Τελική Αναλυτική Έκθεση Προόδου Φυσικού Αντικειµένου

Τελική Αναλυτική Έκθεση Προόδου Φυσικού Αντικειµένου Υποέργου (05-ΝΟΝ-EU-95) [ΟΠΣ: 27δ] «Ανάπτυξη συστήµατος lidar 6-µηκών κύµατος για την ανάκτηση των µικροφυσικών και χηµικών ιδιοτήτων των αερολυµάτων στην τροπόσφαιρα: Εφαρµογή στη βαθµονόµηση του δορυφορικού συστήµατος lidar CALIPSO» Α/Α ΕΚΘΕΣΗΣ: 2 ΤΙΤΛΟΣ ΡΑΣΗΣ: «Συνεργασίες µε χώρες εκτός-ευρώπης» ( ΙΑΚ) ΕΠΑΝ ΜΕΤΡΟ.3, ΡΑΣΗ.3.6.1δ ΓΕΝΙΚΗ ΓΡΑΜΜΑΤΕΙΑ ΕΡΕΥΝΑΣ & ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΙΕΥΘΥΝΣΗ ΙΕΘΝΟΥΣ Ε&Τ ΣΥΝΕΡΓΑΣΙΑΣ ΤΜΗΜΑ Β ΙΑΚΡΑΤΙΚΩΝ ΣΧΕΣΕΩΝ ΜΑΪΟΣ 2008 ΓΕΝΙΚΗ ΓΡΑΜΜΑΤΕΙΑ ΕΡΕΥΝΑΣ & ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ 1

1. ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΥΠΟΕΡΓΟΥ 1.1. Τίτλος υποέργου Ανάπτυξη συστήµατος lidar 6-µηκών κύµατος για την ανάκτηση των µικροφυσικών και χηµικών ιδιοτήτων των αερολυµάτων στην τροπόσφαιρα: Εφαρµογή στην βαθµονόµηση του δορυφορικού συστήµατος lidar CALIPSO 1.2. Επιστηµονικός Υπεύθυνος Υποέργου Ονοµατεπώνυµο ρ. ΑΛΕΞΑΝ ΡΟΣ ΠΑΠΑΓΙΑΝΝΗΣ Φορέας: Ε. Μ. Πολυτεχνείο-Σχολή Εφαρµοσµένων Μαθηµατικών και Φυσικών Επιστηµών - Τοµέας Φυσικής - Εργαστήριο Τηλεπισκόπησης Laser Θέση: ιεύθυνση: Τηλ.: 210-7722992 Αναπληρωτής Καθηγητής Ηρώων Πολυτεχνείου 9, 15780 Ζωγράφου E-mail: apdlidar@central.ntua.gr 1.3. Ανάδοχος Επωνυµία: Eθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο ιεύθυνση: Ηρώων Πολυτεχνείου 9, 15780 Ζωγράφου Τηλ./Fax: 210-7722050 / 210-7722928 E-mail: gpolyzos@central.ntua.gr 1.. Συνεργαζόµενοι Φορείς: Στην Ελλάδα: Raymetrics A.E., Κανάρη 5, 1535 Γλυκά Νερά, Αττικής Τηλ. 210-6655800, Fax: 210-6655825 Υπεύθυνος Υποέργου: ρ. Γ. Γεωργούσης Στο Εξωτερικό: Georgia Institute of Technology (GIT) School of Earth & Atmospheric Sciences Atlanta, Georgia GA, 30332-030, USA Tel: +1 0899225, Fax: +1 0895638, Email: nenes@eas.gathech.edu Υπεύθυνος Υποέργου: ρ. A. Nenes 1.5. ιάρκεια υποέργου: Μήνες : 20 Ηµεροµηνία έναρξης : 01.08.2006 Ηµεροµηνία λήξης : 31.03.2008 ΓΕΝΙΚΗ ΓΡΑΜΜΑΤΕΙΑ ΕΡΕΥΝΑΣ & ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ 2

2. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Κύριο αντικείµενο του έργου είναι η ανάπτυξη ενός πρωτοποριακού συστήµατος τηλεπισκόπησης laser (σύστηµα lidar) που είναι εφοδιασµένο µε 6 µήκη κύµατος που θα χρησιµοποιηθεί για την καταγραφή των οπτικών-µικρο-φυσικών ιδιοτήτων και της χηµικής σύστασης των αερολυµάτων, καθώς και της σχετικής υγρασίας στην τροπόσφαιρα, µε δυνατότητα σύζευξης µε ένα µοντέλο αιωρούµενων σωµατιδίων. Η ανάλυση των δεδοµένων lidar που έχουν ληφθεί σε 6 διαφορετικά µήκη κύµατος θα επιτρέψει την ανάκτηση των µικροφυσικών και χηµικών ιδιοτήτων των αερολυµάτων, και εποµένως θα παρέχει, στο µέλλον τη δυνατότητα υπολογισµού της επίδρασης των αερολυµάτων στο γήινο κλίµα. Τα δεδοµένα lidar που έχουν ληφθεί θα χρησιµοποιηθούν και για τη βαθµονόµηση του διαστηµικού συστήµατος CALIPSO (Cloud Aerosol lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observations) lidar το οποίο εισήλθε σε τροχιά γύρω από τη γη τον Ιούνιο του 2006. Ειδικότερα, οι επιµέρους στόχοι (Φάσεις) του παρόντος έργου είναι (βλέπε και τον Πίνακα της Ενότητας 2.1): - Ανάπτυξη ενός συστήµατος lidar µε 6 µήκη κύµατος για την παρακολούθηση και καταγραφή των ιδιοτήτων των αερολυµάτων και των νεφών στην τροπόσφαιρα, - Ανάπτυξη ειδικού αλγόριθµου (λογισµικού) για την ταυτόχρονη λήψη και επεξεργασία 6 διαφορετικών σηµάτων lidar σε πραγµατικό χρόνο, - Ανάπτυξη ειδικού κώδικα λογισµικού µοντέλου για την ανάκτηση των χηµικών παραµέτρων (χηµική σύσταση) των αερολυµάτων στην τροπόσφαιρα, - ηµιουργία µιας κεντρικής βάσης δεδοµένων για τις µικροφυσικές και χηµικές ιδιότητες των αερολυµάτων στην περιοχή των Αθηνών - Ανάκτηση χηµικών ιδιοτήτων και υγρασίας αερολυµάτων στην περιοχή Αθηνών - Βαθµονόµηση του διαστηµικού συστήµατος CALIPSO στην περιοχή του ορατού και του υπερύθρου (532 και 106 nm) στην περιοχή των Αθηνών - Παροχή βασικής γνώσης για τις φυσικο-χηµικές ιδιότητες των αερολυµάτων στην περιοχή των Αθηνών. Τα αναµενόµενα αποτελέσµατα (Παραδοτέα: ΠΕ) του παρόντος έργου είναι τα ακόλουθα (βλέπε και τον Πίνακα της Ενότητας 2.2): 1) Ένα σύστηµα lidar µε 6 διαφορετικά µήκη κύµατος για την παρακολούθηση και καταγραφή των ιδιοτήτων των αερολυµάτων και των νεφών στην τροπόσφαιρα (ΠΕ1), 2) Εξειδικευµένο λογισµικό για την ταυτόχρονη λήψη και επεξεργασία 6 διαφορετικών σηµάτων lidar σε πραγµατικό χρόνο (ΠΕ2), 3) Ειδικός κώδικας λογισµικού για την ανάκτηση των χηµικών παραµέτρων (χηµική σύσταση) των αερολυµάτων στην τροπόσφαιρα (ΠΕ3) ) Κεντρική βάση δεδοµένων για τις µικροφυσικές και χηµικές ιδιότητες των αερολυµάτων στην περιοχή των Αθηνών (ΠΕ) 5) Βαθµονόµηση του διαστηµικού συστήµατος CALIPSO στην περιοχή του ορατού και του υπερύθρου (532 και 106 nm) στην περιοχή των Αθηνών (ΠΕ5) 6) Αναφορά για τις φυσικο-χηµικές ιδιότητες των αερολυµάτων στην περιοχή των Αθηνών (ΠΕ6). ΓΕΝΙΚΗ ΓΡΑΜΜΑΤΕΙΑ ΕΡΕΥΝΑΣ & ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ 3

2.1 Χρονοδιάγραµµα του έργου (Φάσεις/Στάδια του έργου) Α/Α ΤΙΤΛΟΣ ΦΑΣΕΩΝ ΣΥΝΤΟΜΗ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΩΝ ΕΡΓΑΣΙΩΝ ΤΗΣ ΦΑΣΗΣ ΗΜ/ΝΙΑ ΕΝΑΡΞΗΣ ΗΜ/ΝΙΑ ΛΗΞΗΣ % ΟΛΟ- ΚΛΗΡΩΣΗΣ 1 2 3 Ανάπτυξη συστήµατος Raman lidar 6-µηκών κύµατος Λογισµικό λήψης και ανάλυσης δεδοµένων lidar Λογισµικό ανάκτησης χηµικών παραµέτρωνυγρασίας αερολυµάτων Κεντρική βάση δεδοµένων µικροφυσικών ιδιοτήτων αερολυµάτων Ανάπτυξη συστήµατος Raman-lidar 6-µηκών κύµατος για την παρακολούθηση και καταγραφή των αερολυµάτων και νεφών στην τροπόσφαιρα Ανάπτυξη εξειδικευµένου λογισµικού για καταγραφή και επεξεργασία 6 σηµάτων lidar σε πραγµατικό χρόνο Ανάπτυξη κώδικα λογισµικού για την ανάκτηση χηµικών παραµέτρων-υγρασίας αερολυµάτων Ανάπτυξη κεντρικής βάσης δεδοµένων των µικροφυσικών παραµέτρων 1/8/2006 15/2/2007 100,00 1/8/2006 15/2/2007 100,00 1/8/2007 15/10/2007 100,00 1//2007 15/10/2007 100,00 5 Ανάκτηση χηµικών ιδιοτήτων-υγρασίας αερολυµάτων Ανάκτηση χηµικών ιδιοτήτων και υγρασίας αερολυµάτων στην περιοχή Αθηνών 1//2007 15/10/2007 100,00 6 7 Βαθµονόµηση CALIPSO lidar Φυσικο-χηµικές ιδιότητες αερολυµάτων Βαθµονόµηση δορυφόρου CALIPSO lidar στο ορατό (532 nm) και το υπέρυθρο (106 nm) Βασική γνώση φυσικο-χηµικών ιδιοτήτων αερολυµάτων στην περιοχή Αθηνών 1//2007 15/1/2008 100,00 1//2007 31/3/2008 100,00 2.2 Παραδοτέα του έργου (ΠΕ) A/A Παραδοτέο Εµπλεκόµενοι Φορείς Ποσοστό Ολοκλήρωσης (%) ΠΕ1 Σύστηµα lidar 6-µηκών κύµατος ΕΜΠ, Raymetrics Α.Ε. 100 ΠΕ2 Λογισµικό λήψης και επεξεργασίας σηµάτων lidar ΕΜΠ, Raymetrics Α.Ε. 100 ΠΕ3 Λογισµικό ανάκτησης χηµικών παραµέτρων αερολυµάτων GIT, ΕΜΠ 100 ΠΕ Κεντρική βάση δεδοµένων µικροφυσικών και χηµικών ιδιοτήτων αερολυµάτων GIT, ΕΜΠ 100 ΠΕ5 Βαθµονόµηση CALIPSO lidar ΕΜΠ, Raymetrics A.Ε. 100 ΠΕ6 Φυσικο-χηµικές ιδιότητες αερολυµάτων GIT, ΕΜΠ 100 ΓΕΝΙΚΗ ΓΡΑΜΜΑΤΕΙΑ ΕΡΕΥΝΑΣ & ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ

