ΑΡΧΕΣ ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΗΣ ΤΗΛΕΠΙΣΚΟΠΗΣΗΣ ΤΩΝ ΑΕΡΙΩΝ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ

Transcript

1 ΑΡΧΕΣ ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΗΣ ΤΗΛΕΠΙΣΚΟΠΗΣΗΣ ΤΩΝ ΑΕΡΙΩΝ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ ΑΝΔΡΕΑΣ ΚΑΖΑΝΤΖΙΔΗΣ Επίκουρος Καθηγητής Εργαστήριο Φυσικής της Ατμόσφαιρας Τμήμα Φυσικής Πανεπιστήμιο Πατρών 1

2 Ακτινοβολία Βασικό σχήμα της δορυφιρικής τηλεπισκόπισης Αέριο Μεταβολή της ακτινοβολίας Δέκτης Αξιολόγηση Παραδοχές Μέτρηση Ανάλυση δεδομένων Τελικό αποτέλεσμα Μοντέλο προσομοίωσης 2

3 Το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα Wavelength λ I I i I I I I I I I I I I I 1km 100m 10m 1m 0.1m 10cm 1cm 1mm 0.1mm 10μm 1μm 0.1μm 10nm 1nm Radiowaves Microwaves thermal X -ray Infrared Visible Ultraviolet Interaction of electromagnetic Rotation Vibration Electron radiation with matter Transition Όλη σχεδόν η ενέργεια στη Γη παρέχεται από τον ήλιο Τα μήκη κύματος μπορεί να κυμαίνονται από μέτρα μέχρι nm Μικρό μήκος κύματος = μεγάλη ενέργεια Η ακτινοβολία αλληλεπιδρά με την ατμόσφαιρα και την επιφάνεια απορρόφηση (θέρμανση, σκίαση) διέργεση (απορρόφηση ενέργειας, χημικές αντιδράσεις) επανεκπομπή 3

4 Φασματικές περιοχές και τηλεπισκόπηση UV: vis: IR: MW: απορρόφηση από κάποια μόρια και τα αιωρούμενα σωματίδια απορρόφηση από το έδαφος (vegetation) από κάποια μόρια από τα αιωρούμενα σωματίδια ένδειξη θερμοκρασίας πληροφόρηση για τα νέφη διαχωρισμός νερού/πάγου ισχυρή απορρόφηση από τα μόρια διαχωρισμός νερού/πάγου πληροφόρηση για την επιφάνεια μερική απορρόφηση από τα μόρια της ατμόσφαιρας 4

5 Η διάδοση της ακτινοβολίας στην ατμόσφαιρα 5

6 altitude Τυπικές πορείες της ακτινοβολίας: UV Σκοτεινή επιφάνεια Ισχυρή μοριακή σκέδαση Σκέδαση ψηλά στην ατμόσφαιρα => Μικρή ευαισθησία στα χαμηλά στρώματα! sensitivity 6

7 altitude Τυπικές πορείες της ακτινοβολίας: visible sensitivity Πιο φωτεινή επιφάνεια Ισχυρή μοριακή σκέδαση Αρκετή σκέδαση ψηλά στην ατμόσφαιρα => Λίγο μεγαλύτερη ευαισθησία στα χαμηλά στρώματα! 7

8 altitude Φωτεινές επιφάνειες (χιόνι, πάγος): UV and visible sensitivity Κυριαρχία της ανάκλασης από το έδαφος Πολλαπλή σκέδαση κοντά στην επιφάνεια => Αυξημένη ευαισθησία κοντά στην επιφάνεια 8

9 altitude Τυπικές πορείες της ακτινοβολίας: NIR Φωτεινή επιφάνεια (εκτός των θαλασσών) Αμελητέα σκέδαση => Πολύ καλή ευαισθησία κοντά στην επιφάνεια sensitivity 9

