Επιδράσεις των νεφών και των ατμοσφαιρικών αιωρημάτων στην ηλιακή ενέργεια στη Θεσσαλονίκη

ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ Επιδράσεις των νεφών και των ατμοσφαιρικών αιωρημάτων στην ηλιακή ενέργεια στη Θεσσαλονίκη ΕΙΣΗΓΗΤΗΣ: ΝΤΗΜΟΣ ΔΗΜΗΤΡΙΟΣ ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ: ΑΛΚΙΒΙΑΔΗΣ ΜΠΑΗΣ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 2012

2

Περίληψη Στην παρούσα εργασία μελετήθηκαν οι επιδράσεις των νεφών και των ατμοσφαιρικών αιωρημάτων στην ηλιακή ενέργεια. Συγκεκριμένα ο σκοπός της εργασίας ήταν να παρουσιάσει μια στατιστική ανάλυση για τις διακυμάνσεις στην συνολική ημερήσια ηλιακή ενέργεια στην δεκαετία 2000-2010, λόγω νεφών και ατμοσφαιρικών αιωρημάτων στο κέντρο της Θεσσαλονίκης. Για τη πραγματοποίηση της στατιστικής αυτής μελέτης χρησιμοποιήθηκαν ημερήσιες μετρήσεις του πυρανομέτρου CM21 από το Εργαστήριο Φυσικής της Ατμόσφαιρας του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης για τα έτη 2000-2010 σε συνδυασμό με μετρήσεις οπτικού βάθους αιωρούμενων σωματιδίων από το φωτόμετρο CIMEL που βρίσκεται στον ίδιο χώρο και ανακτήθηκαν από το δίκτυο AERONET της NASA. Αρχικά διερευνήθηκε η διακύμανση της συνολικής ημερήσιας ηλιακής ενέργειας κατά μέσο όρο για όλες τις ημέρες των ετών 2000-2010 και η οποία έδειξε ότι κυμαίνεται από 3,2 έως και 29 ΜJoule/m 2, με τις μέγιστες τιμές όπως αναμενόταν, κατά τους καλοκαιρινούς μήνες και τις ελάχιστες κατά τους χειμερινούς. Στη συνέχεια εντοπίστηκαν οι ημέρες με συννεφιά με 2 μεθόδους. Με προσέγγιση με πολυώνυμο στις μετρήσεις από το πυρανόμετρο, και με διαχωρισμό των μετρήσεων του πυρανομέτρου όπου το φωτόμετρο δεν πήρε μέτρηση. Το αποτέλεσμα έδειξε την εξασθένιση της ηλιακής ενέργειας κατά τις νεφελώδεις ημέρες από 59% έως 75% στο διάστημα της δεκαετίας που μελετήθηκε. Κατά τις καθαρές ημέρες βρέθηκε μέση τιμή 20,731 ΜJoule/m 2 και στις ημέρες με συννεφιά 6,518 ΜJoule/m 2. Οι ημέρες με μερική νέφωση διαπιστώθηκε ότι άλλοτε αυξάνουν και άλλοτε μειώνουν την ηλιακή ενέργεια. Για να προσδιοριστεί η επίδραση των αιωρημάτων συγκρίθηκαν μετρήσεις οπτικού βάθους αιωρούμενων σωματιδίων με αποκλίσεις από την μέση συνολική ηλιακή ενέργεια. Παρατηρήθηκε μείωση της ακτινοβολίας για αύξηση του οπτικού βάθους. Επίσης βρέθηκε ότι καθώς αυξάνεται το οπτικό βάθος και συγκρίνοντας το με τις αντίστοιχες μετρήσεις από το πυρανόμετρο, η μέση τιμή για τιμές μικρότερες του μέσου οπτικού βάθους απείχαν κατά 3,5% από την μέση τιμή για τιμές μεγαλύτερες του μέσου οπτικού βάθους. Η εργασία συνοδεύεται από θεωρητικό μέρος για την καλύτερη κατανόηση των αποτελεσμάτων της έρευνας. 3

Abstract The present thesis studied the effects of clouds and atmospheric aerosols in solar energy. More specifically, the aim of the thesis was to present a statistical analysis for the variations in the daily total solar energy in the 2000-2010 decade, due to clouds and atmospheric aerosols in Thessaloniki city centre. In order to accomplish this statistical study, CM21 pyranometer s daily measurements were used, taken by the Laboratory of Atmospheric Physics of the Aristotle University of Thessaloniki, for the years 2000-2010. In addition measurements of aerosol optical depth were retrieved by NASA s AERONET network. At first, variation of daily total solar energy averages were studied, and the study showed results between 3,2 and 29 ΜJoule/m 2, with maximum values in summers and minimum values in winters. Thereafter, cloudy days were tracked using 2 methods. Polynomial approach in pyranometer s measurements, and separating pyranometer s measurements in which photometer was not able to take a measurement. Results showed the weakening of solar energy at the cloudy days from 59% to 75% in the interval of decade that was studied. During clean days the average was 20,731 ΜJoule/m 2 and 6,518 ΜJoule/m 2 in cloudy days. Partly cloudy days was realized that either increase or decrease solar energy. In order to determine the effect of aerosols, measurements of optical depth were compared with deviations from total average solar energy measurements. A decrease of radiation was observed, for the increase of the aerosol optical depth. In addition, it was observed that as optical depth was increased and comparing it with relevant pyranometer s measurements, the average solar energy for average optical depth and above was 3,5% different from the average solar energy for average optical dept and below. The thesis contains a theoretical part in order to obtain a better comprehension of the research results. 4

Περιεχόμενα Θεωρητικό Μέρος.. 6 1. Ηλιακή Ενέργεια.. 6 1.1 Εισαγωγή.. 6 1.2 Σύνθεση της ηλιακής ακτινοβολίας.. 7 1.3 Μεταβολές της ηλιακής ακτινοβολίας 8 1.4 Αλληλεπίδραση της ηλιακής ακτινοβολίας με την ατμόσφαιρα.. 9 1.4α Σκέδαση της ηλιακής ακτινοβολία... 9 1.4β Απορρόφηση της ηλιακής ακτινοβολίας... 10 1.5 Νόμος των Beer-Lambert. 10 2. Ατμοσφαιρικά αιωρήματα και νέφη... 12 2.1 Αιωρούμενα Σωματίδια.. 12 2.1α Προέλευση αιωρούμενων σωματιδίων.. 13 2.1β Χημική σύσταση αιωρούμενων σωματιδίων... 14 2.1γ Επιπτώσεις στην υγεία.. 14 2.1δ Οπτικές ιδιότητες αιωρούμενων σωματιδίων... 14 2.2 Νέφη 17 3. Δίκτυο AERONET και περιγραφή οργάνων μέτρησης. 19 3.1 Δίκτυο AERONET.. 19 3.2 Σύστημα μέτρησης CIMEL. 19 3.3 Πυρανόμετρο CM21 21 Πειραματικό Μέρος. 23 4.1 Σκοπός της εργασίας. 23 4.2 Τα δεδομένα που χρησιμοποιήθηκαν. 23 Επεξεργασία Μετρήσεων. 26 5.1 Ενέργεια ηλιακής ακτινοβολίας ανά ημέρα.. 26 5.2 Μεταβολές λόγω νεφών.. 28 5.3 Μεταβολές λόγω ατμοσφαιρικών αιωρημάτων.. 35 Συμπεράσματα.. 38 Βιβλιογραφία. 40 5

Θεωρητικό Μέρος Ο σκοπός της παρούσας πτυχιακής εργασίας είναι η στατιστική μελέτη της επίδρασης των νεφών και των ατμοσφαιρικών αιωρημάτων στην ηλιακή ενέργεια στη Θεσσαλονίκη. Για να γίνει κατανοητή η μελέτη αυτή συνοδεύεται από μια συνοπτική θεωρητική εισαγωγή όπου επεξηγούνται κάποιες βασικές έννοιες όσον αφορά την ηλιακή ακτινοβολία, τα νέφη, τα αιωρήματα καθώς και των οργάνων που χρησιμοποιήθηκαν. 1. Ηλιακή Ενέργεια 1.1 Εισαγωγή Ο ήλιος αποτελεί μία από τις σημαντικότερες πηγές ενέργειας στο περιβάλλον, αφού η ηλιακή ακτινοβολία μεταφέρει τεράστιες ποσότητες ενέργειας προς όλες τις κατευθύνσεις στο χώρο. Η συνολική ενέργεια που δέχεται ο πλανήτης από τον ήλιο κατά τη διάρκεια ενός έτους είναι περίπου 5,4 x 10 24 Joules (1,5 x 10 18 KWh) εκ των οποίων περίπου το 30% ανακλάται πίσω στο διάστημα. Η συνολική ενέργεια που απορροφά η Γη από τον Ήλιο σε ένα χρόνο, είναι δεκαπλάσια των ορυκτών καυσίμων που διαθέτει ο πλανήτης μας. Η μέγιστη ροή που μπορεί να φτάσει στο έδαφος είναι της τάξης του 1kW m -2, και ανήκει στη φασματική περιοχή μεταξύ 300 και 2500 nm. Σε μια κατοικημένη περιοχή της Γης η ηλιακή ενέργεια που δέχεται ένας τόπος μέσα σε μια ημέρα ανά μονάδα επιφάνειας κυμαίνεται μεταξύ 3 και 30 ΜJ m -2 day -1, ανάλογα με τον τόπο, την εποχή και τις επικρατούσες καιρικές καταστάσεις. Βλέπουμε λοιπόν ότι η ακτινοβολία που δέχεται η γη από τον ήλιο αποτελεί μια σημαντική πηγή ενέργειας για τον άνθρωπο καθώς είναι ανεξάντλητη και καθαρή προς το περιβάλλον. Σαν κύρια μειονεκτήματα μπορούμε να αναφέρουμε το γεγονός ότι απαιτούνται μεγάλες επιφάνειες για την συλλογή της, και το ότι δεν είναι συνεχώς διαθέσιμη λόγω της ημερήσιας διακύμανσής της και της επίδρασης των μετεωρολογικών συνθηκών. 6