3. ΦΥΣΙΚΟ ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΟ 3.1 Περίληψη πραγµατοποιηθεισών εργασιών Παρουσιάζεται συνοπτικά το φυσικό αντικείµενο του έργου όπως υλοποιήθηκε κατά το παρόν έργο. Το φυσικό αντικείµενο του παρόντος έργου που υλοποιήθηκε κατα το παρόν έργο αφορά την ολοκλήρωση όλων των (6) Παραδοτέων του έργου (ΠΕ1, ΠΕ2, ΠΕ3, ΠΕ, ΠΕ5 και ΠΕ6) (βλέπε Παράρτηµα Ι), καθώς και την ολοκλήρωση όλων των (7) Φάσεων του έργου (Φάση 1, Φάση 2, Φάση 3, Φάση, Φάση 5, Φάση 6 και Φάση 7), µε τη συµβολή όλων των συµµετεχόντων φορέων (στην Ελλάδα: Raymetrics A.E. και στο εξωτερικό: Georgia Institute of Technology-USA). 3.2. Αναλυτική Περιγραφή των Φάσεων που έχουν υλοποιηθεί 3.2.1. Μεθοδολογία Εκτέλεσης Έργου-Φάσεις Έργου Η µεθοδολογία εκτέλεσης του έργου βασίζεται σε επτά (7) Φάσεις : Φάση 1: Ανάπτυξη ενός συστήµατος lidar µε 6 µήκη κύµατος για την παρακολούθηση και καταγραφή των ιδιοτήτων των αερολυµάτων και των νεφών στην τροπόσφαιρα, Φάση 2: Ανάπτυξη ειδικού αλγόριθµου (λογισµικού) για την ταυτόχρονη λήψη και επεξεργασία 6 διαφορετικών σηµάτων lidar σε πραγµατικό χρόνο, Φάση 3: Ανάπτυξη ειδικού κώδικα λογισµικού για την ανάκτηση των χηµικών ιδιοτήτων (χηµική σύσταση) και υγρασίας των αερολυµάτων στην περιοχή των Αθηνών, Φάση : ηµιουργία µιας κεντρικής βάσης δεδοµένων για τις µικροφυσικές ιδιότητες και χηµικές ιδιότητες των αερολυµάτων στην περιοχή των Αθηνών, Φάση 5: Ανάκτηση των χηµικών ιδιοτήτων και της υγρασίας αερολυµάτων στην περιοχή Αθηνών Φάση 6: Βαθµονόµηση του διαστηµικού συστήµατος CALIPSO στην περιοχή του ορατού και του υπερύθρου (532 και 106 nm) στην περιοχή των Αθηνών, Φάση 7: Παροχή βασικής γνώσης για τις φυσικο-χηµικές ιδιότητες των αερολυµάτων στην περιοχή των Αθηνών. ΓΕΝΙΚΗ ΓΡΑΜΜΑΤΕΙΑ ΕΡΕΥΝΑΣ & ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ 5

Φάση 1: Ανάπτυξη ενός συστήµατος lidar µε 6 µήκη κύµατος για την παρακολούθηση και καταγραφή των ιδιοτήτων των αερολυµάτων και των νεφών στην τροπόσφαιρα Περίληψη Κατά τη διάρκεια αυτής της Φάσης πραγµατοποιήθηκε στο ΕΜΠ, σε συνεργασία µε την Raymetrics A.E., η ανάπτυξη ενός συστήµατος Raman-lidar 6-µηκών κύµατος µε χρήση laser Nd:YAG για την παρακολούθηση και την καταγραφή της κατακόρυφης κατανοµής των οπτικών ιδιοτήτων των αιωρούµενων σωµατιδίων και την καταγραφή των υδρατµών στην τροπόσφαιρα. Το σύστηµα Raman-lidar που αναπτύχθηκε στηρίζεται στην εκποµπή δέσµης laser τριών µηκών κύµατος (355, 532 and 106 nm) και στην ανίχνευση σηµάτων lidar στα παραπάνω τρία µήκη κύµατος, καθώς και σε άλλα τρία µήκη κύµατος που προκύπτουν µέσω σκέδασης Raman (στα 387 and 607 nm από το ατµοσφαιρικό N 2 and στα 07 nm από τους ατµοσφαιρικούς υδρατµούς). Η οπισθοσκεδαζόµενη δέσµη laser στα διάφορα µήκη κύµατος συλλέγεται από ένα τηλεσκόπιο και µέσω µιας οπτικής ίνας οδηγείται σε ένα φασµατόµετρο. Ο διαχωρισµός των λαµβανόµενων σηµάτων lidar πραγµατοποιείται εντός του φασµατοµέτρου που είναι εξοπλισµένο µε φίλτρα αποκοπής συχνοτήτων και στενά φίλτρα συµβολής. Ακολούθως, η ανίχνευση των σηµάτων lidar πραγµατοποιείται µε τη χρήση φωτοπολλαπλασιαστών ΡΜΤ (στα 355-387-07-532-607 nm) και φωτοδιόδων χιονοστιβάδας (στα 106 nm) (βλ. Παραδοτέο ΠΕ1). 1.1 Αναλυτική Περιγραφή Το σύστηµα Raman-lidar που αναπτύχθηκε κατά τη διάρκεια της Φάσης αυτής στηρίχθηκε στο προϋπάρχον σύστηµα Raman lidar 3-µηκών κύµατος (λειτουργία στα 355-387-532 nm) που λειτουργούσε στο ΕΜΠ. Ένα σύστηµα κρυστάλλων KDP µετατρέπει την εκπεµπόµενη ακτινοβολία laser στα 106 nm σε επιπλέον συχνότητες 2 ης (532 nm) και 3 η ς (355 nm) αρµονικής συχνότητας. Έτσι, η εκποµπή δέσµης laser πραγµατοποιείται σε τρία µήκη κύµατος (355, 532 and 106 nm) µε παράλληλα πολύ µικρή απόκλιση (<0.5 mrad) και η ανίχνευση σηµάτων lidar πραγµατοποιείται στα παραπάνω τρία µήκη κύµατος, καθώς και σε άλλα τρία µήκη κύµατος που προκύπτουν µέσω σκέδασης Raman στην ατµόαφαιρα (στα 387 and 607 nm από το ατµοσφαιρικό N 2 and στα 07 nm από τους ατµοσφαιρικούς υδρατµούς). Η οπισθοσκεδαζόµενη δέσµη laser, από τα αιωρούµενα σωµατίδια και τα µόρια της ατµόσφαιρας, µέσω ελαστικής σκέδασης και σκέδασης Raman στα διάφορα µήκη κύµατος, συλλέγεται από ένα οπτικό τηλεσκόπιο και ακολούθως, µέσω µιας οπτικής ίνας από SiO 2 οδηγείται σε ένα φασµατόµετρο (Εικόνα 1). Ο διαχωρισµός των λαµβανόµενων σηµάτων lidar πραγµατοποιείται µε τη βοήθεια ενός φασµατοµέτρου που είναι εξοπλισµένο µε φίλτρα αποκοπής συχνοτήτων και στενά φίλτρα συµβολής (~0.5-3 nm). Η ανίχνευση των σηµάτων lidar πραγµατοποιείται µε τη χρήση φωτοπολλαπλασιαστών ΡΜΤ (στα 355-387-07-532-607 nm) και φωτοδιόδων χιονοστιβάδας (APD) (στα 106 nm). ΓΕΝΙΚΗ ΓΡΑΜΜΑΤΕΙΑ ΕΡΕΥΝΑΣ & ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ 6

Nd:YAG LASER X2 X3 Trigger COMPUTER ADC Optical fiber ADC/PC ADC/PC PC PC PC P M T P M T Optical fiber PMT PMT P M T P M T Spectro-photometer Εικόνα 1. Η αρχή λειτουργίας της διάταξης Raman-LIDAR του Ε.Μ.Π. Το τελικό σύστηµα Raman-lidar που αναβαθµίσθηκε, κατά τη διάρκεια της Φάσης 1, περιέλαβε: 1) την εκποµπή της υπέρυθρης ακτινοβολίας laser (106 nm) µε τη χρήση κατόποτρου µέγιστης ανακλαστικότητας R max στα 532-106 nm, 2) την σχεδίαση και κατασκευή ενός φασµατοφωµέτρου για τον διαχωρισµό 6 διαφορετικών µηκών κύµατος (355, 387, 07, 532, 607 and 106 nm). Το φασµατοφωτόµετρο είναι εξοπλισµένο µε πολύ στενά φίλτρα συµβολής (εύρους ~0.5-3 nm) µε µεγάλη ικανότητα απόρριψης της εκπεµπόµενης/συλλεγόµενης ακτινοβολίας (περίπου 10 8-10 10 ) στα µήκη κύµατος Raman (387, 07 και 607 nm). 3) την αγορά 2 µονάδων καταγραφής σηµάτων lidar µε χρήση της τεχνικής καταµέτρησης φωτονίων (PR20-80P) σε 8000 χρονικά κανάλια. ΓΕΝΙΚΗ ΓΡΑΜΜΑΤΕΙΑ ΕΡΕΥΝΑΣ & ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ 7

Εικόνα 2. Το αναβαθµισµένο σύστηµα Raman-lidar του ΕΜΠ. Ειδικότερα, ο συµπληρωµατικός εξοπλισµός που αγοράσθηκε στο πλαίσιο του έργου αυτού, κατά τη διάρκεια της Φάσης και ο οποίος χρεώθηκε στο αντίστοιχο κονδύλιο, περιλαµβάνει: 1) 2 µονάδες καταγραφής σηµάτων lidar µε χρήση της τεχνικής καταµέτρησης φωτονίων (PR20-80P) σε 8000 χρονικά κανάλια και ταχύτητα δειγµατοληψίας 250 ΜHz (Εικόνα 3) και, τέλος, 2) 1 µονάδα τροφοδοσίας ±15V (τροφοδοσία στα 220 V AC, 50 Hz) 6 θέσεων ικανής να συµπεριλάβει έως 6 µονάδες καταγραφής σηµάτων lidar (Εικόνα 3). Στην Εικόνα 3 παρουσιάζονται µε µπλε χρώµα οι 2 µονάδες καταγραφής σηµάτων lidar µε χρήση της τεχνικής καταµέτρησης φωτονίων (PR20-80P) και µε κόκκινο χρώµα η 1 µονάδα τροφοδοσίας ±15V 6 θέσεων. ΓΕΝΙΚΗ ΓΡΑΜΜΑΤΕΙΑ ΕΡΕΥΝΑΣ & ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ 8

