ΑΡΙΣΟΣΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΘΜΙΟ ΘΕΑΛΟΝΙΚΘ ΧΟΛΘ ΘΕΣΙΚΩΝ ΕΠΙΣΘΜΩΝ, ΣΜΘΜΑ ΓΕΩΛΟΓΙΑ ΣΟΜΕΑ ΜΕΣΕΩΡΟΛΟΓΙΑ ΚΑΙ ΚΛΙΜΑΣΟΛΟΓΙΑ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΣΑΠΣΤΧΙΑΚΩΝ ΠΟΤΔΩΝ ΕΠΙΔΡΑΘ ΣΩΝ ΕΣΘΙΩΝ ΣΟ ΣΡΟΠΟΦΑΙΡΙΚΟ ΟΗΟΝ ΣΘ ΑΝΑΣΟΛΙΚΘ ΜΕΟΓΕΙΟΤ ΣΕΛΛΑ ΔΑΦΚΑ ΦΤΙΚΟ ΜΕΣΑΠΣΤΧΙΑΚΘ ΔΙΑΣΡΙΒΘ ΕΙΔΙΚΕΤΘ ΘΕΑΛΟΝΙΚΘ, 2012
ΣΕΛΛΑ ΔΑΦΚΑ ΦΤΙΚΟ ΕΠΙΔΡΑΘ ΣΩΝ ΕΣΘΙΩΝ ΣΟ ΣΡΟΠΟΦΑΙΡΙΚΟ ΟΗΟΝ ΣΘ ΑΝΑΣΟΛΙΚΘ ΜΕΟΓΕΙΟΤ ΜΕΣΑΠΣΤΧΙΑΚΘ ΔΙΑΣΡΙΒΘ ΕΙΔΙΚΕΤΘ που υποβλικθκε ςτον Σομζα Μετεωρολογίασ, Κλιματολογίασ και Ατμοςφαιρικοφ Περιβάλλοντοσ του Σμιματοσ Γεωλογίασ τθσ χολισ Θετικών Επιςτθμών του Αριςτοτζλειου Πανεπιςτθμίου Θεςςαλονίκθσ ΘΕΑΛΟΝΙΚΘ, 2012
Θ ανάπτυξθ και υποςτιριξθ τθσ Μεταπτυχιακισ Διατριβισ Ειδίκευςθσ ζγινε ενώπιον τθσ Σριμελοφσ Εξεταςτικισ Επιτροπισ, ςτισ 21 Φεβρουαρίου 2012. Σθν Εξεταςτικι Επιτροπι αποτζλεςαν οι: Ηάνθσ Πρόδρομοσ, Επίκουροσ Κακθγθτισ Α.Π.Θ Αναγνωςτοποφλου Χριςτίνα, Επίκουροσ Κακθγιτρια Α.Π.Θ Πυκαροφλθσ Ιωάννθσ, Λζκτορασ Α.Π.Θ
ΠΡΟΛΟΓΟ Θ παροφςα μεταπτυχιακι διατριβι ειδίκευςθσ με τίτλο Επίδραςθ των ετθςίων ςτο όηον τθσ Ανατολικισ Μεςογείου εκπονικθκε ςτα πλαίςια των μεταπτυχιακών ςπουδών ςτον Σομζα Μετεωρολογίασ, Κλιματολογίασ και Ατμοςφαιρικοφ Περιβάλλοντοσ του Αριςτοτελείου Πανεπιςτθμίου Θεςςαλονίκθσ. το ςθμείο αυτό κα ικελα να εκφράςω τισ κερμζσ μου ευχαριςτίεσ ςτον κ. Πρόδρομο Ηάνθ, Επίκουρο Κακθγθτι και επιβλζποντα τθσ παροφςασ μεταπτυχιακισ διατριβισ ειδίκευςθσ, για τθν ανάκεςθ τθσ εργαςίασ, τθν πολφτιμθ κακοδιγθςθ που μου προςζφερε και τθν άρτια επιςτθμονικι ςυμβολι του, κακ όλθ τθ διάρκεια εκπόνθςθσ τθσ διπλωματικισ εργαςίασ, αλλά και κατά τθ διάρκεια των μεταπτυχιακών μου ςπουδών. Επίςθσ κα ικελα να ευχαριςτιςω τα μζλθ τθσ επιτροπισ, τθν κ. Χριςτίνα Αναγνωςτοποφλου, Επίκουρθ Κακθγιτρια και τον κ. Ιωάννθ Πυκαροφλθ, Λζκτορα, για τισ εποικοδομθτικζσ τουσ παρατθριςεισ και τισ πολφτιμεσ ςυμβουλζσ τουσ. Ζνα κερμό ευχαριςτώ ςτον κ. Θεόδωρο Καρακώςτα, Κακθγθτι και Διευκυντι του τομζα, κακώσ ιταν ο άνκρωποσ που μου ζδωςε τθν ευκαιρία, με παρότρυνε να αςχολθκώ με τθν επιςτιμθ τθσ Μετεωρολογίασ και με ενζπνευςε ώςτε να αγαπιςω το αντικείμενο. Σζλοσ κα ικελα να ευχαριςτιςω όλουσ τουσ κακθγθτζσ του τομζα και τουσ ςυμφοιτθτζσ μου για τθν άριςτθ ςυνεργαςία κακ όλθ τθν διάρκεια των μεταπτυχιακών μου ςπουδών.