1.2 Σύνθεση της ηλιακής ακτινοβολίας Αναλύοντας το φάσμα της ακτινοβολίας που εξέρχεται από τον ήλιο είναι προσεγγιστικά σαν αυτό ενός μέλανος σώματος με θερμοκρασία περίπου 5.700 K. Το 98% της εκπεμπόμενης ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας από τον ήλιο έχει μήκος κύματος μεταξύ 250nm και 3000nm. Το μήκος κύματος στο οποίο αντιστοιχεί το μέγιστο της έντασης είναι περίπου 470nm. Εξετάζοντας το φάσμα της, και από άποψη ενέργειας, η ηλιακή ακτινοβολία διακρίνεται στις εξής τρεις περιοχές: Υπεριώδης ακτινοβολία (λ < 400 nm): 9% της ολικής ενέργειας Ορατή ακτινοβολία (400 nm < λ < 700 nm): 45% της ολικής ενέργειας Υπέρυθρη ακτινοβολία (λ > 700 nm): 46% της ολικής ενέργειας ([1],[3]) Στο Σχήμα 1.1 βλέπουμε το φάσμα της ηλιακής ακτινοβολίας στο άνω όριο της ατμόσφαιρας, στην επιφάνεια της θάλασσας και μια ιδανική καμπύλη ακτινοβολίας μέλανος σώματος στους 5.700 Κ. Παρατηρούμε την καλή συμφωνία της θεωρητικής προσέγγισης του μελανού σώματος με την πραγματική ακτινοβολία στο άνω όριο της ατμόσφαιρας, ειδικά στα μεγάλα μήκη κύματος. Επίσης είναι εμφανής η μείωση της ροής της ηλιακής ακτινοβολίας στην επιφάνεια της θάλασσας. Σχήμα 1.1: Ηλιακή ακτινοβολία στο όριο της ατμόσφαιρας και στην επιφάνεια της θάλασσας 7

1.3 Μεταβολές της ηλιακής ακτινοβολίας Η ολική ηλιακή ακτινοβολία που προσπίπτει πάνω σε μια οριζόντια ή κεκλιμένη επιφάνεια, έχει δυο συνιστώσες: την άμεση και την διάχυτη ηλιακή ακτινοβολία. Άμεση ηλιακή ακτινοβολία είναι αυτή η οποία φτάνει απ' ευθείας από τον ηλιακό δίσκο στην επιφάνεια του εδάφους χωρίς να έχει υποστεί σκέδαση ή απορρόφηση κατά τη διαδρομή της μέσα στην ατμόσφαιρα. Εξαρτάται από την απόσταση Ήλιου-Γης, την ηλιακή απόκλιση, το ηλιακό ύψος, το γεωγραφικό πλάτος του τόπου, το υψόμετρο του τόπου, την κλίση της επιφάνειας επί της οποίας προσπίπτει, καθώς και από την απορρόφηση και διάχυση την οποία υφίσταται μέσα στην ατμόσφαιρα. Η ηλιακή ενέργεια στην επιφάνεια της Γης παρουσιάζει σημαντικές μεταβολές στο χώρο και το χρόνο, οι οποίες κατά κύριο λόγο οφείλονται στη συνεχή μεταβολή της σχετικής θέσης της πηγής της (Ήλιος) µε τη Γη, τη γεωμετρία που διέπει τη διάδοσή της και τον τρόπο µε τον οποίο προσπίπτει σε ένα σώμα, και τέλος τις αλληλεπιδράσεις της µε διάφορα ατμοσφαιρικά συστατικά που συναντά κατά την διάδοσή της. ([1]) Κατά μέσο όρο, η συνολική ροή στο άνω όριο της ατμόσφαιρας, γνωστή και ως ηλιακή σταθερά, είναι περίπου 1367 W m -2, μεταβάλλεται δε κατά τη διάρκεια ενός έτους κατά περίπου 6.9% λόγω της μεταβολής στην απόσταση ηλίου-γης. Στην ακτινοβολία που δέχεται η Γη από τον Ήλιο έχουν ανιχνευθεί διάφορες περιοδικές μεταβολές, οι οποίες οφείλονται είτε σε μεταβολές στην ενέργεια που εκπέμπεται (ηλιακές κηλίδες και εκλάμψεις) είτε σε μεταβολές στην απόσταση μεταξύ γης και ήλιου. Μία από αυτές είναι ο ενδεκαετής κύκλος των ηλιακών κηλίδων, συχνά αποκαλούμενος απλά ηλιακός κύκλος. Παρατηρείται επίσης ένας κύκλος περίπου 27 ημερών που συνδέεται με την περιστροφή του ήλιου γύρω από τον άξονά του, ο οποίος φέρνει τις ηλιακές κηλίδες μέσα και έξω από το οπτικό πεδίο της γης, και ονομάζεται κύκλος της ηλιακής περιστροφής. ([2]) Στην παρούσα εργασία θα προσπαθήσουμε να περιορίσουμε την επίδραση αυτών των μεταβολών στις μετρήσεις μας για να βγάλουμε κάποια ασφαλή συμπεράσματα για τη διακύμανση της ακτινοβολίας μέσα στην ατμόσφαιρα. 8

1.4 Αλληλεπίδραση της ηλιακής ακτινοβολίας με την ατμόσφαιρα Στις προηγούμενες παραγράφους είχε θεωρηθεί ότι η ηλιακή ακτινοβολία φθάνει σε ένα επίπεδο στο έδαφος της Γης χωρίς να ληφθεί υπόψη η ύπαρξη της Γήινης ατμόσφαιρας. Όταν η ηλιακή ακτινοβολία διέρχεται μέσα από την ατμοσφαιρική μάζα, εξασθενεί σαν αποτέλεσμα των μηχανισμών σκέδασης και απορρόφησης στα διάφορα συστατικά της ατμόσφαιρας. Το μέγεθος της εξασθένισης εξαρτάται από την φασματική περιοχή της ακτινοβολίας και από το μήκος της διαδρομής που αυτή διανύει. Η συνιστώσα αυτή της ηλιακής ακτινοβολίας ονομάζεται διάχυτη. Η διάχυτη ηλιακή ακτινοβολία εξαρτάται από το ηλιακό ύψος(α), το υψόμετρο του τόπου, τη λευκαύγεια του εδάφους, το ποσό και το είδος των νεφών, καθώς και από την παρουσία διαφόρων κέντρων σκεδάσεως (αερολυμάτων, υδροσταγόνων κ.α.) που υπάρχουν στην ατμόσφαιρα. Όσο μεγαλύτερη είναι η απόσταση που διανύει η ηλιακή ακτινοβολία μέσα στην ατμόσφαιρα, τόσο μικρότερο είναι το ποσό της ηλιακής ακτινοβολίας που προσπίπτει στην επιφάνεια της Γης. Για τον λόγο αυτό η ένταση της είναι πολύ μεγαλύτερη κατά την θερινή περίοδο σε σχέση με τη χειμερινή. Τέλος, όσο πιο κάθετα προσπίπτει η ηλιακή ακτινοβολία πάνω σε μια επιφάνεια στην Γη τόσο μεγαλύτερη είναι η έντασή της. ([1]) 1.4α Σκέδαση της ηλιακής ακτινοβολίας Όταν μια δέσμη ακτινοβολίας συναντά ένα απλό και μικρό σωματίδιο και έχουμε σαν παραδοχή ότι το μόνο φαινόμενο που συμβαίνει είναι η σκέδαση, τότε όλη η ενέργεια της δέσμης που απορροφήθηκε επανεκπέμπεται με το ίδιο μήκος κύματος ανομοιόμορφα προς όλες σχεδόν τις κατευθύνσεις. Στην περίπτωση αυτή το σωματίδιο δρα σαν μια νέα πηγή φωτός. Στην περίπτωση της ηλιακής ακτινοβολίας, όταν αυτή διαδίδεται μέσα στην ατμόσφαιρα, η ανομοιογένεια που προκαλεί τη σκέδασή της οφείλεται στα κάθε είδους αιωρήματα, στα συσσωματώματα μορίων, στα ίδια τα μόρια της ατμόσφαιρας καθώς και στη θερμική τους κίνηση. Η σκέδαση του φωτός από σωμάτια που είναι πολύ μεγαλύτερα από τα μόρια ονομάζεται σκέδαση Mie. Το φως μπορεί επίσης να εκτραπεί από μεμονωμένα μόρια, μέσω μιας διαδικασίας που ονομάζεται σκέδαση Rayleigh (ή μοριακή σκέδαση). Τα δύο είδη σκεδάσεων παρουσιάζουν αρκετές διαφορές μεταξύ τους για διάφορους λόγους: 9