Εικόνα 3. Το σύστηµα ταυτόχρονης καταγραφής 6 σηµάτων lidar σε 6 διαφορετικά µήκη κύµατος του συστήµατος Raman-lidar του ΕΜΠ. Με µπλε χρώµα παρουσιάζονται οι 2 µονάδες καταγραφής σηµάτων lidar µε χρήση της τεχνικής καταµέτρησης φωτονίων (PR20-80P) και µε κόκκινο χρώµα η 1 µονάδα τροφοδοσίας ±15V συνολικά 6 θέσεων. Φάση 2: Ανάπτυξη ειδικού αλγόριθµου (λογισµικού) για την ταυτόχρονη λήψη και επεξεργασία 6 διαφορετικών σηµάτων lidar σε πραγµατικό χρόνο Περίληψη Κατά τη διάρκεια αυτής της Φάσης αυτής πραγµατοποιήθηκε από την Raymetrics A.E., σε συνεργασία µε το ΕΜΠ, η ανάπτυξη του ειδικού αλγόριθµου (λογισµικού) για την ταυτόχρονη λήψη και επεξεργασία 6 διαφορετικών σηµάτων lidar σε πραγµατικό χρόνο. Ο κώδικας λογισµικού αναπτύχθηκε στο περιβάλλον LabView 6.1. Ο κώδικας είναι ικανός να διαχειρισθεί την ταυτόχρονη καταγραφή έως και 6 διαφορετικών σηµάτων lidar σε 6 διαφορετικά µήκη κύµατος (σε αναλογική καταγραφή και καταµέτρηση φωτονίων). Το λογισµικό που αναπτύχθηκε περιλαµβάνει τη δυνατότητα απεικόνισης της χωρο-χρονικής µεταβολής βασικών παραµέτρων των σωµατιδίων και των νεφών, όπως ο συντελεστής εξασθένησης και οπισθοσκέδασης, ο λόγος lidar, ο δείκτης διάθλασης και ο συντελεστής µεµονωµένης σκέδασης και η συγκέντρωση όγκου (βλ. Παραδοτέο ΠΕ2). 2.1 Αναλυτική Περιγραφή Το λογισµικό που αναπτύχθηκε κατά τη διάρκεια της Φάσης αυτής είναι ένας εξειδικευµένος κώδικας για την ταυτόχρονη καταγραφή και την επεξεργασία έως και 6 ΓΕΝΙΚΗ ΓΡΑΜΜΑΤΕΙΑ ΕΡΕΥΝΑΣ & ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ 9

διαφορετικών σηµάτων lidar (σε αναλογική καταγραφή και καταµέτρηση φωτονίων) σε 6 διαφορετικά µήκη κύµατος (355-387-07-532-607-106 nm) και σε πραγµατικό χρόνο. 2.2 Λογισµικό καταγραφής σηµάτων lidar σε 6 διαφορετικά µήκη κύµατος Ο κώδικας λογισµικού είναι ικανός να διαχειρισθεί την ταυτόχρονη καταγραφή έως και 6 σηµάτων lidar σε 6 διαφορετικά µήκη κύµατος (σε αναλογική καταγραφή και καταµέτρηση φωτονίων). Ο κώδικας ξεκινά µε την εµφάνιση της Εικόνας, όπου ο χρήστης καλείται να ελέγξει την ευθυγράµµιση του συστήµατος lidar (επιλογή «Alignment») µε την επιλογή της λεπτής ή χονδροειδούς ρύθµισης της εκπεµπόµενης δέσµης laser ( Coarse or Fine Alignment) ή της έναρξης συλλογής δεδοµένων των σηµάτων lidar ( Data Acquisition ). Εικόνα. Το παράθυρο επιλογής της διαδικασίας ευθυγράµµισης (Alignment) ή της έναρξης συλλογής δεδοµένων των σηµάτων lidar (Data Acquisition) του κώδικα καταγραφής σηµάτων lidar. Μόλις η επιλογή Data Acquisition έχει ενεργοποιηθεί, εµφανίζεται το παράθυρο της Εικόνας 5, όπου ο χρήστης επιλέγει να απεικονίσει το επιθυµητό µήκος. Στην παρούσα εικόνα έχει επιλεγεί το µήκος κύµατος των 532 nm και ο αναλογικός τρόπος καταγραφής του σήµατος lidar (532 nm Analogue Mode ) (κόκκινος κύκλος). Ακολούθως, ο χρήστης επιλέγει το κοµβίο Start, οπότε ξεκινά και η καταγραφή των σηµάτων lidar και στα 6 διαφορετικά µήκη κύµατος (σε αναλογική καταγραφή και καταµέτρηση φωτονίων). Μόλις ολοκληρωθεί η καταγραφή των σηµάτων lidar, ο χρήστης επιλέγει το λογισµικό της επεξεργασίας και ανάλυσης των σηµάτων lidar το οποίο και θα παρουσιασθεί, αναλυτικά, παρακάτω. ΓΕΝΙΚΗ ΓΡΑΜΜΑΤΕΙΑ ΕΡΕΥΝΑΣ & ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ 10

Figure 2. The Data Acquisition window of the Acquisition Software. Εικόνα 5. Ενεργοποίηση της επιλογής Data Acquisition και εµφάνιση του παράθυρου επιλογής του επιθυµητού µήκους. Στην παρούσα εικόνα έχει επιλεγεί το µήκος κύµατος των 532 nm και ο αναλογικός τρόπος καταγραφής του σήµατος lidar (532 nm Analogue Mode ) (κόκκινος κύκλος). 2.3 Λογισµικό ανάλυσης και επεξεργασίας των σηµάτων lidar Το λογισµικό αυτό ξεκινά µε την παρουσίαση των διαθέσιµων δεδοµένων lidar που είναι οργανωµένα σε µια βάση δεδοµένων. Όταν το κοµβίο Preview (άνω αριστερά) είναι ενεργοποιηµένο (το πράσινο κοµβίο είναι ενεργοποιηµένο), τότε όλα τα διαθέσιµα δεδοµένα lidar εµφανίζονται στη βάση δεδοµένων. Στην Εικόνα 6 παρουσιάζεται, σαν παράδειγµα, το σήµα lidar στα 532 nm (τεχνική καταµέτρησης φωτονίων) από τα 0 έως τα 10 km ύψος. Κατ αυτόν τον τρόπο όλα τα διαθέσιµα σήµατα lidar απεικονίζονται, εποµένως ο χρήστης µπορεί να επιλέξει το σήµα lidar στο αντίστοιχο µήκος κύµατος που θέλει να επεξεργασθεί. Επιπλέον, απεικονίζεται (άνω δεξιά) και ο αριθµός των αρχείων που έχουν καταγραφεί, καθώς και ο χρόνος έναρξης και λήξης της µέτρησης lidar. ΓΕΝΙΚΗ ΓΡΑΜΜΑΤΕΙΑ ΕΡΕΥΝΑΣ & ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ 11

Figure 3. A typical example of lidar signal acquired at 532 nm (photon counting) on 25/01/2007. Εικόνα 6. Το σήµα lidar στα 532 nm (τεχνική καταµέτρησης φωτονίων) από τα 0 έως τα 10 km ύψος. Το επόµενο βήµα είναι η επιλογή του λογισµικού επεξεργασίας (Analysis software) των δεδοµένων lidar. Τώρα το κοµβίο Worksheet είναι ενεργοποιηµένο. Στην Εικόνα 7 παρουσιάζεται το επεξεργασµένο σήµα lidar (π.χ. εφαρµογή ψηφιακού φίλτρου στο σήµα lidar που είναι διορθωµένο από το ατµοσφαιρικό υπόβαθρο και την απόσταση) στα 355 nm και το αντίστοιχο σήµα lidar (Εικόνα 8) στα 387 nm (µετατοπισµένο κατά Raman από το ατµοσφαιρικό N 2 ). Παρατηρούµε ότι το σήµα lidar στα 355 nm έχει ένα υψηλό λόγο σήµατος προς θόρυβο (SNR) έως το ύψος των 10-12 km, ενώ το σήµα lidar στα 387 nm έχει µικρότερη εµβέλεια (µε το ίδιο SNR) (τυπικά, έως τα 6-8 km ύψος). ΓΕΝΙΚΗ ΓΡΑΜΜΑΤΕΙΑ ΕΡΕΥΝΑΣ & ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ 12

Εικόνα 7. Επεξεργασµένο σήµα lidar (π.χ. εφαρµογή ψηφιακού φίλτρου στο σήµα lidar που είναι διορθωµένο από το ατµοσφαιρικό υπόβαθρο και την απόσταση) στα 355 nm. Εικόνα 8. Επεξεργασµένο σήµα lidar (π.χ. εφαρµογή ψηφιακού φίλτρου στο σήµα lidar που είναι διορθωµένο από το ατµοσφαιρικό υπόβαθρο και την απόσταση) στα 387 nm (µετατοπισµένο κατά Raman από το ατµοσφαιρικό N 2 ). Το επόµενο βήµα περιλαµβάνει το τελικό στάδιο επεξεργασίας των σηµάτων lidar και την ανάκτηση των οπτικών τους ιδιοτήτων (π.χ. συντελεστής εξασθένησης και ΓΕΝΙΚΗ ΓΡΑΜΜΑΤΕΙΑ ΕΡΕΥΝΑΣ & ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ 13

οπισθοσκέδασης, λόγος lidar, κλπ.). Ύστερα από την εφαρµογή διαφόρων ψηφιακών φίλτρων και την εφαρµογή των αλγορίθµων ανάκτησης Raman και Klett, οι προαναφερθείσες οπτικές παράµετροι των αερολυµάτων µπορούν να ανακτηθούν. Ένα τυπικό παράδειγµα ανάκτησης του συντελεστή οπισθοσκέδασης των αερολυµάτων β aer στα 355 nm, µε τη χρήση του κώδικα Raman, παρουσιάζεται στην Εικόνα 9, σαν συνάρτηση του ύψους (1.3- km). Εικόνα 9. Τυπικό παράδειγµα ανάκτησης του συντελεστή οπισθοσκέδασης των αερολυµάτων β aer στα 355 nm, µε τη χρήση του κώδικα Raman. Συµπερασµατικά λοιπόν, ο κώδικας που αναπτύχθηκε είναι ικανός να χειρισθεί την ανάλυση έως και 6 διαφορετικών σηµάτων lidar και να επιτρέψει την ανάκτηση των οπτικών ιδιοτήτων (π.χ. συντελεστής εξασθένησης και οπισθοσκέδασης, λόγος lidar, κλπ.) των αερολυµάτων σε πραγµατικό χρόνο. ΓΕΝΙΚΗ ΓΡΑΜΜΑΤΕΙΑ ΕΡΕΥΝΑΣ & ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ 1