10 altitude Τυπικές πορείες της ακτινοβολίας: thermal IR sensitivity Εκπομπή από διάφορα ύψη Ευαισθησία κοντά στο έδαφος ανάλογα με τη θερμική αντίθεση => Συνήθως χαμηλή ευαισθησία κοντά στο έδαφος 10

11 altitude Thermal IR με μεγάλη θερμική αντίθεση (έρημος) Εκπομπή ακτινοβολίας από διάφορα ύψη και από την επιφάνεια Αν η επιφάνεια είναι πιο θερμή από την ατμόσφαιρα, δίνει καλή ευαισθησία sensitivity 11

12 Clerbaux, C., et al., Atmos. Chem. Phys., 9, , 2009 Παράδειγμα: θερμική αντίθεση Day Night 12

13 altitude altitude Κατακόρυφη ευαισθησία των δορυφορικών μετρήσεων sensitivity Estimated sensitivity concentration A priori Κατά τους υπολογισμούς, η κατακόρυφη ευαισθησία λαμβάνεται υπόψη Για το υπέρυθρο μπορεί να εκτιμηθεί από μετρήσεις θερμοκρασίας Για το UV/vis υπάρχει πρόβλημα με τα αιωρούμενα σωματίδια και την ανακλαστικότητα του εδάφους Όπου δεν υπάρχει ευαισθησία, γίνονται εκτιμήσεις 13

14 Το πρόβλημα της σκίασης των νεφών ανακλαστικότητα = 0.75 ανακλαστικότητα = % νεφοκάλυψη σημαίνει μόνο 25% επίδραση του εδάφους! Rayleigh scattering Μέρος της μάζας του απορροφητή που βρίσκεται κάτω από τα νέφη «κρύβεται» από τον δορυφόρο Εξαίρεση αποτελούν τα λεπτά νέφη πάνω από ισχυρά ανακλαστικές επιφάνειες Η επίδραση της σκίασης είναι μεγαλύτερη από την αναμενόμενη λόγω του μεγέθους της νέφωσης λόγω της ισχυρής ανακλαστικότητάς της 14

15 Νέφη: επιπτώσεις από την ανακλαστικότητά τους Κάποια φωτόνια σκεδάζονται πριν φθάσουν στον απορροφητή Rayleigh scattering ΧΩΡΙΣ ΝΕΦΩΣΗ most photons are absorbed on the ground albedo =

16 Νέφη: επιπτώσεις από την ανακλαστικότητά τους ΠΟΛΛΑ φωτόνια σκεδάζονται πριν φθάσουν στον απορροφητή Rayleigh scattering Μέρος του απορροφητή που είναι πάνω από το νέφος είναι κλύτερα ορατό από το διάστημα Όσο χαμηλότερο το νέφος, τόσο πιο έντονο το φαινόμενο Πιο σημαντική η επίδραση στο UV από ότι στο vis albedo = 0.75 albedo =

17 Επίδραση της χωρικής ανάλυσης: το παράδειγμα του NO 2 Για αέρια με μικρό χρόνο ζωής στην ατμόσφαιρα, η χωρική διακύμανση είναι μεγάλη Η χωρική διακύμανση βοηθά στην ερμηνεία των αποτελεσμάτων Η χωρική διακύμανση επηρεάζεται από τη νεφοκάλυψη Η ώρα μέτρησης παίζει σημαντικό ρόλο! 17

18 Γιατί χρειαζόμαστε τις δορυφορικές μετρήσεις; Δεν υπάρχουν παντού διαθέσιμες επίγειες μετρήσεις Στην τηλεπισκόπιση χρειαζόμαστε αναλύσεις χρονοσειρών μεγάλου εύρους και σε εκτεταμένες περιοχές Για πολλά φαινόμενα, χρειάζονται μετρήσεις σε παγκόσμια κλίμακα Οι μετρήσεις είναι πλήρως αυτοματοποιημένες Συχνά, μπορούν αν μετρηθούν πολλές παράμετροι την ίδια χρονική στιγμή Είναι φθηνότερες από τις επίγειες (!) 18