Αν υπάρχουν αρκετά συστατικά στην ατμόσφαιρα, η σκέδαση Mie έχει σαν αποτέλεσμα η εξερχόμενη ακτινοβολία να έχει περίπου την ίδια ένταση, ανεξάρτητα από την γωνία παρατήρησης (π.χ. σύννεφα). Η σκέδαση Rayleigh όμως παρουσιάζει πολύ ισχυρή εξάρτηση από τη γωνία παρατήρησης, και ο βαθμός αυτής της γωνιακής εξάρτησης εξαρτάται από το μήκος κύματος. Όσο μικρότερο είναι το μήκος κύματος (π.χ. Όσο πιο μπλε είναι το φως στην ορατή περιοχή), τόσο ισχυρότερη είναι η σκέδαση. Αυτός είναι και ο λόγος που το φως του ουρανού εμφανίζεται γαλάζιο. ([2]) 1.4β Απορρόφηση της ηλιακής ακτινοβολίας Αντίθετα προς τη σκέδαση της ηλιακής ακτινοβολίας η οποία είναι συνεχής συνάρτηση του μήκους κύματος, η απορρόφηση είναι γενικά ασυνεχώς επιλεκτική. Όταν η ακτινοβολία διέρχεται μέσα από ένα μέσο (στερεό, υγρό ή αέριο) μέρος των φωτονίων μπορεί να απορροφηθεί από τα συστατικά του. Αυτό σημαίνει ότι η εξερχόμενη από το μέσο ακτινοβολία είναι ασθενέστερη. Ο αριθμός των φωτονίων που απορροφάται εξαρτάται από: α) τον αριθμό των εισερχόμενων φωτονίων β) τον αριθμό των συστατικών που απορροφούν ανά μονάδα όγκου του μέσου γ) το μήκος της διαδρομής που διανύουν τα φωτόνια στο μέσο. Στο υπεριώδες και στο ορατό το συστατικό της ατμόσφαιρας που παρουσιάζει την μεγαλύτερη απορρόφηση είναι το όζον, και για το υπέρυθρο είναι οι υδρατμοί και το διοξείδιο του άνθρακα. ([2],[3]) 1.5 Νόμος των Beer-Lambert Γενικά όπως αναφέρθηκε και προηγουμένως ηλιακή ακτινοβολία διατρέχοντας την ατμοσφαιρική μάζα εξασθενεί τόσο λόγω σκέδασης όσο και λόγω απορρόφησης, συναρτήσει του μήκους κύματος και στις δύο περιπτώσεις. Αν θεωρήσουμε μια μονοχρωματική παράλληλη δέσμη φωτός που προσπίπτει με ζενίθια γωνία θ σε ένα ατμοσφαιρικό στρώμα πάχους z (m), στο οποίο είναι ομογενώς διεσπαρμένο ένα 10

απορροφητικό αέριο με αριθμητική πυκνότητα n (σε μόρια m -3 ), τότε η σχέση μεταξύ της προσπίπτουσας Ε 0, και της εκπεμπόμενης Ε, θα είναι: (1.1) όπου (1.2) είναι το οπτικό βάθος της απορρόφησης και σ(λ) είναι η ενεργός διατομή της απορρόφησης. Το οπτικό βάθος είναι στην ουσία το μέτρο της διαπερατότητας του μέσου από το οποίο διέρχεται η ακτινοβολία. Όταν παίρνει τιμές ίσες με το μηδέν ή πολύ κοντά σε αυτό, σημαίνει ότι το μέσο εξασθενεί ελάχιστα τη διερχόμενη ακτινοβολία, ενώ όταν παίρνει τιμή 1 σημαίνει ότι η ακτινοβολία απορροφάται ή σκεδάζεται πλήρως από αυτό. ([5]) Σύμφωνα με μετρήσεις που έγιναν στη Θεσσαλονίκη, η εξασθένιση του ορατού τμήματος είναι μεγαλύτερη στη διάρκεια του καλοκαιριού, σχεδόν διπλάσια εκείνης που παρατηρείται στη διάρκεια του χειμώνα. Στη ζώνη των μικρών μηκών κύματος (290nm 525nm) η εξασθένιση, φτάνει το καλοκαίρι σε ποσοστό κοντά στο 90% περίπου αυτής που φτάνει στο ανώτερο όριο της ατμόσφαιρας, ενώ τον χειμώνα κατεβαίνει στο 40%-50%. Τη μικρότερη εξασθένιση παρουσιάζει η περιοχή του ερυθρού (630nm 710nm), η οποία το καλοκαίρι κυμαίνεται μεταξύ 50% - 60%, ενώ τον χειμώνα μεταξύ 20% - 30%. ([3]) Από όλα τα παραπάνω συμπεραίνουμε ότι παρουσιάζουν ενδιαφέρον οι διακυμάνσεις των συγκεντρώσεων νεφών και αιωρημάτων στην αστική περιοχή της Θεσσαλονίκης καθώς προκαλούν διακυμάνσεις στην ηλιακή ενέργεια της πόλης, οι οποίες θα μελετηθούν και θα εκτιμηθούν παρακάτω στο πειραματικό μέρος. 11

2. Ατμοσφαιρικά αιωρήματα και νέφη 2.1 Αιωρούμενα Σωματίδια Ως αιωρούμενα σωματίδια ορίζονται τα στερεά ή υγρά σωματίδια που βρίσκονται σε διασπορά στον αέρα. Αποτελούν έναν από τους σημαντικότερους ρύπους της ατμόσφαιρας των κατοικημένων περιοχών και η ρύπανση της ατμόσφαιρας από αυτά αποτελεί ένα περιβαλλοντικό θέμα αιχμής που μελετάται εντατικά παγκοσμίως. Οι επιδράσεις των αιωρούμενων σωματιδίων είναι σημαντικές και ποικιλόμορφες σε όλους τους τομείς του περιβάλλοντος. Συγκεκριμένα τα αιωρούμενα σωματίδια επηρεάζουν έμμεσα ή άμεσα το κλίμα, καθορίζουν την ποιότητα του αέρα, επηρεάζουν τη δημιουργία νεφών, την ατμοσφαιρική χημεία και τον τρόπο διάδοσης της ηλιακής ακτινοβολίας. Οι επιδράσεις στην υγεία εξαρτώνται πολύ από το μέγεθος των σωματιδίων, τη σύστασή τους, τις οπτικές τους ιδιότητες και τους μηχανισμούς δημιουργίας τους.[2] Τα αιωρούμενα σωματίδια έχουν διάμετρο από 0.01 έως 10 μm. Σχήμα 2.1: Διάφορα χαρακτηριστικά μεγέθη 12

Ο χρόνος παραμονής τους στην ατμόσφαιρα εξαρτάται τόσο από το μέγεθος τους όσο και από το ατμοσφαιρικό στρώμα στο οποίο βρίσκονται. Ο μέσος χρόνος ζωής στην κατώτερη τροπόσφαιρα είναι πέντε ημέρες ενώ στην ανώτερη τροπόσφαιρα φτάνει τον ένα μήνα. Στην στρατόσφαιρα ο χρόνος παραμονής φτάνει τα δύο με τρία χρόνια. Το μεγαλύτερο μέρος της μάζας των αερολυμάτων βρίσκεται στην κατώτερη τροπόσφαιρα. Αυτό οφείλεται κατά κύριο λόγο στο γεγονός ότι οι σημαντικότερες πηγές εκπομπής βρίσκονται κοντά στο έδαφος, οπότε οι μικροί σχετικά χρόνοι παραμονής των αερολυμάτων στην ατμόσφαιρα δεν αφήνουν μεγάλα χρονικά περιθώρια για την μεταφορά τους σε μεγάλα ύψη. 2.1α Προέλευση αιωρούμενων σωματιδίων Τα αιωρούμενα σωματίδια προέρχονται τόσο από ανθρωπογενείς όσο και φυσικές πηγές οι οποίες είναι υπεύθυνες για το 70-90% του συνόλου των αιωρούμενων σωματιδίων. Στον παρακάτω πίνακα βλέπουμε αναλυτικά τις κύριες πηγές. Πίνακας 1: Φυσικές και ανθρωπογενείς πηγές ατμοσφαιρικών σωματιδίων Φυσικές πηγές 10 6 τόνοι / έτος Ανθρωπογενείς πηγές 10 6 τόνοι / έτος Σκόνη 100-500 Εκπομπές 10-90 Πυρκαγιές δασών 3-150 Μετατροπή αερίων σε σωματίδια Ηφαίστεια 25-150 Φωτοχημική μετατροπή αερίων σε σωματίδια Θάλασσες 4-300 Μετατροπή αερίων σε 270-900 σωματίδια Φωτοχημική μετατροπή 75-200 αερίων σε σωματίδια 160-240 15-90 ΣΥΝΟΛΟ 480-2200 185-420 13

2.1β Χημική σύσταση αιωρούμενων σωματιδίων Τα κύρια συστατικά ατμοσφαιρικού αερολύματος αποτελούν: Ορυκτογενή μέταλλα από επαναιώρηση σκόνης. Καθαρός άνθρακας από διαδικασίες καύσης. Οργανικές ενώσεις από προϊόντα ημιτελών καύσεων Άλατα του αμμωνίου, προϊόντα εξουδετέρωσης όξινων ουσιών στην ατμόσφαιρα από την αμμωνία. Άλατα από το θαλασσινό νερό. Άλατα του ασβεστίου από οικοδομικά υλικά και σκόνη Θειικά άλατα, προϊόντα αντιδράσεων του διοξειδίου του θείου. Νιτρικά άλατα, προϊόντα αντιδράσεων των οξειδίων του αζώτου. 2.1γ Επιπτώσεις στην υγεία Έρευνες δείχνουν ότι οι κακές συνέπειες των αερολυμάτων στην υγεία εμφανίζονται ακόμη και σε σχετικά χαμηλές συγκεντρώσεις. Εκτιμάται ότι τα βραχυχρόνια επεισόδια ρύπανσης είναι υπεύθυνα για το 7-10 % των ασθενειών του κατώτερου αναπνευστικού στα παιδιά, και ότι το ποσοστό αυτό αυξάνεται στο 20% στις ρυπασμένες αστικές περιοχές. Ακόμη, πρόσφατες εκτιμήσεις δείχνουν ότι 4-8 % των πρώιμων θανάτων οφείλεται σε έκθεση σε αιωρούμενα σωματίδια. ([4]) 2.1δ Οπτικές ιδιότητες αιωρούμενων σωματιδίων Όπως είδαμε και στο προηγούμενο κεφάλαιο, η ηλιακή ακτινοβολία κατά τη διάδοση της μέσα στην ατμόσφαιρα σκεδάζεται και απορροφάται από τα διάφορα συστατικά της ατμόσφαιρας, μεταξύ των οποίων και τα αιωρούμενα σωματίδια. Στο παρακάτω σχήμα φαίνεται η επίδραση ενός στρώματος σωματιδίων στην ακτινοβολία, είτε αυτή προέρχεται από τον ήλιο, είτε από το έδαφος. 14