Φάση 3: Ανάπτυξη ειδικού κώδικα λογισµικού για την ανάκτηση των χηµικών παραµέτρων και υγρασίας αερολυµάτων στην τροπόσφαιρα Περίληψη Κατά τη διάρκεια αυτής της Φάσης πραγµατοποιήθηκε από το GIT (USA), σε συνεργασία µε το ΕΜΠ, η ανάπτυξη του ειδικού κώδικα λογισµικού (ISORROPIA II) για την ανάκτηση των χηµικών παραµέτρων και της υγρασίας των αερολυµάτων στην τροπόσφαιρα. Το λογισµικό αυτό (γραµµένο σε κώδικα Fortran) βασίζεται σε ένα µοντέλο θερµοδυναµικής ισορροπίας για τα K + Ca 2+ Mg 2+ NH + Na + SO 2 NO 3 Cl H 2 O µεταξύ των υδρατµών και των αερολυµάτων και είναι ιδιαίτερα ικανοποιητικό από άποψη υπολογιστικού χρόνου. Για αυτόν τον λόγο χρησιµοποιείται ευρέως από πολλές ερευνητικές οµάδες µοντελοποίησης και έχει ενσωµατωθεί σε προγνωστικά µοντέλα αστικής ατµοσφαιρικής ρύπανσης αλλά και σε µοντέλα παγκόσµιας γενικής κυκλοφορίας. Το παραδοτέο αυτό (Παραδοτέο ΠΕ3) αναπτύχθηκε από το GIT (USA) όπου και χρησιµοποιήθηκαν πραγµατικά δεδοµένα lidar (οπτικές ιδιότητες αερολυµάτων) σε πέντε διαφορετικά µήκη κύµατος (355-387-532-607- 106 nm). Η κύρια δοµή του κώδικα παρουσιάζεται, αναλυτικά, στην ενότητα αυτή. 3.1 Αναλυτική Περιγραφή Τα ατµοσφαιρικά σωµατίδια αποτελούνται από υδρατµούς, ανόργανα άλατα, υλικά κρούστας, οργανικά στοιχεία και µέταλλα. Ένα µεγάλο µέρος της σωµατιδιακής µάζας των ξηρών αερολυµάτων είναι ανόργανο (25 50%), µε το NH +, το Νa +, το SO 2, το HSO, το NO 3 και το Cl να αποτελούν τις πιο σηµαντικές συνεισφορές στα ξηρά ανόργανα αερολύµατα διαµέτρου <2.5 µm (PM 2.5 ) (Heitzenberg, 1989). Εξάλλου, στοιχεία κρούστας, όπως τα Ca 2+, K +, Mg 2+, αποτελούν τα κύρια συστατικά της αναπνεύσιµης σκόνης στο περιβάλλον. Αυτά τα ανόργανα στοιχεία, υπό τη µορφή υδατοδιαλυτών ιόντων ή στερεών ιζηµάτων, ευρίσκονται σε θερµοδυναµική ισορροπία µε τα αέρια της ατµόσφαιρας και τους υδρατµούς. Στο πλαίσιο της Φάσης αυτής, ενσωµατώσαµε το θερµοδυναµικό µοντέλο ISORROPIA II (Fountoukis and Nenes, 2007) σε ένα λογισµικό κώδικα που µπορεί να χρησιµοποιηθεί για την ανάλυση των δεδοµένων lidar (οπτικές ιδιότητες αερολυµάτων), που ελήφθησαν σε πέντε διαφορετικά µήκη κύµατος (355-387-532-607-106 nm) από το σύστηµα Raman lidar του ΕΜΠ. 3.2 Περιγραφή του κώδικα λογισµικού Ο κώδικας ISORROPIA II (Nenes et al., 1998; Nenes et al., 1999; Fountoukis and Nenes, 2007) είναι ένα µοντέλο θερµοδυναµικής ισορροπίας των αερολυµάτων το οποίο προβλέπει τη χηµική σύσταση και τη φυσική κατάσταση ενός συστήµατος αερολυµάτων (NH +, το Νa +, το SO 2, το HSO, το NO 3, Cl H 2 O) που είναι εσωτερικά αναµεµιγµένα. ΓΕΝΙΚΗ ΓΡΑΜΜΑΤΕΙΑ ΕΡΕΥΝΑΣ & ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ 15

Τα πιθανά συστατικά της κάθε µιας φάσης (Εικόνα 10) είναι τα ακόλουθα: Αέρια φάση: NH 3, HNO 3, HCl, H 2 O Υγρή φάση: NH +, Na +, H +, Cl -, NO - 3, SO 2-, HSO -, OH -, H 2 O, HNO 3(aq), HCl (aq), NH 3(aq), H 2 SO Στερεά φάση: (NH ) 2 SO, NH HSO, (NH ) 3 H(SO ) 2, NH NO 3, NH Cl, NaCl, NaNO 3, NaHSO, Na 2 SO Εικόνα 10. Οι καταστάσεις των σωµατιδίων που χρησιµοποιούνται στο µοντέλο ISORROPIA II (στερεά, υγρή και αέρια φάση). Τα συστατικά και οι φάσεις τω αερολυµάτων προσδιορίζονται από τον αριθµό των πρόδροµων αερίων και της σχετικής υγρασίας της ατµόσφαιρας. Το είδος των χηµικών συστατικών που µπορούν να υπάρξουν εξαρτώνται από δύο παραµέτρους: [ ] [ ] + + + Na + NH [ Na ] R SO =, = 2 2 [ SO ] [ SO ] R Na (1) R SO είναι ο λόγος των θειικών και R Na είναι ο λόγος των ιόντων νατρίου. Βασιζόµενοι στους λόγους αυτούς, καθορίζουµε βασικούς τύπους αερολυµάτων: Υπερ-πλούσια σε θειικά, όταν: R SO < 1. Πλούσια σε θειικά, όταν: 1 R SO < 2. Φτωχά σε θειικά και σε ιόντα νατρίου, όταν: R 2 ; R < 2 SO Na. Φτωχά σε θειικά, πλούσια σε ιόντα νατρίου, όταν: R 2 ; R 2. Οι εξισώσεις και οι σταθερές ισορροπίας του κώδικα ISORROPIA II παρουσιάζονται στον Πίνακα 1, ενώ στον Πίνακα 2 εµφανίζονται τα πιθανά συστατικά του κάθε τύπου αερολύµατος. Η αρχή λειτουργίας του κώδικα ISORROPIA II για την ανάκτηση της χηµικής σύστασης των αερολυµάτων παρουσιάζεται στην Εικόνα 11. SO Na ΓΕΝΙΚΗ ΓΡΑΜΜΑΤΕΙΑ ΕΡΕΥΝΑΣ & ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ 16

Πίνακας 1: Οι εξισώσεις των χηµικών αντιδράσεων και οι σταθερές ισορροπίας του κώδικα ISORROPIA II (Fountoukis and Nenes, 2007). Χηµική αντίδραση Σταθερά έκφρασης K (Τ=298.15K) Μονάδες K1 + 2 + 2 HSO ( aq) H ( aq) + SO ( aq) [ H ][ SO ] HSO NH 3( g) K21 NH [ NH ] 3( aq) 3( aq) K22 + 3( aq) + H 2O( aq) NH ( aq) + H 2 SO [ ] γ γ NH3 [ p ] NH 3 γ γ 1.015 10-2 mol kg -1 HSO 5.76 10 1 mol kg -1 atm -1 + NH + O [ NH ][ OH ] γ + γ 1.805 10-5 mol kg -1 NH OH K + 3( g) H( aq) + NO3( aq) [ NH 3( aq) ] a w γ NH3 + HNO [ H ][ NO ] K3 + ( g) H( aq) + Cl( aq) p HNO3 + HCl [ H ][ Cl ] K + 2O( aq) H( aq) + OH( aq) p HCl w + H [ H ][ OH ] a w 3 γ γ + H γ γ NO3 + H Cl γ γ + H OH 2.511 10 6 mol 2 kg -2 atm -1 1.971 10 6 mol 2 kg -2 atm -1 1.010 10-1 mol 2 kg -2 + ( aq) 2 ( aq) 5 Na 2SO 2Na + SO + 2 2 [ Na ] [ SO ] γ + γ 2 ( s) K K7 + ( ) SO NH + SO 2 Na SO 2 NH 2 ( ) 2 + 2 2 2 s ( aq ) ( aq [ NH ] [ SO ] γ + γ 2 NH SO.799 10-1 mol 3 kg -3 1.817 10 0 mol 3 kg -3 K6 ( s) NH3( g) HCl( g) HCl NH Cl + p NH p 1.086 10-16 atm 2 3 K9 + 3( s) Na( aq) + NO3( aq) NaNO + [ ] [ ] K8 + ( s) Na( aq) + Cl( aq) Na NO γ γ 3 + Na NO 3 NaCl + [ ] [ ] K11 + ( s) Na( aq) + HSO ( aq) Na Cl γ γ + Na Cl NaHSO + [ ] [ ] Na HSO γ γ + Na HSO 1.197 10 1 mol 2 kg -2 3.766 10 1 mol 2 kg -2 2.13 10 mol 2 kg -2 K10 3( s) NH3( g) HNO p p 3( g) 3 HNO3 NH NO + NH 5.76 10-17 atm 2 K12 + NH HSO ( s) NH ( aq) + HSO + ( aq [ NH ] [ HSO ] γ + γ NH HSO 1.383 10 0 mol 2 kg -2 ( ) H ( SO ) K13 NH 3 2 ( s) + 3 2 [ NH ] [ SO ][ HSO ] 3NH + ( aq) + HSO ( aq) + SO 2 ( aq) γ 3 + NH γ 2 SO γ HSO 2.972 10 1 mol 5 kg -5 ΓΕΝΙΚΗ ΓΡΑΜΜΑΤΕΙΑ ΕΡΕΥΝΑΣ & ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ 17

Πίνακας 2: Πιθανά συστατικά για κάθε έναν από τους βασικούς τύπους αερολύµατος. Λόγος θειικών Λόγος ιόντων νατρίου Τύπος αερολύµατος Στερεά συστατικά Κύρια ιόντα Κύρια αέρια δ < 1 Οποιαδήποτε SO τιµή Υπερ-πλούσια σε θειικά NaHSO NH HSO + + + Na, NH, H, - 2- HSO, SO, - - 3 NO, Cl, H O 2 HNO, HCl, H O 3 2 1 δ SO < 2 Οποιαδήποτε τιµή Πλούσια σε θειικά NaHSO NH HSO Na SO ( NH) 2 SO ( NH ) H( SO ) 2 3 2 + + + Na, NH, H, - 2- HSO, SO, - - 3 NO, Cl, H O 2 HNO, HCl, HO 3 2 δ 2 δ < 2 Φτωχά σε SO Na θειικά και σε Na SO 2 ιόντα νατρίου ( NH ) NH NO NH Cl SO 2 3 + + + Na, NH, H, - 2- HSO, SO, - - 3 NO, Cl, H O 2 HNO, HCl, NH, HO 2 3 3 δ 2 δ 2 Φτωχά σε SO Na θειικά και πλούσια σε ιόντα νατρίου Na SO NaNO NaCl 2 3 NH NO 3 NH Cl + + + Na, NH, H, - 2- HSO, SO, - - 3 NO, Cl, H O 2 HNO, HCl, NH, HO 2 3 3 Estimate composition (mixture of sulfate, BC, OC, Dust) Change composition Predict water uptake (ISORROPIA) Calculate complex refractive index (volume mixing rule) Normalized Error minimum? RH, T profile from sounding Lidar data Retrieved complex refractive index DONE Εικόνα 11. Αρχή λειτουργίας του κώδικα ISORROPIA II για την ανάκτηση της χηµικής σύστασης των αερολυµάτων. ΓΕΝΙΚΗ ΓΡΑΜΜΑΤΕΙΑ ΕΡΕΥΝΑΣ & ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ 18