19 Ποια είναι τα μειονεκτήματα των δορυφορικών μετρήσεων; Είναι «έμμεσες» μετρήσεις Το ηλεκτρομαγνητικό σήμα συχνά επηρεάζεται και από άλλες παραμέτρους πέραν της μετρούμενης Συνήθως χρειάζονται επιπρόσθετες υποθέσεις και μοντέλα για την ερμηνεία των μετρήσεων Κάποιες φορές η ανάλυση δεν είναι ικανοποιητική Η αξιολόγηση των μετρήσεων είναι δύσκολη ή αδύνατη Η εκτίμηση των σφαλμάτων είναι συχνά δύσκολη 19

20 Ένα ιστορικό παράδειγμα: η «τρύπα του όζοντος» Πρώτη εικόνα της «τρύπας του όζοντος» στην Ανταρκτική (έτος δημοσίευσης: 1985) 20

21 Ένα ιστορικό παράδειγμα: η «τρύπα του όζοντος» Οι «επίγειοι» Οι «δορυφορικοί» Joe Farman R. McPeters Shigeru Chubachi R. Stolarski Pawan Bhartia 21

22 Συγκρίσεις διαφόρων μεθόδων δορυφορικής τηλεπισκόπησης Ναδίρ: Θέα μέχρι την επιφάνεια Καλή χωρική ανάλυση Όχι κατακόρυφη ανάλυση Limb: Καλή κατακόρυφη ανάλυση Μόνο όμως στην περιοχή UT/LS Πιθανότητα επίδρασης από τα νέφη 22

23 Συγκρίσεις διαφόρων μεθόδων δορυφορικής τηλεπισκοπησης Ναδίρ: Θέα μέχρι την επιφάνεια Καλή χωρική ανάλυση Όχι κατακόρυφη ανάλυση UV/vis/NIR: Ευαισθησία μέχρι το έδαφος Σχετικές παρατηρήσεις διαφόρων αερίων Περιορισμένος αριθμός αερίων Μόνο ημερήσιες μετρήσεις Επίδραση των αιωρούμενων σωματιδίων Limb: Καλή κατακόρυφη ανάλυση Μόνο όμως στην περιοχή UT/LS Πιθανότητα επίδρασης από τα νέφη IR: Μεγάλος αριθμός αερίων Μετρήσεις μέρα και νύχτα Μετρήσεις κυρίως για τη μέση τροπόσφαιρα (5-15 km) Πρόβλημα με ισχυρούς απορροφητές Πρόβλημα με σκοτεινές (solar IR) ή φωτεινές (thermal IR) επιφάνειες 23

24 Απορρόφηση αερίων στην ατμόσφαιρα Στο υπεριώδες.. Στο υπέρυθρο.. 24

25 Απορρόφηση αερίων στην ατμόσφαιρα 25

26 Τεχνικές τηλεπισκόπησης 26

27 Βασική αρχή για μετρήσεις σε ζεύγη μηκών κύματος Τα μήκη κύματος έχουν επιλεγεί σε 2 περιοχές με μεγάλη και μικρή απορρόφηση Χρησιμοποιούμε τον νόμο των Lambert-Beer Γνωστά από μετρήσεις του ηλιακού φάσματος στο όριο της ατμόσφαιρας Η χρήση ζεύγους μηκών κύματος σε κοντινή περιοχή έχει ως αποτέλεσμα να υπάρχει παρόμοια επίδραση από τη σκέδαση Rayleigh και Mie Ολική στήλη απορροφητή 27

28 MOPITT Instrument: IR gas correlation spectrometer with pressure modulation Operational since March 2000 Spatial resolution: 22 x 22 km 2 Day + night measurements Global coverage: 3.5 days Species: CO (1 2 DOFS) 28