Σχήμα 2.2: Επίδραση στρώματος σωματιδίων στην ακτινοβολία Το στρώμα αυτό των σωματιδίων φωτίζεται από την άμεση και τη διάχυτη ηλιακή ακτινοβολία και απορροφά ένα μέρος της ακτινοβολίας, ενώ σκεδάζει ένα άλλο προς όλες τις κατευθύνσεις. Από την ακτινοβολία που εξέρχεται από το στρώμα και διαδίδεται προς το έδαφος (είτε είναι άμεση είτε διάχυτη), ένα μέρος της απορροφάται και ένα σκεδάζεται από την ατμόσφαιρα και το έδαφος. Από αυτό το ποσοστό που επανασκεδάζεται προς το διάστημα, ένα ποσοστό διαδίδεται μέσα από το στρώμα των σωματιδίων (με ή δίχως σκέδαση) και διαφεύγει προς το διάστημα, ενώ το υπόλοιπο επανασκεδάζεται προς τα κάτω. Η διαδικασία αυτή επαναλαμβάνεται. Γενικά η ύπαρξη σωματιδίων στην ατμόσφαιρα μπορεί να επιδράσει με δύο τρόπους στη διαμόρφωση του κλίματος της γης. Μπορούν είτε να αλλάξουν (αυξήσουν ή ελαττώσουν) την ενέργεια που απορροφά ο πλανήτης, είτε να μεταβάλλουν τον τρόπο θέρμανσης και ψύξης του συστήματος έδαφος - ατμόσφαιρα. ([1]) 15

Σχήμα 2.3: Φυσικά φαινόμενα που μπορούν να συμβούν κατά την αλληλεπίδραση ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας με ένα σωματίδιο Το μέγεθος με το οποίο θα ασχοληθούμε στην παρούσα εργασία είναι το οπτικό βάθος αιωρούμενων σωματιδίων (Aerosol Optical Depth, AOD),τ. Όπως είδαμε στη σχέση (1.1), το οπτικό βάθος είναι ο συντελεστής στο νόμο του Beer, που εκφράζει την εξασθένιση μιας παράλληλης δέσμης φωτός όταν αυτή διαπερνά ένα μέσο. Το πώς εξαρτάται το οπτικό βάθος από μήκος κύματος της ακτινοβολίας, περιγράφεται από τη σχέση: (2.1) όπου β είναι ο συντελεστής θόλωσης και α ο συντελεστής Angstrom. Οι μετρήσεις του οπτικού βάθους οι οποίες διεξάγονται στη πόλη της Θεσσαλονίκης, γίνονται στο σταθμό μέτρησης που είναι τοποθετημένος στο κέντρο της πόλης, στην ταράτσα του κτιρίου Θετικών Επιστημών του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης. Οι μετρήσεις γίνονται με το φωτόμετρο CIMEL Electronique 318A το οποίο είναι μέρος του δικτύου AERONET της NASA και πιο αναλυτικά περιγράφονται παρακάτω. 16

2.2 Νέφη Νέφος λέγεται το ορατό σύνολο υδροσταγονιδίων και/ή παγοκρυστάλλων που αιωρείται στην ατμόσφαιρα σε συνθήκες υπερκορεσμού. Ουσιαστικά πρόκειται για το αποτέλεσμα συμπύκνωσης υδρατμών στην ατμόσφαιρα. Η μορφή ενός νέφους εξαρτάται κυρίως από τις διαστάσεις και την κατανομή των συστατικών που το αποτελούν. Καθώς βρίσκονται σε διαρκή κίνηση και εξέλιξη, παρουσιάζουν μεγάλη ποικιλία μορφών ορισμένες από τις οποίες παρατηρούνται συχνά και έχουν καταγραφεί από τον Παγκόσμιο Οργανισμό Μετεωρολογίας. ([3]) Τα νέφη εξασθενίζουν ισχυρά την υπέρυθρη ακτινοβολία απορροφώντας την, ενώ δεν απορροφούν καθόλου την ορατή και την υπεριώδη, λόγω του ότι αποτελούνται από νερό και ως γνωστόν το καθαρό νερό απορροφά ελάχιστα την υπεριώδη και την ορατή ακτινοβολία. Όμως εξασθενίζουν την ορατή και την υπεριώδη μέσω σκέδασης, και επειδή το μέγεθος των υδροσταγονιδίων είναι πολύ μεγαλύτερο του μήκους κύματος της προσπίπτουσας σε αυτά ακτινοβολίας, ακολουθούν τη θεωρία του Mie. Σε αρκετές περιπτώσεις όμως η σκέδαση μπορεί να είναι καθαρά ελαστική. Τα νέφη παίζουν σημαντικό ρόλο στη διαμόρφωση του ηλιακού δυναμικού ενός τόπου, καθώς οπτικά πυκνά νέφη μπορούν να οδηγήσουν ακόμη και σε πρακτικά ολική εξασθένιση της ακτινοβολίας. Καταλαβαίνουμε ότι το μέγεθος της εξασθένισης εξαρτάται από το πάχος και το είδος της νέφωσης. Αραιά και διάσπαρτα νέφη δεν έχουν μεγάλη επίπτωση (περίπου 10%), ενώ τα χαμηλά και σκούρα νέφη προκαλούν σημαντική εξασθένιση (έως και 80%). Υπό κάποιες συνθήκες που φαίνονται στο παρακάτω σχήμα, κάποια μεμονωμένα σύννεφα μπορούν να προκαλέσουν αύξηση στη ροή της ακτινοβολίας στο έδαφος. 17

Σχήμα 2.4: Αναπαράσταση του μηχανισμού ενίσχυσης της ηλιακής ακτινοβολίας από διασκορπισμένα νέφη Επειδή οι μηχανισμοί που οδηγούν σε μεταβολές της ροής της ηλιακής ακτινοβολίας λόγω των νεφών είναι περίπλοκοι, αλλά και η σύσταση κ το μέγεθος των νεφών σε κάποιο βαθμό άγνωστα, είναι δύσκολο να παραμετροποιήσουμε το ποσό αυτής της εξασθένισης. Για τον λόγο αυτό χρησιμοποιούμε στατιστικές προσεγγίσεις. Μια τέτοια είναι η διαπερατότητα των νεφών, t, η οποία ορίζεται σαν ο λόγος της ροής ακτινοβολίας, F(c), σε συνθήκες νεφοκάλυψης, c, προς τη ροή σε καθαρό ουρανό ([1]) (2.2) 18

3. Δίκτυο AERONET και περιγραφή οργάνων μέτρησης 3.1 Δίκτυο AERONET Το πρόγραμμα AERONET (Aerosol Robotic NETwork) είναι ένας οργανισμός από επίγεια δίκτυα μέτρησης αιωρούμενων σωματιδίων ο οποίος ιδρύθηκε από τη NASA και την LOA PHOTONS (CNRS) και επεκτείνεται από τους συνεργάτες από εθνικές αντιπροσωπείες, ινστιτούτα, πανεπιστήμια, ανεξάρτητους επιστήμονες και άλλους εταίρους. Το πρόγραμμα παρέχει μια μακροχρόνια, συνεχή και εύκολα προσβάσιμη από το κοινό βάση δεδομένων με τις οπτικές, μικροφυσικές και ακτινικές ιδιότητες των αιωρούμενων σωματιδίων, με σκοπό την έρευνα, τον χαρακτηρισμό, τον έλεγχο της εγκυρότητας των δορυφορικών αποστολών και τον συνδυασμό με άλλες βάσεις δεδομένων. Το δίκτυο προβλέπει τυποποίηση των οργάνων, της βαθμονόμησης, της επεξεργασίας και της διανομής δεδομένων. Το δίκτυο AERONET παρέχει παρατηρήσεις του φασματικού οπτικού βάθους των αιωρούμενων σωματιδίων (ΑΟD) και άλλων ιδιοτήτων τους σε παγκόσμια κλίμακα. Τα δεδομένα για το οπτικό βάθος των αιωρούμενων σωματιδίων υπολογίζονται για τρία επίπεδα ποιότητας δεδομένων: Επίπεδο 1.0 (αφιλτράριστα unscreened), Επίπεδο 1.5 (φιλτραρισμένα όσον αφορά τα νέφη cloud- screened) και Επίπεδο 2.0 (φιλτραρισμένα για τα νέφη και ποιοτικώς εξασφαλισμένα quality-assured). 3.2 Σύστημα μέτρησης CIMEL Το φασματικό ραδιομέτρο CIMEL Electronique 318A είναι ένα φωτόμετρο που λειτουργεί με ηλιακή ενέργεια, ανθεκτικό στις καιρικές συνθήκες και στοχεύει ρομποτικά στον ήλιο και τον ουράνιο θόλο. Η διάταξη φαίνεται στη παρακάτω φωτογραφία. 19