Αρχικά, υποθέτουµε µια χηµική σύσταση του αερολύµατος (µείγµα θειικών, µαύρου άνθρακα (BC), οργανικού άνθρακα (OC) και σκόνης) που χρησιµοποιείται σαν είσοδος στον κώδικα (Εικόνα 11). Ακολούθως, προβλέπουµε την προσρόφηση της υγρασίας της ατµόσφαιρας που συγκρίνεται µε την σχετική υγρασία της ατµόσφαιρας που µετράται, είτε µε την τεχνική Raman-lidar, είτε µε την τεχνική της ραδιοβλόλισης. Εάν η διαφορά µεταξύ της προβλεπόµενης και µετρούµενης σχετικής υγρασίας είναι µικρότερη από µια τιµή κατωφλίου, τότε ο κώδικας µεταβαίνει στο επόµενο βήµα που είναι ο υπολογισµός του δείκτη διάθλασης των αερολυµάτων. Στην αντίθετη περίπτωση προβλέπεται µια νέα τιµή της χηµικής σύστασης των αερολυµάτων. Η διαδικασία αυτή επαναλαµβάνεται έως ότου ο κώδικας συγκλίνει σε µια αποδεκτή λύση. Επιπλέον, όταν ο δείκτης διάθλασης των αερολυµάτων έχει εκτιµηθεί έµµεσα (π.χ. µε την αντιστροφή των οπτικών ιδιοτήτων των αερολυµάτων σε διαφορετικά µήκη κύµατος -π.χ. 355-387-532-607-106 nm- µε τη χρήση ειδικού κώδικα) (βλ. επόµενη ενότητα), τότε γίνεται άµεση σύγκριση µε την τιµή του δείκτη διάθλασης που ποροκύπτει από τον κώδικα ISORROPIA II, και στην περίπτωση που ο κώδικας συγκλίνει, τότε προκύπτει και η τελική τιµή της χηµικής σύστασης των αερολυµάτων. Στην περίπτωσή µας ο κώδικας ISORROPIA II χρησιµοποιήθηκε στον ευθύ τρόπο (forward mode), όπου θεωρούνται γνωστές οι αρχικές ολικές συγκεντρώσεις των αερίων και των αερολυµάτων (π.χ. NH +, το Νa +, το SO 2, το HSO, το NO 3, Cl H 2 O) και της θερµοκρασίας της ατµόσφαιρας. Φάση : ηµιουργία µιας κεντρικής βάσης δεδοµένων για τις µικροφυσικές και χηµικές ιδιότητες των αερολυµάτων στην περιοχή των Αθηνών Περίληψη Κατά τη διάρκεια αυτής της Φάσης πραγµατοποιήθηκε από το ΕΜΠ, σε συνεργασία µε το GIT (USA), η δηµιουργία µιας κεντρικής βάσης δεδοµένων για τις µικροφυσικές και χηµικές ιδιότητες των αερολυµάτων στην περιοχή των Αθηνών. Η βάση δεδοµένων αυτή (Παραδοτέο ΠΕ) στηρίζεται σε συστηµατικές µετρήσεις των οπτικών ιδιοτήτων των αερολυµάτων στα 355-532-106 nm από το σύστηµα Raman lidar του ΕΜΠ. Οι συστηµατικές µετρήσεις πραγµατοποιούνται κάθε ευτέρα (γύρω στις 13:00 UTC και στην δύση του ήλιου) και Πέµπτη (στην δύση του ήλιου), αλλά και κατά τη διάρκεια ειδικών περιπτώσεων, όπως για λόγου χάριν η περίπτωση µεταφοράς σκόνης από την έρηµο Σαχάρα ή αερολυµάτων κατά τη διάρκεια δασικών πυρκαγιών. Η ανάπτυξη της βάσης δεδοµένων στηρίχθηκε στην µακρόχρονη εµπειρία µέσω της συµµετοχής της οµάδας του ΕΜΠ στο δίκτυο EARLINET (2000-έως σήµερα). Η ανάκτηση των οπτικών και των µικροφυσικών και χηµικών ιδιοτήτων των αερολυµάτων έγινε µε τη συνδυασµένη χρήση του µοντέλου IMP και του κώδικα επεξεργασίας των σηµάτων lidar (βλ. Παραδοτέα ΠΕ2 και ΠΕ3). ΓΕΝΙΚΗ ΓΡΑΜΜΑΤΕΙΑ ΕΡΕΥΝΑΣ & ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ 19

.1 Ποσοτικά και στατιστικά σηµαντική κεντρική βάση δεδοµένων.1.1. Το αρχείο datalog Η ανάπτυξη της κεντρικής βάσης δεδοµένων για τις µικροφυσικές ιδιότητες των αερολυµάτων στην περιοχή των Αθηνών στηρίχθηκε στη µακρόχρονη εµπειρία µέσω της συµµετοχής της οµάδας του ΕΜΠ στο δίκτυο EARLINET (έτος 2000-έως σήµερα). Η κεντρική βάση δεδοµένων βασίζεται στο αρχείο datalog, το οποίο ενηµερώνεται κάθε φορά που πραγµατοποιείται και µια νέα µέτρηση lidar. Το αρχείο datalog περιέχει όλη την πληροφορία σχετικά µε όλες τις µετρήσεις lidar που έχουν πραγµατοποιηθεί µέχρι τώρα και περιλαµβάνει τα παρακάτω πεδία: ID: ένας µοναδικός αριθµός του κάθε αρχείου µέτρησης, User: Το είδος της µέτρησης που πραγµατοποιήθηκε από το σύστηµα lidar (π.χ. vapour σηµαίνει µετρήσεις µε το σύστηµα Raman lidar που περιλαµβάνουν µετρήσεις των υδρατµών), Location: Περιλαµβάνεται πληροφορία σχετικά µε την τοποθεσία όπου πραγµατοποιήθηκε η µέτρηση (π.χ. στην Αθήνα), Start Date & Time: Ηµέρα και χρόνος έναρξης της µέτρησης lidar, Stop Date & Time: Ηµέρα και χρόνος λήξης της µέτρησης lidar. Στο κύριο παράθυρο της βάσης δεδοµένων υπάρχει ένας κεντρικός πίνακας όπου παρουσιάζεται το αρχείο datalog που προαναφέραµε. Όταν επιλεγεί ένα αρχείο µέτρησης ορισµένης ηµέρας (π.χ. µε την κόκκινη οριζόντια γραµµή), τότε εµφανίζεται στη δεξιά στήλη η αλληλουχία όλων των µετρήσεων lidar που πραγµατοποιήθηκαν την ηµέρα εκείνη. Ο χρήστης µπορεί τότε να επιλέξει, από την βάση δεδοµένων, το αρχείο ή τα αρχεία που επιθυµεί να επεξεργασθεί και να ανακτήσει τις οπτικές ιδιότητες των αερολυµάτων. Ένα τυπικό παράδειγµα επιλεγµένου αρχείου και απεικόνισής του σαν πρωτογενές δεδοµένο (raw signal) σήµα lidar στα 106 nm, παρουσιάζεται στην Εικόνα 12. ΓΕΝΙΚΗ ΓΡΑΜΜΑΤΕΙΑ ΕΡΕΥΝΑΣ & ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ 20

Εικόνα 12. Tο σήµα lidar στα 106 όπως επιλέχθηκε απο την κεντρική βάση δεδοµένων (εφαρµογή στο αρχείο της 0/10/2007)..1.2. Αλλαγή/Επεξεργασία της βάσης δεδοµένων (edit datalog file) Ο χρήστης, εάν το επιθυµεί, µπορεί να επεξεργασθεί την ίδια την βάση δεδοµένων µέσω του αρχείου datalog. Ενεργοποιεί λοιπόν τότε το κοµβίο στο κύριο παράθυρο της βάσης δεδοµένων µε την ένδειξη Edit Database (Εικόνα 12) και εµφανίζεται η Εικόνα 13. Τότε, µία από τις παρακάτω δυνατότητες εµφανίζονται: 1. Προσθήκη ενός αρχείου δεδοµένων στο αρχείο datalog (Add R) 2. Αφαίρεση ενός αρχείου δεδοµένων από το αρχείο datalog 3. Αλλαγή ενός αρχείου δεδοµένων από το αρχείο datalog (Copy Rcds). Σύνδεση δύο αρχείων datalog µαζί (Connect DBs) ΓΕΝΙΚΗ ΓΡΑΜΜΑΤΕΙΑ ΕΡΕΥΝΑΣ & ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ 21

Εικόνα 13. Παράθυρο κατά την Αλλαγή/Επεξεργασία της βάσης δεδοµένων (Edit database)..1.3. Επιλογή ενός συνόλου αρχείου µετρήσεων στην βάση δεδοµένων Η επιλογή ενός συνόλου αρχείου µετρήσεων στην βάση δεδοµένων µπορεί να πραγµατοποιηθεί στην επιλογή User: το όνοµα του αρχείο µετρήσεων µπορεί πολύ εύκολα επιλεγεί και να εµφανισθούν µόνο οι σχετικές µετρήσεις lidar µε το όνοµα αυτό (π.χ. CALISPO ) (βλ. Εικόνα 1, µε το κίτρινο πλαίσιο). Η επιλογή αυτή σηµαίνει µόνο τις µετρήσεις εκείνες που πραγµατοποιήθηκαν κατά τη διάρκεια πτήσης του δορυφόρου CALIPSO επάνω από τον σταθµό µέτρησης lidar. Για παράδειγµα, η Εικόνα 1 παρουσιάζει όλες τις µετρήσεις Raman-lidar που είναι διαθέσιµες στη βάση δεδοµένων και πραγµατοποιήθηκαν κατά τη διάρκεια πτήσης του δορυφόρου CALIPSO επάνω από τον σταθµό µέτρησης lidar στην Αθήνα (κόκκινο πλαίσιο)..1.. Επεξεργασία των σηµάτων Raman-lidar εντός της βάσης δεδοµένων Αφού επιλεγεί η κατηγορία των πρωτογενών δεδοµένων που καταγράφηκαν από το σύστηµα Raman-lidar (π.χ. αρχεία CALIPSO), ο χρήστης µπορεί να αρχίσει την διαδικασία ανάκτησης των οπτικών ιδιοτήτων των αερολυµάτων, όπως παρουσιάσθηκε ήδη στη Φάση 2 και στο Παραδοτέο 2. Η διαδικασία επεξεργασίας επιτρέπει την ανάκτηση της κατακόρυφης κατανοµής του συντελεστή εξασθένησης (355-532 nm) και οπισθοσκέδασης (355-532-106 nm) (Εικόνα 15, αριστερά και δεξιά, αντίστοιχα) στα αντίστοιχα µήκη κύµατος. Ένα τυπικό παράδειγµα ανάκτησης των οπτικών ιδιοτήτων των αερολυµάτων κατά τη διάρκεια διέλευσης του δορυφόρου CALIPSO επάνω από την Αθήνα στις 29 Ιουνίου 2007, παρουσιάζεται στην Εικόνα 15. ΓΕΝΙΚΗ ΓΡΑΜΜΑΤΕΙΑ ΕΡΕΥΝΑΣ & ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ 22