29 MOPITT: CO column CO total column [101 8 moelc cm -2 MOPITT CO column January 2009 Διαφοροποίηση στα 2 ημισφαίρια Τοπογραφία Μόλυνση στην Ασία Καύση βιομάζας στην Αφρική 29

30 TOMS Instrument: UV discrete (6) wavelengths grating spectrometer Operational: October Spatial resolution: 50 x 50 km 2 Global coverage: 1.5 days Species: O 3, SO 2 30

31 TOMS: Ozone columns Κατά το El Nino μέγιστο στην Ινδονησία Λόγος: φωτοχημικό νέφος από κάυση βιομάζας και μεταβολή των καιρικών συνθηκών Ziemke, J. R et al., (2001), Cloud slicing : A new technique to derive upper tropospheric ozone from satellite measurements, J. Geophys. Res., 106(D9),

32 TOMS: Ozone columns 32

33 GOME / GOME-2 Instrument: 4 channeluv/vis grating spectrometer GOME-2 Operational on ERS on MetOp since Spatial resolution 320 x 40 km 2 80 x 40 km 2 Global coverage: 3 days 1.5 days Species: O 3, NO 2, HCHO, CHOCHO, BrO, IO, SO 2, H 2 O 33

34 Richter, A. et al., GOME observations of tropospheric BrO in Northern Hemispheric spring and summer 1997, Geophys. Res. Lett., No. 25, pp , GOME: συγκεντρώσεις του BrO κατά την άνοιξη στον Β. Πόλο Μεγάλες συγκεντρώσεις Άμεση μείωση του όζοντος 34

35 GOME: συγκεντρώσεις του Η 2 Ο Μεγάλες συγκεντρώσεις στους τροπικούς 35

36 SCIAMACHY scanner modules telescope pre-disperser UV channels 1-2 Vis channels 3-4 NIR channels 5-6 SWIR channels 7-8 Instrument: 8 channel UV/vis/NIR grating spectrometer nadir, limb + occultation measurements Operational on ENVISAT since Spatial resolution (30) 60 x 30 km 2 Global coverage: 6 days Species: O 3, NO 2, HCHO, CHOCHO, BrO, IO, SO 2, H 2 O, CH 4, CO 2, CO 36

37 SCIAMACHY: πηγές μεθανίου στους τροποικούς SCIAMACHY TM3 (model) Οι μετρήσεις του SCIAMACHY και τα μοντέλα συμφωνούν σε όλη σχεδόν τη Γη Iστους τροπικούς, τα μοντέλα υποεκτιμούν το μεθάνιο σε σχέση με τον SCIAMACHY Αυτό δείχνει ότι οι πηγές μεθανίου στους τροπικούς λείπουν από τα μοντέλα Σημαντική πληροφορία για την αποτίμηση των ανθρωπογενών εκπομπών Frankenberg et al., science, 308. no. 5724, pp DOI: /science ,

38 SCIAMACHY: πηγές μεθανίου στους τροποικούς SCIAMACHY TM3 Οι μετρήσεις του SCIAMACHY και τα μοντέλα συμφωνούν σε όλη σχεδόν τη Γη Iστους τροπικούς, τα μοντέλα υποεκτιμούν το μεθάνιο σε σχέση με τον SCIAMACHY Αυτό δείχνει ότι οι πηγές μεθανίου στους τροπικούς λείπουν από τα μοντέλα Σημαντική πληροφορία για την αποτίμηση των ανθρωπογενών εκπομπών Frankenberg et al., science, 308. no. 5724, pp DOI: /science ,

39 Buchwitz et al., ACP, 2007; Schneising et al., ACP, 2008 SCIAMACHY: το CO 2 στο Β. Ημισφαίριο Ανίχνευση του ετήσιου κύκλου Ανίχνευση της ετήσιας μεταβολής Ανίχνευση της χωρικής μεταβλητότητας Όχι καλή ανάλυση σε επίπεδο χώρας για το πρωτόκολλο του Kyoto 39