Σχήμα 3.1: Διάταξη μέτρησης του φασματικού ραδιομέτρου CIMEL Electronique 318A. Αποτελείται από έναν αισθητήρα ο οποίος στρέφεται προς τον ήλιο σύμφωνα με μια προγραμματισμένη διαδρομή και ένα αδιάβροχο πλαστικό κουτί που περιέχει τον ρυθμιστή τις μπαταρίες και τον εξοπλισμό μετάδοσης των δεδομένων. Το ραδιόμετρο πραγματοποιεί δύο βασικές μετρήσεις: μετρά απευθείας ή τον ουράνιο θόλο. Οι μετρήσεις άμεσης ηλιακής ακτινοβολίας γίνονται σε οχτώ φασματικές ζώνες που απαιτούν περίπου δέκα δευτερόλεπτα. Οχτώ φίλτρα παρεμβολής στα μήκη κύματος των 340, 380, 440, 500, 670, 870, 940 και 1020 nm τοποθετούνται σε έναν τροχό ο οποίος περιστρέφεται μηχανικά. Το κανάλι των 940 nm χρησιμοποιείται για τον καθορισμό της στήλης του ύδατος. Μια προγραμματισμένη εκ των προτέρων αλληλουχία μετρήσεων λαμβάνεται από αυτά τα όργανα ξεκινώντας για μια αέρια μάζα (air mass) στις 7 το πρωί και τελειώνει 7 το βράδυ. Το οπτικό βάθος υπολογίζεται από τη φασματική εξασθένιση της άμεσης ακτινοβολίας σε κάθε μήκος κύματος σύμφωνα με το νόμο Beer Bouguer. Η εξασθένιση μέσω της σκέδασης Rayleigh και η απορρόφηση από το όζον και άλλους αέριους ρύπους υπολογίζεται και αφαιρείται έτσι ώστε να απομονωθεί το οπτικό βάθος των αιωρούμενων σωματιδίων (AOT). Μια ακολουθία τριών τέτοιων μετρήσεων λαμβάνεται κάθε 30 δευτερόλεπτα δημιουργώντας μία τριπλή παρατήρηση για κάθε μήκος κύματος. Μια ακολουθία τριών τέτοιων μετρήσεων λαμβάνεται κάθε 30 δευτερόλεπτα δημιουργώντας μία τριπλή παρατήρηση για κάθε μήκος κύματος. Κατά τη διάρκεια των περιόδων μεγάλης αέριας μάζας οι μετρήσεις της άμεσης ηλιακής 20

ακτινοβολίας πραγματοποιούνται σε διαστήματα 0,25 της αέριας μάζας, ενώ σε περιόδους με μικρότερες τιμές αέριας μάζας το διάστημα μεταξύ των μετρήσεων είναι συνήθως 15 λεπτά. Η χρονική διακύμανση των νεφών είναι συνήθως μεγαλύτερη από εκείνη των αιωρούμενων σωματιδίων προκαλώντας μια παρατηρούμενη διακύμανση στην τριάδα των μετρήσεων που μπορεί να χρησιμοποιηθεί ώστε να διαχωριστούν τα νέφη σε πολλές περιπτώσεις. Επιπλέον, το διάστημα των 15 λεπτών επιτρέπει έναν έλεγχο μεγαλύτερης χρονικής συχνότητας για την ύπαρξη των νεφών. Εκτός από τις μετρήσεις της άμεσης ηλιακής ακτινοβολίας οι οποίες πραγματοποιούνται με ένα οπτικό πεδίο 1,2 βαθμών (μοιρών), τα όργανα αυτά μετρούν και την διάχυτη ακτινοβολία σε τέσσερις φασματικές ζώνες (440, 670, 870 και 1020 nm) κατά μήκος του κύριου ηλιακού επιπέδου (δηλαδή σε σταθερή αζιμούθια γωνία, με διάφορες γωνίες σκέδασης) έως και 9 φορές την ημέρα και σε σταθερή γωνία ανύψωσης, με διάφορες αζιμούθιες γωνίες μέχρι 6 φορές την ημέρα. Η κεφαλή του αισθητήρα, όταν το όργανο βρίσκεται σε αδράνεια, είναι σταθμευμένη στοχεύοντας κοντά στο ναδίρ ώστε να αποφευχθεί η ρύπανση του οπτικού παραθύρου από την βροχή και άλλα σωματίδια. Τα δεδομένα που συλλέγει το ραδιόμετρο επεξεργάζονται, διασφαλίζονται ποιοτικά και μέσω του διαδικτύου διανέμονται από το AERONET. 3.3 Πυρανόμετρο CM21 To CM 21 είναι ένα πυρανόμετρο υψηλής απόδοσης, το οποίο χρησιμοποιείται για την μέτρηση της ροής της ακτινοβολίας σε μια οριζόντια επιφάνεια, η οποία προκύπτει από την άμεση και τη διάχυτη συνιστώσα της ηλιακής ακτινοβολίας σε όλο το φάσμα της. 21

Σχήμα 3.2: Πυρανόμετρο CM 21 Η ακτινοβολία που προσπίπτει στο όργανο απορροφάται από ένα μαύρο δίσκο. Η θερμότητα που παράγεται διαχέεται μέσω μιας θερμικής αντίστασης στο κυρίως σώμα του οργάνου. Η διαφορά θερμοκρασίας στα άκρα της αντίστασης δημιουργεί ηλεκτρικό ρεύμα. Η αύξηση της θερμοκρασίας επηρεάζεται συχνά από τη βροχή, τον αέρα και τις απώλειες προς το περιβάλλον. Γι αυτό ο ανιχνευτής του οργάνου είναι προστατευμένος από δύο γυάλινους θόλους. Ένας ξηραντήρας στο κυρίως σώμα του οργάνου προστατεύει από την υγρασία το εσωτερικό των θόλων. Επίσης για να έχουμε ακρίβεια στις μετρήσεις, το όργανο πρέπει να συντηρείται συχνά. Σχήμα 3.3: Τομή πυρανομέτρου CM21 και κατασκευαστικές λεπτομέρειες 22

Πειραματικό Μέρος 4.1 Σκοπός της εργασίας Ο σκοπός της εργασίας αυτής είναι η μελέτη της ετήσιας διακύμανσης της ενέργειας της ηλιακής ακτινοβολίας στην επιφάνεια της γης λόγω νεφών και ατμοσφαιρικών αιωρημάτων, στην αστική περιοχή του κέντρου της Θεσσαλονίκης. Έτσι με τη συλλογή και στατιστική μελέτη μετρήσεων για μια επαρκή χρονική περίοδο, μπορούν να εξαχθούν συμπεράσματα για τη διαθεσιμότητα του ηλιακού δυναμικού σε ένα τόπο. 4.2 Τα δεδομένα που χρησιμοποιήθηκαν Για να έχουμε μια πρώτη άποψη για την ετήσια διακύμανση της ενέργειας της ηλιακής ακτινοβολίας στο κέντρο της Θεσσαλονίκης, πήραμε ημερήσιες μετρήσεις του πυρανόμετρου CM21 Kipp & Zonen το οποίο βρίσκεται στο εργαστήριο Φυσικής της Ατμόσφαιρας (ΕΦΑ) στη ταράτσα της σχολής Θετικών Επιστημών του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης. Οι μετρήσεις αυτές δίνουν, μετά από κατάλληλη επεξεργασία, τις ημερήσιες τιμές της ενέργειας της ηλιακής ακτινοβολίας σε ΚJoule/m 2 για την περίοδο Ιανουάριος 2000 Ιούλιος 2010. Η καταγραφή των μετρήσεων από το πυρανόμετρο σε έναν ηλεκτρονικό υπολογιστή γίνεται ως εξής: όταν η ηλιακή ακτινοβολία προσπίπτει πάνω στον αισθητήρα του οργάνου, αυτό ενεργοποιείται και μεταφέρει περιοδικά μια δέσμη πληροφοριών και μετρήσεων στον ηλεκτρονικό υπολογιστή. Έτσι ανά τακτά χρονικά διαστήματα έχουμε στον υπολογιστή λεπτομερή στιγμιότυπα μετρήσεων. Τελικά για κάθε χρονική στιγμή γίνεται γνωστή η ροή της ηλιακής ακτινοβολίας που συλλέγεται από το πυρανόμετρο. Έπειτα οι μετρήσεις επεξεργάζονται και παίρνουμε τη συνολική ενέργεια της ακτινοβολίας ανά ημέρα και ανά τετραγωνικό μέτρο. Έπειτα πήραμε μετρήσεις από το δίκτυο AERONET της NASA και το φωτόμετρο CIMEL του ΕΦΑ για τις ημερήσιες τιμές οπτικού βάθους των αιωρούμενων σωματιδίων (AOD) στο μήκος κύματος των 675nm (level 1.5). Οι μετρήσεις αυτές είναι για την περίοδο 1/6/2003 23

13/7/2010. Το γεγονός ότι οι χρονικές περίοδοι στα 2 σετ μετρήσεων δεν ταυτίζονται οφείλονται στη μη διαθεσιμότητα περεταίρω μετρήσεων για την χρονική περίοδο πριν από το 2003 στο δίκτυο AERONET. Επίσης οι μετρήσεις μας δε διατίθενται για όλες τις μέρες του χρόνου και στις 2 περιπτώσεις (CM21 και CIMEL) καθώς τα όργανα μας για κάποιες ημέρες δεν έχουν καταγεγραμμένες μετρήσεις για διάφορους τεχνικούς λόγους ή και λόγους συντήρησης. Ακόμη, το CIMEL παίρνει μετρήσεις μόνο σε συνθήκες καθαρού ήλιου οπότε έμμεσα απορρίπτουμε τις μέρες με νέφη. Η μορφή των μετρήσεων μας φαίνεται στα παρακάτω σχήματα. Στο Σχήμα 4.1 φαίνονται οι μετρήσεις από το πυρανόμετρο CM21 Kipp & Zonen όπως πάρθηκαν από το ΕΦΑ. Στις 3 πρώτες στήλες διακρίνουμε την ημερομηνία της μέτρησης, στη τέταρτη στήλη είναι η ιουλιανή ημερομηνία και στην πέμπτη στήλη είναι η τιμή συνολικής ροής της ηλιακής ακτινοβολίας σε KJoule/m 2. Σε κάποια σημεία παρατηρήσαμε ότι αντί για μέτρηση υπάρχει η τιμή -9. Στις περιπτώσεις αυτές προκύπτει το συμπέρασμα ότι το όργανο δεν πήρε μέτρηση όπως είδαμε και προηγουμένως και η τιμές αυτές αποκόπτονται κατά την επεξεργασία και δε συνυπολογίζονται. Σχήμα 4.1: Ενδεικτικό τμήμα μετρήσεων από το CM21 24