Εικόνα 1. Οι µετρήσεις µε το σύστηµα Raman-lidar του ΕΜΠ, κατά τη διάρκεια πτήσης του δορυφόρου CALIPSO επάνω από την Αθήνα. Altitude a.s.l (m) 500 000 3500 3000 2500 2000 1500 29 June 2007 21 UTC 532nm 355nm AOD355 = 0.8 AOD532 = 0.58 Altitude a.s.l. (m) 500 000 3500 3000 2500 2000 1500 29 June 2007 21 UTC 106 nm 532 nm 355 nm 1000 1000 500 500 0 0,0 1,0x10-2,0x10-3,0x10 -,0x10-5,0x10 - Aerosol Extinction coefficient (m -1 ) 0 0,0 2,0x10-6,0x10-6 6,0x10-6 8,0x10-6 1,0x10-5 Aerosol backscatter coefficient (m -1 sr -1 ) Εικόνα 15. Η κατακόρυφη κατανοµή του συντελεστή εξασθένησης (355-532 nm) και οπισθοσκέδασης (355-532-106 nm) όπως καταγράφηκε από το σύστηµα Raman lidar του ΕΜΠ, στις 29 Ιουνίου 2007, κατά τη διάρκεια πτήσης του δορυφόρου CALIPSO επάνω από την Αθήνα. ΓΕΝΙΚΗ ΓΡΑΜΜΑΤΕΙΑ ΕΡΕΥΝΑΣ & ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ 23

.2 Κεντρική βάση δεδοµένων µε τις µικροφυσικές ιδιότητες των αερολυµάτων Όπως προαναφέρθηκε στο Παραδοτέο 3, για την ανάκτηση των µικροφυσικών ιδιοτήτων των αερολυµάτων (συντελεστής διάθλασης, ενεργός ακτίνα, συγκέντρωση ολικού όγκου, συγκέντρωση ολικής επιφάνειας και συντελεστής µεµονωµένης σκέδασης στα 355 και 532 nm) εφαρµόζεται ο κώδικας IMP, που αναπτύχθηκε στο πλαίσιο του έργου EARLINET. Έως τώρα έχει πραγµατοποιηθεί η επεξεργασία πολυάριθµων πρωτογενών αρχείων δεδοµένων που έχουν καταγραφεί από το σύστηµα Raman-lidar του ΕΜΠ και έχουν προκύψει οι προαναφερθείσες µικρο-φυσικές ιδιότητες των αερολυµάτων, που έχουν καταχωρηθεί στην κεντρική βάση δεδοµένων (βλ. Πίνακα 3). Ηµεροµηνία Μέσος δείκτης διάθλασης m=n+ik Eνεργός ακτίνα (µm) Συγκέντρωση ολικού όγκου (µm 3 cm -3 ), Συγκέντρωση ολικής επιφάνειας (µm 2 cm -3 ), SSA (355 nm) SSA (532 nm) 06/11/2006 1.736+0.083i 0.21 1.659 206.298 0.672 0.706 29/06/2007 1.386+0.006i 0.1 3.77 112.6 0.956 0.938 30/06/2007 1.555±0.006i 0.10 91.6 393 0.988 0.992..................... 28/07/2007 1.53±0.006i 0.188 83.2 519 0.577 0.632..................... 0/10/2007 1.6+0.007i 0.1 2.56 06.28 0.985 0.912..................... Πίνακας 3. Απόσπασµα αρχείων µε τις µικρο-φυσικές ιδιότητες των αερολυµάτων στο Λεκανοπέδιο Αθηνών, που έχουν καταχωρηθεί στην κεντρική βάση δεδοµένων..3 Κεντρική βάση δεδοµένων µε τις χηµικές ιδιότητες και της υγρασίας των αερολυµάτων στην περιοχή των Αθηνών Τα δεδοµένα (µικρο-φυσικές ιδιότητες των αερολυµάτων στην περιοχή των Αθηνών) που ελήφθησαν χρησιµοποιήθηκαν σαν στοιχεία εισόδου στον κώδικα ISORROPIA II (βλ. Παραδοτέο 3), µε βάση την σχετική υγρασία της ατµόσφαιρας και τον δείκτη διάθλασης των αερολυµάτων που είναι συµβατός και µε τα δύο µοντέλα που χρησιµοποιήθηκαν (IMP και ISORROPIA II) προκειµένου να γίνει η ανάκτηση των χηµικών ιδιοτήτων των αερολυµάτων στην περιοχή των Αθηνών. ΓΕΝΙΚΗ ΓΡΑΜΜΑΤΕΙΑ ΕΡΕΥΝΑΣ & ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ 2

Έως τώρα έχει πραγµατοποιηθεί η επεξεργασία πολυάριθµων πρωτογενών αρχείων δεδοµένων που έχουν καταγραφεί από το σύστηµα Raman-lidar του ΕΜΠ και έχουν προκύψει οι χηµικές ιδιότητες των αερολυµάτων, που έχουν καταχωρηθεί στην κεντρική βάση δεδοµένων (βλ. Πίνακα ). Η διαδικασία αυτή ολοκληρώθηκε για όλες τις µετρήσεις Raman-lidar του ΕΜΠ που πραγµατοποιήθηκαν έως και το τέλος του έτους 2007, οπότε και ενηµερώθηκε πλήρως η κεντρική βάση δεδοµένων. Ηµεροµηνία RH (%) T (K) Μαύρος Άνθρακας (BC) (%) Οργανικός Άνθρακας (OC) (%) Άλλα συστατικά 06/11/2006 60-65 285 18 82 Χαµηλή υγρασία, θειικά άλατα και σκόνη 29/06/2007 50 285 2 98 Χαµηλή υγρασία, θειικά άλατα και σκόνη 30/06/2007 50 286 96 Χαµηλή υγρασία, θειικά άλατα και σκόνη 28/07/2007 57 288 10 60 θειικά άλατα και σκόνη Πίνακας. Απόσπασµα αρχείων µε τις χηµικές ιδιότητες των αερολυµάτων στο Λεκανοπέδιο Αθηνών, που έχουν καταχωρηθεί στην κεντρική βάση δεδοµένων. Φάση 5: Ανάκτηση υγρασίας και χηµικών ιδιοτήτων και των αερολυµάτων στην περιοχή των Αθηνών Περίληψη Κατά τη διάρκεια αυτής της Φάσης πραγµατοποιήθηκε από το ΕΜΠ, σε συνεργασία µε το GIT (USA), η ανάκτηση των χηµικών ιδιοτήτων και της υγρασίας των αερολυµάτων στην περιοχή των Αθηνών. Η ανάκτηση της υγρασίας υλοποιήθηκε µε την χρήση της τεχνικής Raman lidar. Η ανάκτηση των χηµικών ιδιοτήτων των αερολυµάτων έγινε µε τη συνδυασµένη χρήση των µοντέλων IMP και ISORROPIA II (βλ. Παραδοτέο 3), µε βάση την σχετική υγρασία της ατµόσφαιρας και τον δείκτη διάθλασης των αερολυµάτων που είναι συµβατός και µε τα δύο µοντέλα που χρησιµοποιήθηκαν. ΓΕΝΙΚΗ ΓΡΑΜΜΑΤΕΙΑ ΕΡΕΥΝΑΣ & ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ 25

5.1 Αναλυτική περιγραφή Η ανάκτηση των χηµικών ιδιοτήτων των αερολυµάτων προϋποθέτει την ανάκτηση, αρχικά, της υγρασίας και των µικρο-φυσικών ιδιοτήτων των αερολυµάτων (βλ. Παραδοτέο 3) µε χρήση του κώδικα IMP. Στις επόµενες ενότητες παρουσιάζονται αναλυτικά οι τρόποι ανάκτησης των ιδιοτήτων αυτών. 5.2. Ανάκτηση υγρασίας της ατµόσφαιρας 5.2.1 Μεθοδολογία Το σύστηµα Raman-Lidar µετράει τον λόγο ανάµειξης των υδρατµών µε τον ξηρό ατµοσφαιρικό αέρα. Αυτή η τεχνική εφαρµόζεται για µετρήσεις µετά την δύση του ηλίου (Melfi, 1972; Ansmann et al., 1992). Ο λόγος ανάµειξης των υδρατµών ανακτάται από τις µετρήσεις του λόγου των σηµάτων P λh O(z) /Pλrer(z) των υδρατµών ως προς κάποιο ατµοσφαιρικό 2 αέριο αναφοράς (οξυγόνο ή άζωτο). Συνδυάζοντας δύο εξισώσεις Raman για τα µήκη κύµατος των υδρατµών λhoκαι του αζώτου λ 2 N, αντίστοιχα, ο λόγος ανάµειξης των 2 υδρατµών µε τον ξηρό ατµοσφαιρικό αέρα, δίνεται από την εξίσωση (2): z aer mol P λn λ 2 N2 λh 2 O(Z) o m z λn 2 (Z) aer mol λh2o λh2o o exp{ [ α ( ξ ) +α ( ξ)]d ξ} m(z) = K P exp{ [ α ( ξ ) +α ( ξ)]d ξ} Η σταθερά του συστήµατος Km = K λ /K N λ µπορεί να προκύψει από την γνωστή ενεργό H O 2 2 διατοµή και τις ιδιότητες του φασµατοφωτοµέτρου που χρησιµοποιείται, στην πράξη όµως προσδιορίζεται από την σύγκριση των µετρήσεων του Lidar µε τα αντίστοιχα δεδοµένα των ραδιοβολίσεων. Κατά τον υπολογισµό του λόγου µεταξύ των δύο µεθόδων πρέπει να συνεκτιµηθεί η µοριακή σκέδαση καθώς επίσης και η εξασθένηση από τα σωµατίδια aer aer ( λ, N λ 2 H2O α α ). Η εξασθένηση από την απορρόφηση του όζοντος µπορεί να θεωρηθεί αµελητέα. Η επίδραση λόγω της µοριακής σκέδασης προσδιορίζεται από το τυπικό ατµοσφαιρικό µοντέλο, το οποίο παράγεται από τις µετρούµενες στο έδαφος τιµές θερµοκρασίας και πίεσης, ή από τα δεδοµένα ραδιοβολίσεων όταν αυτές είναι διαθέσιµες. Η επίδραση του οπτικού πάχους των σωµατιδίων υπολογίζεται από τους συντελεστές εξασθένησης που προκύπτουν από την κατακόρυφη κατανοµή των σηµάτων Raman για το µήκος κύµατος αναφοράς (άζωτο στην παρούσα περίπτωση). Η επίδραση της εξασθένησης λόγω των σωµατιδίων είναι αµελητέα στις περιπτώσεις καθαρών ατµοσφαιρικών συνθηκών, αλλά δεν µπορεί να παραληφθεί σε περιπτώσεις όταν υπάρχει παρουσία νεφών. (2) ΓΕΝΙΚΗ ΓΡΑΜΜΑΤΕΙΑ ΕΡΕΥΝΑΣ & ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ 26

