήμα 26: Διαχωρισμός θαλάσσιων, ανθρωπογενών και ρυπασμένων θαλάσσιων σωματιδίων στις

76 Αποτελέσματα Το πρόβλημα της σύγκρισης των δύο πακέτων δεδομένων βρίσκεται στην αδυναμία του συστήματος lidar να αναπαράγει με ακρίβεια τον συντελεστή εξασθένισης σε χαμηλά ύψη λόγω της μη πλήρους αλληλεπικάλυψης της δέσμης της ακτινοβολίας με το οπτικό πεδίο του τηλεσκοπίου. Το πρόβλημα αυτό αναιρείται, ή ορθότερα μειώνεται, στην περίπτωση του συντελεστή οπισθοσκέδασης γιατί αυτός υπολογίζεται από το λόγο του ελαστικά οπισθοσκεδαζόμενου προς το ανελαστικά οπισθοσκεδαζόμενο σήμα με αποτέλεσμα την αναίρεση της συνάρτησης αλληλεπικάλυψης. Για αυτό το λόγο για τον υπολογισμό της μάζας χρησιμοποιήσαμε τον συντελεστή οπισθοσκέδασης και την χρήση ενός χαρακτηριστικού λόγου lidar της τάξης των 20 sr (πίνακας 3) για την εκτίμηση της μάζας των θαλάσσιων σωματιδίων. Για την εκτίμηση της μάζας στην συγκεκριμένη περίπτωση χρησιμοποιήσαμε τον λόγο vol/τ μόνο για το coarse mode της συγκεκριμένης ημέρας, o οποίος έχει τιμή 0.42, όπως φαίνεται στο σχήμα 27, καθώς τα θαλάσσια σωματίδια ανήκουν σε αυτά τα μεγέθη. Σχήμα 27: Συγκέντρωση μάζας όπως υπολογίσθηκε με πειραματικές μετρήσεις lidar για τρεις διαφορετικές πυκνότητες και την εφαρμογή του μοντέλου Στο σχήμα 27 παρουσιάζουμε την συγκέντρωση μάζας όπως υπολογίσθηκε με πειραματικές μετρήσεις lidar για τρεις διαφορετικές πυκνότητες και τις προσομοιώσεις του μοντέλου RAMS/ICLAMS. Σύμφωνα με τις προσομοιώσεις το στρώμα παρουσιάζεται μέχρι το 1 km με το μέγιστο να εμφανίζεται σε ύψος ~600 m. Οι προσομοιώσεις παρουσιάζονται ανυψωμένες κατά 300 m εξαιτίας του ότι το μοντέλο 64

77 Αποτελέσματα δεν έχει συμπεριλάβει την ορογραφία της περιοχής (~300m asl). Οι τιμές συγκέντρωσης μεταξύ μοντέλου και μετρήσεων παρουσιάζουν πολύ καλή συμφωνία δεδομένης των θεωρήσεων που έλαβαν χώρα Θαλάσσια σωματίδια και σκόνη από Σαχάρα: , 00:20-02:00 UTC Η τρίτη περίπτωση που επιλέξαμε να μελετήσουμε είναι αυτή της 4 ης Ιουλίου 2014, όπου παρατηρείται μίξη σκόνης από τη Σαχάρα και θαλάσσιων σωματιδίων. Στο σχήμα 28 παρουσιάζουμε το διορθωμένο με την απόσταση σήμα στα 1064 nm (α) μαζί με τον χωρικό συντελεστή αποπόλωσης στα 532 nm (β) από τα μεσάνυχτα της 4 ης Ιουλίου μέχρι και το απόγευμα της ίδιας ημέρας. Είναι εμφανής η παρουσία σωματιδίων τις πρωινές ώρες στην ελεύθερη τροπόσφαιρα μέχρι ~6 km, το οποίο όμως φαίνεται να διαλύεται μετά τις 06:00 UTC. Σε χαμηλότερο ύψος παρατηρείται ένα ανεξάρτητο στρώμα σωματιδίων μέχρι ~2 km. το οποίο χαρακτηρίζεται από μικρότερο συντελεστή αποπόλωσης. 65

78 Αποτελέσματα Σχήμα 28: (α) Το διορθωμένο με την απόσταση επιστρεφόμενο σήμα στα 1064 nm και (β) ο χωρικός συντελεστής αποπόλωσης από τις 00:00 UTC μέχρι και τις 18: Εξετάζοντας το στρώμα της ελεύθερης τροπόσφαιρας υπολογίσαμε με το μοντέλο HYSPLIT τις οπισθοτροχιές τεσσάρων ημερών με ύψη άφιξης τα 2, 3, 4 km για τις ώρες 00:00, 01:00 και 02:00 UTC για να αντιληφθούμε την προέλευση των αερίων μαζών. Οι οπισθοτροχιές παρουσιάζονται στο σχήμα 28. Το σχήμα 28 (γ) παρουσιάζει την άφιξη αέριας μάζας στην περιοχή ενδιαφέροντος μετά την συλλογή σωματιδίων σκόνης από το βόρειο τμήμα της Αλγερίας και της Τυνησίας. 66

79 Αποτελέσματα Σχήμα 29: Οπισθοτροχιές τεσσάρων ημερών για τις (α) 00:00 UTC, (β) 01:00 UTC και (γ) 02:00 UTC. Τρία ύψη άφιξης χρησιμοποιήθηκαν (2 km: κόκκινο, 3 km: μπλε και 4 km: πράσινο). Στη συνέχεια για να εξετάσουμε την προέλευση των αέριων μαζών στα χαμηλότερα στρώματα της ατμόσφαιρας υπολογίσαμε με το μοντέλο HYSPLIT τις οπισθοτροχιές τεσσάρων ημερών με ύψη άφιξης τα 0.5, 1, 1.5 km για τις ώρες 00:00, 01:00 και 02:00 UTC. Οι οπισθοτροχιές παρουσιάζονται στο σχήμα 29. Παρατηρούμε ότι σύμφωνα με την διαδρομή των αέριων μαζών είναι πιθανή η μίξη θαλάσσιων με ηπειρωτικών σωματιδίων σε ύψη κάτω από ~2 km. Σχήμα 30: Οπισθοτροχιές τεσσάρων ημερών για τις (α) 00:00 UTC, (β) 01:00 UTC και (γ) 02:00 UTC. Τρία ύψη άφιξης χρησιμοποιήθηκαν (0.5 km: κόκκινο, 1 km: μπλε και 1.5 km: πράσινο). 67