Στο σχήμα 4.2 βλέπουμε κομμάτι από το αρχείο των μετρήσεων του AERONET του φωτόμετρου CIMEL. Στην αριστερή στήλη είναι η ιουλιανή ημερομηνία όπου απορρίπτουμε τα 6 μηδενικά ψηφία και κυμαίνεται από 1 έως 366. Στη δεξιά στήλη βλέπουμε τις μετρήσεις του οπτικού βάθους στα 675nm. Σχήμα 4.2 Ενδεικτικό τμήμα μετρήσεων από το AERONET 25

Επεξεργασία μετρήσεων Οι ημερήσιες μετρήσεις του πυρανόμετρου περάστηκαν στο EXCEL και στη συνέχεια αφαιρέθηκαν από αυτές οι τιμές όπου εμφανίζονταν το -9 ώστε να μην συνυπολογιστούν κατά την επεξεργασία. Επίσης μετατράπηκαν σε ΜJoule/m 2 για ευκολότερη κατανόηση. 5.1 Ενέργεια ηλιακής ακτινοβολίας ανά ημέρα Οι ημερήσιες μετρήσεις του πυρανόμετρου περάστηκαν στο EXCEL και στη συνέχεια αφαιρέθηκαν από αυτές οι τιμές όπου εμφανίζονταν το -9 ώστε να μην συνυπολογιστούν κατά την επεξεργασία. Η πρώτη δουλειά είναι να δούμε την ημερήσια κατανομή της ενέργειας της ηλιακής ακτινοβολίας μέσα σε ένα έτος ώστε να έχουμε μια άποψη για την διακύμανση της ανάλογα με την ημέρα του έτους, αποκλείοντας τις διακυμάνσεις λόγω καιρικών συνθηκών. Οι μετρήσεις μας είναι για 11 έτη (2000-2010) και σκοπός μας είναι να εκτιμήσουμε πόση είναι η μέση συνολική ενέργεια για κάθε μέρα ξεχωριστά το χρονικό διάστημα αυτό των 11 ετών(π.χ. Η ενέργεια κάθε 1 η Ιανουαρίου είναι 4,443 ΜJoule/m 2 ). Για να γίνει αυτό πήραμε τις μέσες τιμές για κάθε μέρα από όλα τα έτη και το αποτέλεσμα φαίνεται στο παρακάτω διάγραμμα. Από τη θεωρία γνωρίζουμε ότι το καλοκαίρι θα έχουμε μεγαλύτερη ενέργεια λόγω μικρότερης απόκλισης των ηλιακών ακτίνων από τη ζενίθεια γωνία. 26

30 (MJoule/m 2 ) 25 20 15 10 5 0 0 50 100 150 200 250 300 350 Σχήμα 5.1: Μέση συνολική ενέργεια ηλιακής ακτινοβολίας ανά ημέρα κατά τη διάρκεια ενός έτους, για τα έτη 2001-2010 στο κέντρο της Θεσσαλονίκης Όπως αναμέναμε, στο Σχήμα 5.1 παρατηρούμε ότι η κατανομή μας έχει κωδωνοειδή μορφή με χαμηλές τιμές τη χειμερινή περίοδο δηλαδή στα αριστερά και στα δεξιά και υψηλές τιμές στο κέντρο, δηλαδή κατά τους καλοκαιρινούς μήνες. Παρατηρούμε ότι ξεκινάμε από την 1 η Ιανουαρίου, δηλαδή την πρώτη μέρα του χρόνου, με ροή 4,436 ΜJoule/m 2. Διακρίνουμε μια σταθερότητα στη ροή κατά τις πρώτες 30 ημέρες η οποία είναι χαμηλή γύρω στα 3-5 ΜJoule/m 2. Όσο προχωράμε, παρατηρούμε την ανοδική τάση της ενέργειας με κάποιο θόρυβο που οφείλεται στο ότι κοντινές μέρες έχουν παραπλήσιες εντάσεις. Οι μεγαλύτερες τιμές της ενέργειας παρατηρούνται στο διάστημα 129-225 (Μάιος-Ιούνιος-Ιούλιος-Αύγουστος) όπου έχουμε τιμές μεγαλύτερες από 25 ΜJoule/m 2. Η μέγιστη ενέργεια παρατηρείται κατά την 188 η ημέρα(29,028 ΜJoule/m 2 ). Από τη μέρα αυτή και μετά βλέπουμε τη μείωση της ροής όπου πλησιάζει και πάλι και σταθεροποιείται περίπου στα 3-5 ΜJoule/m 2. Κοιτάζοντας τις μετρήσεις του πυρανόμετρου παρατηρούμε ότι η συνολική ενέργεια της ακτινοβολίας ανά τετραγωνικό μέτρο ανά ημέρα έχει μεγάλη διακύμανση μέσα στο χρόνο 27

και κυμαίνεται από 0,42 ΜJoule/m 2 έως και 31,991 ΜJoule/m 2, με μέση τιμή στα 15,610 ΜJoule/m 2. Στο επόμενο διάγραμμα έχουμε προσθέσει σε αυτό του σχήματος 4.1 τις τιμές τις τυπικής απόκλισης των μέσων τιμών της έντασης. Παρατηρούμε ότι η τυπική απόκλιση είναι μεγαλώνει όσο μεγαλώνουν οι τιμές της ακτινοβολίας. 30 (MJoule/m 2 ) 25 20 15 10 5 0 0 50 100 150 200 250 300 350 Σχήμα 5.2: Μέση συνολική ένταση ηλιακής ακτινοβολίας ανά ημέρα κατά τη διάρκεια ενός έτους, για τα έτη 2001-2010 στο κέντρο της Θεσσαλονίκης με τυπικές αποκλίσεις 5.2 Μεταβολές λόγω νεφών Για να μελετήσουμε την επίδραση των νεφών στην ένταση της ακτινοβολίας στο έδαφος χρησιμοποιήσαμε ένα πολυώνυμο 6 ου βαθμού ώστε να πάρουμε μια εκτίμηση για το ποιες ημέρες είναι καθαρές και ποιες συννεφιασμένες. Το πολυώνυμο μας έδωσε μια θεωρητική προσέγγιση για το πώς θα έπρεπε να είναι η μέση ακτινοβολία. Από εκεί και πέρα διαχωρίσαμε τις καθαρές και τις συννεφιασμένες μέρες διαιρώντας τη θεωρητική τιμή από την πειραματική. Με τον τρόπο αυτό υπολογίσαμε τη διαπερατότητα των νεφών. Για αποτελέσματα της διαπερατότητας πάνω από 1.2 28

θεωρήσαμε ότι είναι οι μερικώς νεφελώδεις ημέρες, για αποτελέσματα κάτω από 0,8 οι συννεφιασμένες και για τιμές ανάμεσα σε 0,8 και 1,2 είναι οι καθαρές ημέρες από νέφη. Στο παρακάτω διάγραμμα φαίνεται η μορφή του πολυωνύμου. 30 (MJoule/m 2 ) 25 20 15 10 5 0 0 50 100 150 200 250 300 350 Σχήμα 5.3: Προσέγγιση πολυωνύμου 6 ου βαθμού για τη μέση συνολική ένταση ηλιακής ακτινοβολίας ανά ημέρα κατά τη διάρκεια ενός έτους, για τα έτη 2001-2010 στο κέντρο της Θεσσαλονίκης. Το πολυώνυμο, όπως φαίνεται και στο διάγραμμα, έχει την εξής εξίσωση: y = -6,40612E-10x 6 + 7,50287E-7x 5 - -3,09467E-4x 4 + 0,05237x 3 - -3,5565x 2 + 206,61746x + 4026,84067 (5.1) όπου y η τιμή της προσέγγισης της έντασης από το πολυώνυμο και x η ιουλιανή ημερομηνία. 29

Ηλιακή Ενέργεια (ΜJoule/m 2 ) Στη συνέχεια υπολογίστηκαν οι τιμές του πολυωνύμου με βάση τη σχέση 5.1 για όλες τις ημέρες και τις συγκρίναμε με τις μετρήσεις μας από το πυρανόμετρο για κάθε έτος ξεχωριστά με τον τρόπο που περιγράψαμε παραπάνω. Αφού έγινε ο διαχωρισμός των καθαρών-συννεφιασμένων ημερών υπολογίσαμε την μέση τιμή για κάθε έτος ξεχωριστά, και τα αποτελέσματα φαίνονται στα παρακάτω διαγράμματα. Οι μερικώς συννεφιασμένες ημέρες με διαπερατότητα πάνω από 1,2 παρουσιάζονται σε ξεχωριστό διάγραμμα καθώς δε μπορούν να συνυπολογιστούν μαζί με τις συννεφιασμένες με διαπερατότητα κάτω του 0,8 επειδή, μπορεί να αυξάνουν ή να ελαττώνουν την ηλιακή ενέργεια που φτάνει στο έδαφος ανάλογα με τη φύση και τη γεωμετρία των νεφών αυτών. 25 20 15 10 5 0 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 Έτος Σχήμα 5.4: Μέσες τιμές ακτινοβολίας συνολικά για τις καθαρές ημέρες κάθε έτους στη Θεσσαλονίκη Στο διάγραμμα 5.4 βλέπουμε τις μέσες τιμές για κάθε έτος ξεχωριστά της συνολικής ημερήσιας ακτινοβολίας κατά τις καθαρές ημέρες όπως αυτές διαχωρίστηκαν πιο πριν. Παρατηρούμε ότι κυμαίνονται πάνω από τα 19 MJoule/m 2 και κάτω από τα 22 MJoule/m 2. Παρατηρούμε μια μικρή ανοδική τάση από το 2001 ως το 2010 που πιθανώς να οφείλεται στο ότι υπάρχει μια μικρή μείωση 30