5.3 Βαθµονόµηση του συστήµατος Από τον Σεπτέµβριο του 2006 το σύστηµα Raman-Lidar του Ε.Μ.Π., µετρά το λόγο ανάµειξης των υδρατµών µε τον ξηρό ατµοσφαιρικό αέρα. Κάθε σύστηµα Raman-Lidar πρέπει να βαθµονοµηθεί πριν χρησιµοποιηθεί για την ανάκτηση µετεωρολογικών παραµέτρων. Ο συντελεστής βαθµονόµησης του Lidar K m προσδιορίζεται από την σύγκριση των δεδοµένων του lidar µε τις αντίστοιχες µετεωρολογικές παραµέτρους της ραδιοβόλισης. Στην Εικόνα 16 παρουσιάζεται ένα τυπικό παράδειγµα χρονοσειράς της κατακόρυφης κατανοµής του λόγου ανάµειξης των υδρατµών µε τον ξηρό ατµοσφαιρικό αέρα και η µέση κατακόρυφη κατανοµή για τις 13 Σεπτεµβρίου 2006. Παρατηρούνται οι αυξηµένες τιµές του λόγου ανάµειξης των υδρατµών στα ύψη 3500 000 m. Το σύστηµα του Ε.Μ.Π. βαθµονοµήθηκε µέσω συστηµατικών συγκρίσεων (Σεπτέµβριος 2006- Απρίλιος 2007) στην περιοχή των υψών από 500 έως 500 m από την µέση στάθµη της θάλασσας (Μ.Σ.Θ.), µε σχεδόν ταυτόχρονες ραδιοβολίσεις οι οποίες εκτοξεύονται από την ΕΜΥ στον µετεωρολογικό σταθµό στην περιοχή Ελληνικό της Αθήνας. Η Εικόνα 17 παρουσιάζει την µεθοδολογία προσδιορισµού της σταθεράς K m. Ο λόγος της κατακόρυφης κατανοµής της αναλογίας ανάµειξης των υδρατµών που ανακτήθηκε από την ραδιοβόλιση, προς αυτή που υπολογίστηκε από την εξίσωση (2) µε K m =1, παρουσιάζεται στην Εικόνα 17 (αριστερά). ΥΨΟΣ απο Μ.Σ.Θ. (m) 6000 550 0 5000 500 000 350 0 3000 2500 2000 150 0 1000 50 0 Λόγος ανάµειξης των Υδρατµών µε τον ξηρό ατµοσφαιρικό αέρα (g/kg) 13.09.2006 10 9 8 7 6 5 3 2 1 0 18 18.5 19 19. 5 20 20. 5 21 Ωρα (UTC) Εικόνα 16. Χρονική µεταβολή της κατακόρυφης κατανοµής του λόγου ανάµειξης των υδρατµών µε ξηρό ατµοσφαιρικό αέρα, όπως µετρήθηκε µε το σύστηµα Raman lidar. Η διακύµανση του συντελεστή βαθµονόµησης µε το ύψος µπορεί να εξηγηθεί από τις χρονικές µεταβολές στην κατακόρυφη κατανοµή της υγρασίας κατά την διάρκεια των µετρήσεων (Mattis et al., 2002). Η κατακόρυφη κατανοµή του λόγου ανάµειξης των ΓΕΝΙΚΗ ΓΡΑΜΜΑΤΕΙΑ ΕΡΕΥΝΑΣ & ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ 27

υδρατµών ως προς το ξηρό αέρα που παρουσιάζεται στην Εικόνα 17 (δεξιά) υπολογίσθηκε µε την µέση τιµή του συντελεστή βαθµονόµησης (Κ m =79.39 ± 7.21). Την χρονική περίοδο µεταξύ Σεπτεµβρίου 2006 και Απριλίου 2007, δεκαεφτά συγκρίσεις µεταξύ των δεδοµένων των ραδιοβολίσεων και των µετρήσεων µε το σύστηµα Raman Lidar πραγµατοποιήθηκαν. Η διακύµανση του συντελεστή βαθµονόµησης µεταξύ βρέθηκε ίση µε %. Η µέση τιµή του συντελεστή βαθµονόµησης για το σύνολο των δεκαεφτά περιπτώσεων σύγκρισης µεταξύ του µετρήσεων του συστήµατος Lidar και των δεδοµένων της ραδιοβόλισης της µελέτης µας, είναι ίση µε 80.7 ± 5.2. Από τον συνδυασµό των δεδοµένων lidar και ραδιοβόλισης εξάγονται τα στοιχεία για την σχετική υγρασία και την θερµοκρασία στα διάφορα ύψη της ατµόσφαιρας. Altitude a.s.l. (m) 6000 5500 5000 500 000 3500 3000 2500 2000 150 0 10 0 0 500 K m Mean value Std. deviation K m = 79.39 + 7.21 ------ Radiosonde NTUA LIDAR 0 50 60 70 80 90 10 0 110 120 0 2 6 8 10 Calibrat ion Const ant K m Water Vapor Mixing Ratio (g/kg) Εικόνα 17. Αριστερά: Η σταθερά βαθµονόµησης, ορίζεται από τον λόγο του λόγου ανάµειξης των υδρατµών µε ξηρό ατµοσφαιρικό αέρα, όπως προκύπτει από τα δεδοµένα της ραδιοβόλισης και από το σήµα του lidar πριν από την βαθµονόµηση του. εξιά: Ο λόγος ανάµειξης των υδρατµών όπως δίνεται από τα δεδοµένα της ραδιοβόλισης και από το βαθµονοµηµένο σήµα lidar, χρησιµοποιώντας την µέση τιµή της σταθεράς βαθµονόµησης (K m =79.39). Στην Εικόνα 18 παρουσιάζεται ένα τυπικό µέτρησης της σχετικής υγρασίας και θερµοκρασίας της ατµόσφαιρας όπως προκύπτουν από τα δεδοµένα της ραδιοβόλισης για τις 28 Ιουλίου 2007. Παρατηρείται η ύπαρξη του Ατµοσφαιρικού Οριακού Στρώµατος στα 1800 m. ΓΕΝΙΚΗ ΓΡΑΜΜΑΤΕΙΑ ΕΡΕΥΝΑΣ & ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ 28

5000 000 Σχετική Υγρασία (%) 0 10 20 30 0 50 60 70 80 90 100 5000 Θερµοκρασία Σχετική Υγρασία 000 Υψος (m) 3000 2000 3000 2000 1000 1000 0 0 270 280 290 300 310 Θερµοκρασία (Κ) Εικόνα 18. Τυπικό παράδειγµα µέτρησης της σχετικής υγρασίας και θερµοκρασίας της ατµόσφαιρας όπως προκύπτουν από τα δεδοµένα της ραδιοβόλισης για τις 28 Ιουλίου 2007. 5. Ανάκτηση των µικρο-φυσικών ιδιοτήτων των αερολυµάτων Το σύστηµα Raman lidar 6 µηκών κύµατος του ΕΜΠ χρησιµοποιήθηκε για την ανάκτηση της κατακόρυφης κατανοµής των υδρατµών στην τροπόσφαιρα και για τον υπολογισµό των οπτικών και των µικρο-φυσικών ιδιοτήτων των αερολυµάτων στο Λεκανοπέδιο Αθηνών. Τα ελαστικά σκεδαζόµενα σήµατα lidar (στα 355, 532 και 106 nm), όπως και εκείνα που σκεδάζονται µέσω της σκέδασης Raman από το ατµοσφαιρικό N 2 και τους υδρατµούς (στα 387, 607 και 07 nm, αντίστοιχα) χρησιµοποιήθηκαν για την ανάκτηση της κατακόρυφης κατανοµής του συντελεστή οπισθοσκέδασης (στα 355, 532 και 106 nm) και εξασθένησης (στα 355 and 532 nm) αερολυµάτων. Επιπλέον, πραγµατοποιήθηκε η ανάκτηση της κατακόρυφης κατανοµής των υδρατµών στην τροπόσφαιρα µέσω ειδικού λογισµικού που αναπτύχθηκε σε συνεργασία µε την Raymetrics A.E., αλλά και η ανάκτηση των µικρο-φυσικών ιδιοτήτων των αερολυµάτων στην τροπόσφαιρα. Οι µικρο-φυσικές ιδιότητες των αερολυµάτων ανακτήθηκαν µε τη χρήση κώδικα λογισµικού που βασίζεται στην υβριδική κανονικοποίηση (hybrid regularization) που αναπτύχθηκε στο Institute of Mathematics (IMP) του Πανεπιστηµίου του Potsdam (Γερµανία) (Böckmann, 2001). Το µοντέλο του IMP που χρησιµοποιήσαµε τροφοδοτήθηκε µε τα δεδοµένα εισόδου της κατακόρυφης κατανοµής του συντελεστή οπισθοσκέδασης (στα 355, 532 και 106 nm) και εξασθένησης (στα 355 and 532 nm) αερολυµάτων από το σύστηµα Raman lidar του ΕΜΠ, όπως µετρήθηκαν στις 28 Ιουλίου 2007 (βλ. Εικόνα 19). Τα ΓΕΝΙΚΗ ΓΡΑΜΜΑΤΕΙΑ ΕΡΕΥΝΑΣ & ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ 29