40 OMI Instrument: UV/vis imaging grating spectrometer (push-broom) Operational on Aura since October 2004 Spatial resolution: up to 13 x 24 km 2 Global coverage: 1 day Species: O 3, NO 2, HCHO, CHOCHO, BrO, SO

41 OMI: SO 2 columns SO 2 από ηφαίστεια στο Ecuador και την Columbia Σήμα από χυτήρια στο Peru Ανίχνευση μεγάλων πηγών ρύπανσης Δυνατότητα παρατήρησης και αξιολόγησης έκτακτων ή μόνιμων μέτρων για τη μείωση του H 2 SO 4 Carn, S. A., et al., t (2007), Sulfur dioxide emissions from Peruvian copper smelters detected by the Ozone Monitoring Instrument, Geophys. Res. Lett., 34, L09801, doi: /2006gl

42 OMI: ΝΟ 2 42

43 ΟΜΙ: τροποσφαιρικό όζον 43

44 Clerbaux, C., et al., Atmos. Chem. Phys., 9, , 2009 IASI Instrument: IR Fourier Transform Spectrometer, 0.5 cm -1 Operational on MetOp since January 2007 Spatial resolution: circular, 12 km diameter Global coverage 2x per day (day and night) Species: H 2 O, HDO, CH 4, O 3, CO, HNO 3, NH 3, CH 3 OH, HCOOH, C 2 H 4, SO 2, CO 2, N 2 O, CFC-11, CFC-12, HCF-22, OCS,... 44

45 Clarisse et al., nature geoscience, doi: /ngeo551, 2009 IASI: NH 3 Για πρώτη φορά μετρήσεις αμμωνίας Ανίχνευση σημαντικών πηγών όπου υπάρχει έντονη αγροτική ή κτηνοτροφική δραστηριότητα 45

46 Περίληψη - Συμπεράσματα Οι δορυφορικές παρατηρήσεις στην τροπόσφαιρα παρέχουν σημαντικά δεδομένα για σημαντικούς ρύπους όπως τα O 3, CO, NO 2, and HCHO Οι μετρήσεις αποτελούν μέσους όρους (κάθετα και οριζόντια) για μια περιοχή και είναι δύσκολο να συγκριθούν με επίγειες μετρήσεις Η δορυφορική τηλεπισκόπηση είναι ένας έμμεσος τρόπος υπολογισμού της συγκέντρωσης των αερίων που απαιτεί τη χρήση a priori πληροφορίας Οι μετρήσεις στο Visible και το NIR παρέχουν σχετικά ακριβή πληροφόρηση για το πλανητικό οριακό στρώμα ενώ το thermal IR μπορεί να χρησιμοποιηθεί για ουσιαστική πληροφόρηση για το τι συμβαίνει μέσα σε όλη την ατμοσφαιρική στήλη Παρόλες τις απροσδιοριστίες των δορυφορικών μετρήσεων, αυτές αποτελούν σημαντικότατη πηγή πληροφοριών για τη σύσταση της ατμόσφαιρας 46

47 Ποιο είναι το μέλλον των δορυφορικών μετρήσεων για τα αέρια της ατμόσφαιρας; Οι δορυφορικές μετρήσεις μπορούν να βελτιωθούν ως προς: Τη χωρική ανάλυση Τη χρονική ανάλυση (γεωστατικές παρατηρήσεις) Τη φασματική περιοχή μετρήσεων και την κατακόρυφη ανάλυση (από το UV μέχρι το IR) Καλύτερη ακρίβεια (υψηλότερη ακρίβεια στο IR) Η αξία των δορυφορικών μετρήσεων μπορεί να βελτιωθεί σημαντικά αν συνδυασθεί με άλλες μετρήσεις Τα δορυφορικά δεδομένα θα αποκτήσουν μεγαλύτερη αξία μέσω της χρήσης τους σε μοντέλα προσομοίωσης της λειτουργίας της ατμόσφαιρας 47

48 Σας ευχαριστώ για την προσοχή σας! 48