Ηλιακή Ενέργεια (ΜJoule/m 2 ) στις συγκεντρώσεις των ρύπων στην ατμόσφαιρα της Θεσσαλονίκης μέσα στη δεκαετία. Η γενική μέση τιμή από όλα τα έτη είναι 20,731 ΜJoule/m 2. Διαπιστώνουμε ότι η μέγιστη είναι το 2007 και η ελάχιστη το 2004 με μια διακύμανση των 2,83 ΜJoule/m 2. Η ίδια δουλειά έγινε και για τις ημέρες με συννεφιά τις οποίες υπολογίσαμε με τη βοήθεια του πολυωνύμου, όπως περιγράψαμε προηγουμένως. 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 Έτος Σχήμα 5.5: Μέσες τιμές ακτινοβολίας συνολικά για τις νεφελώδεις ημέρες κάθε έτους στη Θεσσαλονίκη Στο σχήμα 5.5 βλέπουμε τις μέσες τιμές για κάθε έτος ξεχωριστά της συνολικής ημερήσιας ακτινοβολίας κατά τις νεφελώδεις ημέρες με διαπερατότητα νεφών κάτω του 0,8. Αυτό που παρατηρούμε είναι ότι αυτή τη φορά η ακτινοβολία κυμαίνεται από 5,5 έως και 8,5 ΜJoule/m 2. Η μέση τιμή ανέρχεται στα 6,518 ΜJoule/m 2. Επίσης παρατηρούμε το μεγάλο μέγεθος της μείωσης της ακτινοβολίας σε σχέση με τις καθαρές ημέρες αλλά και από το συνολικό μέσο όρο. Παρατηρούμε 3 με 4 φορές μικρότερη συνολική ημερήσια ακτινοβολία στις νεφελώδεις σε σχέση με τις καθαρές ημέρες. Η τάση είναι σταθερή και ελαφρώς ανοδική μέσα στη δεκαετία, με ελάχιστη 31

Ηλιακή Ενέργεια (ΜJoule/m 2 ) το 2004 και μέγιστη το 2010 για το οποίο είχαμε μετρήσεις μέχρι τον Ιούλιο. Η διαφορά μέγιστου και ελάχιστου είναι στα 2,54 ΜJoule/m 2. Για μια εποπτική ματιά στη διακύμανση της ηλιακής ενέργειας για τις καθαρές και τις συννεφιασμένες ημέρες παραθέτουμε το παρακάτω διάγραμμα (Σχήμα 5.6). 25 20 15 10 5 0 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 καθαρές Έτος Συννεφιασμένες Σχήμα 5.6: Διακύμανση της μέσης συνολικής ημερήσιας ηλιακής ενέργειας για καθαρές και συννεφιασμένες ημέρες ξεχωριστά Παρατηρούμε μεγάλες διακυμάνσεις και είναι φανερή η μεγάλη εξασθένιση της ηλιακής ενέργειας λόγω τω νεφών σε ένα τόπο. Στον παρακάτω πίνακα βλέπουμε τις ποσοστιαίες μειώσεις της ηλιακής ενέργειας λόγω νεφών. 32

Πίνακας 5.1: Ποσοστιαία εξασθένιση ηλιακής ενέργειας λόγω νεφών Έτος Καθαρές (ΜJoule/m 2 ) Συννεφιασμένες (ΜJoule/m 2 ) % εξασθένιση 2000 20,088 7,03 65,00 2001 20,26 6,221 69,29 2002 21,532 7,53 65,03 2003 21,411 6,568 69,32 2004 19,122 5,838 69,47 2005 20,318 7,56 62,79 2006 20,934 6,652 68,22 2007 21,952 6,021 72,57 2008 21,523 5,562 74,16 2009 20,262 6,198 69,41 2010 20,642 8,378 59,41 Όπως βλέπουμε στον πίνακα 5.1 η εξασθένιση της ακτινοβολίας είναι αρκετά μεγάλη και κυμαίνεται από 59,41% έως και 74,16%. Κατά μέσο όρο για όλα τα έτη που μελετούμε, τα νέφη προκάλεσαν μια ελάττωση της ηλιακής ενέργειας κατά 67,70%. Δηλαδή μια ημέρα του χρόνου με συννεφιά δέχεται συνολική ηλιακή ενέργεια μικρότερη κατά 67,70% σε σχέση με μια καθαρή ημέρα. 33

Ηλιακή Ενέργεια (ΜJoule/m 2 ) 25 20 15 10 5 0 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 Έτος 5.7 Μέσες τιμές ακτινοβολίας συνολικά για ημέρες με μερική νέφωση στη Θεσσαλονίκη Στο παραπάνω σχήμα βλέπουμε τις μέσες τιμές για τη συνολική ηλιακή ενέργεια ανά τετραγωνικό μέτρο κατά τις ημέρες με μερική νέφωση για διαπερατότητα πάνω από 1,2 χωρισμένες ανά έτος. Τα νέφη αυτά όπως προαναφέραμε, άλλοτε ενισχύουν και άλλοτε μειώνουν την ηλιακή ενέργεια όποτε όπως θα ήταν και αναμενόμενο, βλέπουμε μέσες τιμές χαμηλότερες των καθαρών και υψηλότερες των συννεφιασμένων, που κυμαίνονται περί τα 15 ΜJoule/m 2. Μια εναλλακτική μέθοδος για να διαχωρίσουμε τις συννεφιασμένες μέρες και να δούμε πώς επηρεάζουν την ηλιακή ακτινοβολία είναι να τις εντοπίσουμε γνωρίζοντας ότι το CIMEL δεν παίρνει μέτρηση κατά τις ημέρες αυτές. Η δουλειά αυτή έγινε ενδεικτικά για το 2006 το οποίο είναι και το πιο πλήρες από μετρήσεις του πυρανόμετρου CM21 και έτσι μπορούμε να βγάλουμε ένα ασφαλές συμπέρασμα. Η μέθοδος του διαχωρισμού των ημερών με νέφη έχει ως εξής: Βρίσκουμε τη συνολική ακτινοβολία για το έτος 2006 από το πυρανόμετρο και αφαιρούμε από αυτήν την συνολική ακτινοβολία για ημέρες που πήρε μέτρηση οπτικού βάθους το CIMEL. Το αποτέλεσμα που θα βρούμε το διαιρούμε με το πλήθος των μετρήσεων αφαιρούμενο από το πλήθος των ημερών χωρίς μέτρηση από το πυρανόμετρο CM21 και αφαιρούμενο από το πλήθος των ημερών που πήρε μέτρηση το CIMEL, όπως φαίνεται στη παρακάτω σχέση: 34

όπου Σ ΤΟΤ το άθροισμα όλων των μετρήσεων ηλιακής ενέργειας, Σ AOD το άθροισμα των μετρήσεων ηλιακής ενέργειας σε ημέρες όπου έχουμε μέτρηση για το οπτικό βάθος, Ν το πλήθος των μετρήσεων ηλιακής ενέργειας, Ν AOD το πλήθος των μετρήσεων ηλιακής ενέργειας σε ημέρες όπου έχουμε μέτρηση για το οπτικό βάθος και Ν ΚΕΝΩΝ το πλήθος των ημερών όπου δεν έχουμε μέτρηση ηλιακής ενέργειας. Η σχέση αυτή μας δίνει την μέση συνολική ημερήσια τιμή έντασης ακτινοβολίας ανά τετραγωνικό μέτρο κατά τις ημέρες με συννεφιά. Η τιμή αυτή είναι 7,841 MJoule/m 2. Η τιμή αυτή απέχει, όπως φαίνεται από το Σχήμα 5.5, από την προσέγγιση που έγινε με το πολυώνυμο κατά 1,2 MJoule/m 2 καθώς η προσέγγιση αυτή έγινε με βάση τις μέσες τιμές συνολικής έντασης για κάθε ημέρα ξεχωριστά στο φάσμα των ετών 2000-2010. 5.3 Μεταβολές λόγω ατμοσφαιρικών αιωρημάτων Για να μελετηθεί η επίδραση των αιωρούμενων σωματιδίων στην ηλιακή ενέργεια της Θεσσαλονίκης και να υπάρχει μια πιο ξεκάθαρη εικόνα για την επίδραση αυτή πρέπει να αποκλίσουμε τις μεταβολές της ηλιακής ενέργειας λόγω άλλων παραγόντων όπως απόσταση ήλιου γης, κλίση των ηλιακών ακτίνων κλπ. Το δίκτυο AERONET μας βοηθάει στο κομμάτι της επίδρασης των καιρικών συνθηκών καθώς αποκλείει τις ημέρες με συννεφιά. Για να αφαιρέσουμε τις υπόλοιπες επιδράσεις, υπολογίσαμε τις αποκλίσεις από τη μέση τιμή σύμφωνα με τη σχέση: Όπου d η απόκλιση, Ε η τιμή της συνολικής ηλιακής ενέργειας όπως μετρήθηκε από το πυρανόμετρο, και Εμεση η μέση τιμή της ενέργειας για κάθε ημέρα αντίστοιχα για όλα τα έτη. 35