αποτελέσµατα εξόδου του µοντέλου IMP επέτρεψαν την ανάκτηση των µικρο-φυσικών ιδιοτήτων των αερολυµάτων, όπως ο δείκτης διάθλασης, η ενεργός ακτίνα, η συγκέντρωση ολικού όγκου, η συγκέντρωση ολικής επιφάνειας και οι συντελεστές ανακλαστικότητας µεµονωµένης σκέδασης (SSA) στα 355 nm και στα 532 nm. Εικόνα 19. Τυπικές κατακόρυφες κατανοµές του συντελεστή εξασθένησης (355-532 nm) και οπισθοσκέδασης (355-532-106 nm) όπως καταγράφηκαν από το σύστηµα Raman lidar του ΕΜΠ, στις 28 Ιουλίου 2007. Από τα δεδοµένα του συστήµατος Raman lidar αρχικά επιλέγονται κάποιες περιοχές όπου και θα εφαρµοστεί το µοντέλο ανάκτησης των µικροφυσικών ιδιοτήτων των αερολυµάτων. Στην περίπτωση της 28 ης Ιουλίου 2007 εφαρµόσαµε την µεθοδολογία για τις περιοχές υψών µεταξύ 120-120 m και 2000-2500 m. Τα αποτελέσµατα εξόδου του µοντέλου IMP, σχετικά µε την ανάκτηση του δείκτη διάθλασης των αερολυµάτων παρουσιάζονται στην Εικόνα 20 και σχετικά µε τις υπόλοιπες µικροφυσικές ιδιότητες (π.χ. η ενεργός ακτίνα, η συγκέντρωση ολικού όγκου, η συγκέντρωση ολικής επιφάνειας και οι συντελεστές ανακλαστικότητας µεµονωµένης σκέδασης), στον Πίνακα 5. Ο υπολογισµός των τιµών αυτών έγινε µε τη χρήση ΓΕΝΙΚΗ ΓΡΑΜΜΑΤΕΙΑ ΕΡΕΥΝΑΣ & ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ 30

25 σηµειακών δεδοµένων γύρω από το βέλτιστο σηµείο ελάχιστου σφάλµατος, όπως προέκυψε από τον κώδικα του IMP. Περιοχή λύσης Περιοχή λύσης Εικόνα 20. Τυπική λύση από το µοντέλο IMP αναφορικά µε τον δείκτη διάθλασης αερολυµάτων στο Λεκανοπέδιο Αθηνών (κάθετος άξονας: πραγµατικός δείκτης, οριζόντιος άξονας: φανταστικό µέρος του δείκτη διάθλασης), µε βάση τα δεδοµένα lidar που παρουσιάσθηκαν στην Εικόνα 19, (επάνω): στρωµάτωση 120-120 m και (κάτω): στρωµάτωση 2000-2500 m. ΓΕΝΙΚΗ ΓΡΑΜΜΑΤΕΙΑ ΕΡΕΥΝΑΣ & ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ 31

Πίνακας 5. Μικρο-φυσικές ιδιότητες των αερολυµάτων [δείκτης διάθλασης, ενεργός ακτίνα, συγκέντρωση ολικού όγκου, συγκέντρωση ολικής επιφάνειας και συντελεστές ανακλαστικότητας µεµονωµένης σκέδασης (SSA) στα 355 nm και στα 532 nm], όπως ανακτήθηκαν από το µοντέλο IMP για τις 28 Ιουλίου 2007 στο Λεκανοπέδιο Αθηνών µε χρήση δεδοµένων Raman-lidar του ΕΜΠ. Στρωµάτωση Μέσος δείκτης διάθλασης m=n+ik Ενεργός ακτίνα (µm) Συγκέντρωση ολικού όγκου (µm 3 cm -3 ) Συγκέντρωση ολικής επιφάνειας (µm 2 cm -3 ) SSA (355 nm) SSA (532 nm) 120-120 1.53±0.07i 0.188 83.2 519 0.577 0.632 2000-2500 1.5±0.0i 0.18 35.95 175.2 0.767 0.799 5.5 Ανάκτηση της χηµικής σύστασης των αερολυµάτων Τα δεδοµένα που ανακτήθηκαν σχετικά µε τις οπτικές και µικρο-φυσικές ιδιότητες των αερολυµάτων και της σχετικής υγρασίας της ατµόσφαιρας (βλ. Ενότητα 1) χρησιµοποιήθηκαν σαν δεδοµένα εισόδου στο θερµοδυναµικό µοντέλο ISORROPIA II (Nenes et al., 1998; Nenes et al., 1999; Foutoukis and Nenes, 2007). Το µοντέλο λοιπόν αυτό συνδυάστηκε µε τα δεδοµένα εξόδου του µοντέλου IMP (Πίνακας 5 και Εικόνα 20), καθώς και των οπτικών ιδιοτήτων των αερολυµάτων όπως υπολογίσθηκαν από τα δεδοµένα που µετρήθηκαν από το σύστηµα Raman lidar του ΕΜΠ (Εικόνα 19), προκειµένου να υπολογισθεί η χηµική σύσταση των αερολυµάτων στο Λεκανοπέδιο Αθηνών, για τις 28 Ιουλίου 2007. Επιπλέον, το µοντέλο ISORROPIA II είχε σαν δεδοµένα εισόδου την θερµοκρασία και την σχετική υγρασία, περιβάλλοντος. Πίνακας 6: εδοµένα εισόδου του µοντέλου ISORROPIA II (Σχετική υγρασία και θερµοκρασία). Στρωµάτωση (m) Σχετική Υγρασία (%) υναµική θερµοκρασία (Κ) 120-120 57 288. 2000-2500 62 286.0 ΓΕΝΙΚΗ ΓΡΑΜΜΑΤΕΙΑ ΕΡΕΥΝΑΣ & ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ 32

Οργανικός Ανθρακας (%) 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0. 0.3 0.2 0.1 1.62 1.58 1.5 1.5 1.6 1.2 1.38 0.1 0.2 0.3 0. Θειικό αµµώνιο Εικόνα 21: Οµάδες λύσεων χηµικής σύστασης όπως προκύπτουν από το µοντέλο ISORROPIA ΙΙ για τις 28 ης Ιουλίου 2007. Έτσι, η χηµική σύσταση των αερολυµάτων, όπως ανακτήθηκε από το µοντέλο ISORROPIA II, όπως προκύπτει από την Eικόνα 21, είναι: 0-62% Οργανικός Άνθρακας (ΟC) 10-0% Θειικό αµµώνιο Επίσης, στην συγκεκριµένη ατµοσφαιρική µάζα περιέχεται και ποσότητα µαύρου άνθρακα σε πολύ µικρότερα όµως ποσοστά από αυτά του οργανικού, κα8ώς επίσης και ποσότητα σκόνης. Η τιµή του δείκτη διάθλασης που υπολογίσθηκε από µοντέλο ISORROPIA II ήταν: m=1.508+0.001i, δηλαδή αρκετά κοντά στην τιµή που υπολόγισε ο κώδικας IMP: m=1.53±0.07i, γεγονός που υποδεικνύει ότι η προτεινόµενη τιµή από τον κώδικα IMP αντιστοιχεί σε µια σταθερή λύση. Οι τιµές του SSA που ανακτήθηκαν (0.57-0.76) από τον κώδικα IMP αποδεικνύουν την παρουσία αερολυµάτων που απορροφούν έντονα την ηλιακή ακτινοβολία, εποµένως συµβάλλουν στην υπερθέρµανση του πλανήτη. ΓΕΝΙΚΗ ΓΡΑΜΜΑΤΕΙΑ ΕΡΕΥΝΑΣ & ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ 33

Φάση 6: Βαθµονόµηση του δορυφορικού συστήµατος lidar CALIPSO Περίληψη Από τον Ιούλιο του 2006, στο Εργαστήριο Lidar του Τοµέα Φυσικής του Ε.Μ.Π. πραγµατοποιούνται συστηµατικές µετρήσεις για την βαθµονόµηση του δορυφορικού συστήµατος Lidar του δορυφόρου CALIPSO (ανάλογα µε την ώρα διέλευσης: 13:30 UTC ή 01:30 UTC). Η συνολική διάρκεια των επίγειων µετρήσεων µε το σύστηµα lidar είναι περίπου δύο ώρες µε αναφορά την ώρα του κοντινότερου περάσµατος του δορυφόρου στον επίγειο σταθµό. Στην παρούσα µελέτη έγινε µία πρώτη προσπάθεια για την βαθµονόµηση των κατακόρυφων κατανοµών των αιωρούµενων σωµατιδίων του δορυφορικού lidar CALIOP, µέσω της σύγκρισής τους µε τις επίγειες αντίστοιχες µετρήσεις οι οποίες πραγµατοποιήθηκαν στο Ε.Μ.Π. Από την στατιστική ανάλυση των δεδοµένων που προέκυψαν από τις 0 σύγχρονες µετρήσεις lidar, υπολογίσθηκε ότι η µέση τιµή των ποσοστιαίων διαφορών ήταν της τάξεως των 22% για ηµερήσιες µετρήσεις και 8 % για µετρήσεις κατά την διάρκεια της νύχτας, για την περιοχή υψών µεταξύ 3 και 10 km. Οι µέσες διαφορές µεταξύ των δύο οργάνων γίνονται πολύ µεγαλύτερες για ύψη µικρότερα των 3 km (της τάξης του 60 %). 6.1 Εισαγωγή Η τεχνική του Lidar παίζει πολύ σηµαντικό ρόλο στο µέλλον των επίγειων παρατηρήσεων. Το σύστηµα lidar CALIOP (Cloud-Aerosol LIdar with Orthogonal Polarization) το οποίο βρίσκεται στον δορυφόρο της NASA CALIPSO, κατά την διάρκεια µίας µακράς διάρκειας αποστολής δίνει µία µοναδική ευκαιρία όσον αφορά την λεπτοµερή µελέτη της απόδοσης και του επιστηµονικού υποβάθρου ενός συστήµατος lidar εκτός της γήινης ατµόσφαιρας. Η αποστολή του CALIPSO στηρίζεται στην συνολική παρατήρηση της κατακόρυφης κατανοµής των αιωρούµενων σωµατιδίων στην ατµόσφαιρα. Μόνο µέσω συνδυασµένων µελετών των επίγειων και δορυφορικών τεχνικών lidar καθώς επίσης και µοντέλων µπορεί να επιτευχθεί µία πλήρης ερµηνεία των δεδοµένων έτσι ώστε να πραγµατοποιηθεί µία λεπτοµερής περιγραφή της χρονικής και χωρικής κατανοµής των αιωρούµενων σωµατιδίων. Από τον Ιούνιο του 2006, οπότε και εκτοξεύτηκε ο δορυφόρος CALIPSO, µετρήσεις για την βαθµονόµηση του δορυφορικού συστήµατος lidar (CALIOP) πραγµατοποιούνται στο Eργαστήριο lidar του ΕΜΠ στην Αθήνα. Οι µετρήσεις πραγµατοποιούνται για τριών ειδών υπερπτήσεις πάνω από τον επίγειο σταθµών lidar της Αθήνας. Η πρώτη κατηγορία (περίπτωση 1) αναφέρεται σε απόσταση του δορυφόρου µικρότερη των 80 km από τον σταθµό της Αθήνας. Η δεύτερη και η τρίτη κατηγορία αναφέρονται σε µετρήσεις που πραγµατοποιούνται στον σταθµό του Ε.Μ.Π. όταν ο δορυφόρος περνάει σε ακτίνα 80 km από κάποιον κοντινό ως προς την Αθήνα σταθµό lidar (περίπτωση 2 για υπερπτήση πάνω από την Θεσσαλονίκη και περίπτωση 3 για υπερπτήση πάνω από την Potenza, Ιταλία). ΓΕΝΙΚΗ ΓΡΑΜΜΑΤΕΙΑ ΕΡΕΥΝΑΣ & ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ 3