Το επόμενο βήμα ήταν να αντιστοιχιστούν οι μετρήσεις του οπτικού βάθους, με τις αποκλίσεις που βρήκαμε ώστε να κατασκευαστεί το παρακάτω διάγραμμα και να διαπιστωθεί πώς κυμαίνεται η απόκλιση σε συνάρτηση με τη διακύμανση του οπτικού βάθους. Στο σχήμα 5.8 παρατηρήται μεγάλος θόρυβος στις αποκλίσεις ιδιαίτερα για μικρές τιμές οπτικού βάθους.είναι δύσκολο να διακρίνουμε τη μείωση της απόκλισης, λόγω του θορύβου, γι αυτό χρησιμοποιήθηκε μια λογαριθμική καμπύλη η οποία μας δίνει την τάση των τιμών όσο ανεβαίνει το οπτικό βάθος. Παρά τον θόρυβο όμως, με τη βοήθεια της λογαριθμικής καμπύλης, μπορούμε να βγάλουμε κάποια συμπεράσματα για την διακύμανση της ακτινοβολίας λόγω των αιωρούμενων σωματιδίων. Για μικρές τιμές οπτικού βάθους φαίνεται ότι οι αποκλίσεις είναι θετικές, δηλαδή πάνω από τις αντίστοιχες μέσες τιμές. Όσο μεγαλώνει το οπτικό βάθος παρατηρούμε μείωση της απόκλισης. Τελικά περνάμε σε αρνητικές τιμές απόκλισης και συχρόνως ο θόρυβος από τις υψηλότερες τιμές περιορίζεται κοντά στο μηδέν, και στα αρνητικά. Σχήμα 5.8: Απόκλιση από τη μέση συνολική ημερήσια ηλιακή ενέργεια σε συνάρτηση με το οπτικό βάθος των αιωρημάτων στη Θεσσαλονίκη 36

Σε μια ταξινόμηση των μετρήσεων της έντασης της ακτινοβολίας ανάλογα με την αντίστοιχη μέτρηση οπτικού βάθους, το οποίο ταξινομήθηκε με αύξουσα σειρά και πήραμε την μέση τιμή του ΑΟD η οποία είναι 0,191. Στη συνέχεια, εφόσον οι τιμές οπτικού βάθους αντιστοιχίζονται με αυτές της ακτινοβολίας, χρησιμοποιήθηκε τη μέση τιμή ακτινοβολίας για οπτικό βάθος μικρότερο του μέσου όρου και τη μέση τιμή ακτινοβολίας για οπτικό βάθος μεγαλύτερο του μέσου όρου. Στη πρώτη περίπτωση βρέθηκε 17,169 ΜJoule/m 2 και στη δεύτερη 16,564 ΜJoule/m 2. Παρατηρείται δηλαδή μια μείωση της ακτινοβολίας κατά 3,5%, όσο μεγαλώνει το οπτικό βάθος. Τα αποτελέσματα φαίνονται και στον πίνακα 5.2: Πίνακας 5.2: Μέσες τιμές ενέργειας πάνω και κάτω του μέσου οπτικού βάθους Μέση τιμή οπτικού βάθους 0,191 Μέση ενέργεια για οπτικό βάθος μικρότερο του μέσου 17,169 ΜJoule/m 2 Μέση ενέργεια για οπτικό βάθος μεγαλύτερο του μέσου 16,564 ΜJoule/m 2 Ποσοστιαία απόκλιση 3,5% 37

Συμπεράσματα Η παρούσα εργασία εκπονήθηκε με σκοπό την εκτίμηση των διακυμάνσεων της ηλιακής ενέργειας στην επιφάνεια της γης λόγω νεφών και ατμοσφαιρικών αιωρημάτων. Συγκεκριμένα, ο σκοπός της ήταν να αναδείξει μια στατιστική μελέτη της επίδρασης των νεφών και αιωρημάτων στην συνολική ημερήσια ηλιακή ενέργεια για την πρώτη δεκαετία του 21ου αιώνα στο αστικό κέντρο της Θεσσαλονίκης. Για τη διενέργεια της στατιστικής αυτής μελέτης χρησιμοποιήθηκαν ημερήσιες μετρήσεις πυρανομέτρου από το εργαστήριο φυσικής της ατμόσφαιρας του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης για τα έτη 2000-2010 σε συνδυασμό με μετρήσεις οπτικού βάθους αιωρούμενων σωματιδίων από το φωτόμετρο CIMEL που βρίσκεται στον ίδιο χώρο και ανακτήθηκαν από το δίκτυο AERONET της NASA. Αρχικά διερευνήθηκε η διακύμανση της συνολικής ημερήσιας ηλιακής ενέργειας κατά μέσο όρο για όλες τις ημέρες των ετών 2000-2010 και η οποία έδειξε ότι κυμαίνεται από 3,2 έως και 29 ΜJoule/m 2, με τις μέγιστες τιμές όπως αναμενόταν, κατά τους καλοκαιρινούς μήνες και τις ελάχιστες κατά τους χειμερινούς. Στη συνέχεια για να μελετηθεί η επίδραση των νεφών στην ηλιακή ενέργεια, προσεγγίστηκαν οι μέσες συνολικές τιμές ηλιακής ενέργειας με τη βοήθεια πολυωνύμου 6 ου βαθμού και έτσι διαχωρίστηκαν οι καθαρές από τις νεφελώδεις ημέρες. Το αποτέλεσμα έδειξε την εξασθένιση της ηλιακής ενέργειας κατά τις νεφελώδεις ημέρες από 59% έως 75% στο διάστημα της δεκαετίας που μελετήθηκε. Κατά τις καθαρές ημέρες βρέθηκε μέση τιμή 20,731 ΜJoule/m 2 και στις ημέρες με συννεφιά 6,518 ΜJoule/m 2. Επίσης μελετήθηκαν ξεχωριστά οι ημέρες με μερική νέφωση όπου και η μέση συνολική ημερήσια ηλιακή ενέργεια ήταν 15,85 ΜJoule/m 2, καθώς μπορούν να μειώσουν είτε να αυξήσουν την ηλιακή ενέργεια, ανάλογα με το είδος της νέφωσης. Μια άλλη μέθοδος για να εντοπιστούν οι συννεφιασμένες ημέρες ήταν να βρεθούν οι μετρήσεις ηλιακής ενέργειας του πυρανομέτρου για τις ημέρες που δεν πήρε μέτρηση το CIMEL,καθώς το 38

όργανο αυτό δεν λαμβάνει μέτρηση σε συνθήκες συννεφιάς. Η μέθοδος αυτή έδωσε μέση ηλιακή ενέργεια 7,841 MJoule/m 2 για τις νεφελώδεις ημέρες. Ο δεύτερος παράγοντας που διερευνήθηκε για τον αν επηρεάζει την ηλιακή ενέργεια ήταν τα ατμοσφαιρικά αιωρήματα. Η επεξεργασία των μετρήσεων έγινε βρίσκοντας τις αποκλίσεις από την μέση τιμή της ημερήσιας ηλιακής ενέργειας και συκγρίνοντάς τες με το οπτικό βάθος αιωρούμενων σωματιδίων (ΑΟΤ) από το φωτόμετρο CIMEL. Χρησιμοποιήσαμε τις αποκλίσεις ώστε να περιορίσουμε τις διακυμάνσεις από άλλους παράγοντες. Η επεξεργασία έδειξε μια εμφανή ελάττωση της ακτινοβολίας (μείωση της απόκλισης), όσο αυξάνεται το οπτικό βάθος των σωματιδίων. Σε μια σύγκριση απ ευθείας στις μετρήσεις του πυρανομέτρου με το οπτικό βάθος, και λαμβάνοντας την μέση ηλιακή ενέργεια για τιμές μικρότερες και μεγαλύτερες του μέσου οπτικού βάθους, διαπιστώθηκε μια ελάττωση κατά 3,5% για τις τιμές ηλιακής ενέργειας από το μέσο ΑΟΤ και πάνω. 39

Βιβλιογραφία Βιβλία [1] Μπάης, Α.,Σημειώσεις: Πηγές Ενέργειας στο Περιβάλλον, Θεσσαλονίκη, 1991 [2] Μπάης Α., Μπαλής Δ., Τουρπάλη Κ.,Σημειώσεις: Φυσική της Ατμόσφαιρας, Θεσσαλονίκη, 2011 [3] Σαχσαμάνογλου Χ. Σ, Μακρογιάννης Τ. Ι., Μαθήματα Γενικής Μετεωρολογίας, Θεσσαλονίκη, 1998 [4] Μελάς Δ., Φυσική Ατμοσφαιρικού περιβάλλοντος, Θεσσαλονίκη, 2007 [5] Γκαρανέ Κ., Διδακτορική διατριβή: Συμβολή στη μελέτη των μεταβολών του φάσματος της υπεριώδους ακτινοβολίας, σε διάφορες κλίμακες χρόνου, Θεσσαλονίκη, 2007 Διαδικτυακές Πηγές http://aeronet.gsfc.nasa.gov/new_web/system_descriptions.html (ανακτήθηκε Μάρτιο 2012) http://aeronet.gsfc.nasa.gov/new_web/system_descriptions_instrument.html) (ανακτήθηκε Μάρτιο 2012) http://aeronet.gsfc.nasa.gov/new_web/system_descriptions_operation.html (ανακτήθηκε Μάρτιο 2012) http://www.eol.ucar.edu/isf/facilities/isff/sensors/kippzonen/manual_cm21.pdf (ανακτήθηκε Μάρτιο 2012) 40

41