ΠΕΡΙΛΗΨΗ τθν παροφςα μεταπτυχιακι διατριβι ειδίκευςθσ πραγματοποιικθκε μελζτθ τθσ μζςθσ ςυνοπτικισ και δυναμικισ κατάςταςθσ που επικρατεί, τθν περίοδο 1989-2009, τουσ μινεσ Ιοφλιο και Αφγουςτο, ςτον ευρφτερο Ευρωπαϊκό χώρο, δίνοντασ ζμφαςθ ςτθν περιοχι του Αιγαίου με ςκοπό να διερευνθκεί θ επίδραςθ των ετθςίων ςτο όηον τθσ ανατολικισ Μεςογείου. Για το ςκοπό αυτό χρθςιμοποιικθκαν δεδομζνα Reanalysis, ERA-Interim από το ευρωπαϊκό κζντρο μεςοπρόκεςμων προγνώςεων καιροφ (ECMWF). Με τθν χριςθ του λογιςμικοφ πακζτου GRADS τα δεδομζνα χαρτογραφικθκαν ςε μζςουσ επιφανειακοφσ χάρτεσ, ςε μζςουσ χάρτεσ ιςοβαρικών επιπζδων κακώσ και χάρτεσ των διαφορών ιςχυρών αςκενών ετθςίων ανζμων. Επιπροςκζτωσ ζγινε προςπάκεια προςδιοριςμοφ των δυνθτικών περιοχών προζλευςθσ των ςυγκεντρώςεων του τροποςφαιρικοφ όηοντοσ τθσ Ανατολικισ Μεςογείου. Καταςκευάςτθκαν χάρτεσ κατακόρυφθσ τομισ πίεςθσ γεωγραφικοφ μικουσ και πλάτουσ για τα πεδία του όηοντοσ του δυνθτικοφ ςτροβιλιςμοφ και τθσ ειδικισ υγραςίασ, ενώ μελετικθκε εισ βάκοσ θ περιοχι τθσ τροπόπαυςθσ με ςκοπό να εντοπιςτεί πικανι ανταλλαγι αεριών μαηών μεταξφ ςτρατόςφαιρασ και τροπόςφαιρασ (STE). Για τθν ίδια χρονικι περίοδο, 1989-2009, ζγινε ςφγκριςθ των ςυγκεντρώςεων του όηοντοσ, ανά ιςοβαρικό επίπεδο, μεταξφ κεντρικισ Ευρώπθσ και Ανατολικισ Μεςογείου. Σζλοσ τα αποτελζςματα για τισ ςυγκεντρώςεισ του όηοντοσ ςυγκρίκθκαν με παρόμοιεσ μελζτεσ που χρθςιμοποιοφν διαφορετικι βάςθ δεδομζνων (RegCM3/CAMx, ERA-40 reanalisys) κακώσ και με δεδομζνα του Ευρωπαϊκοφ προγράμματοσ τθλεπιςκόπιςθσ και αξιολόγθςθσ, για τουσ επίγειουσ ςτακμοφσ τθσ Μάλτασ και τθσ Φινοκαλιάσ
ABSTRACT Purpose of the thesis was the study of the mean synoptic and dynamic conditions, prevailing in the period of July and August, 1989-2009, in the wider European area, emphasizing on the Aegean region, in order to investigate the effect of etesian winds on the tropospheric O 3 of the Eastern Mediterranean region. For this purpose, data Reanalysis ERA-Interim, of the European Centre for Medium Weather forecasts (ECMWF), were used. By using the software package GRADS data was mapped on average surface maps, average isobaric level maps and maps for the differences between strong and weak etesian winds. Moreover, vertical cross section maps of meteorological fields were constructed and the potential origin areas of the O 3 concentrations in the Eastern Mediterranean region were investigated. In addition, the tropopause region was studied in depth, in order to identify possible exchange of air masses between the stratosphere and troposphere region (STE). For the same period 1989-2009, ozone concentrations of different isobaric levels between Central Europe and Eastern Mediterranean were compared studied. Finally the results of the ozone concentrations, were compared, with data from the European Monitoring and Evaluation Programme (EMEP), for the ground stations in Malta and Finokalia and also, were compared with results of similar studies using different databases (RegCM3/CAMx, ERA-40 reanalysis).
ΡΕΙΕΧΟΜΕΝΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ... 3 1.1 Ετθςίεσ... 3 1.2 Πηον... 5 1.2.1 Στρατοςφαιρικό όηον... 7 1.2.2 Τροποςφαιρικό όηον... 9 1.2.3 Θμεριςια και εποχικι πορεία ςυγκεντρϊςεων όηοντοσ... 13 1.2.4 Διανταλλαγι Τροπόςφαιρασ-Στρατόςφαιρασ... 15 1.2.5 Δυνθτικόσ ςτροβιλιςμόσ-πηον... 18 1.3 Πηον ανατολικισ Μεςογείου... 19 1.4 Ατμοςφαιρικό μοντζλο... 29 1.4.1 Μοντζλο του όηοντοσ... 31 1.4.2 Ραρατθριςεισ του όηοντοσ... 32 1.4.3 Ανάλυςθ του όηοντοσ... 34 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2. ΔΕΔΟΜΕΝΑ ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ... 37 2.1 Δεδομζνα... 37 2.2 Μεκοδολογία... 38 2.3 Ρεριοχι μελζτθσ... 40 2.4 Στακμόσ τθσ Φινοκαλιάσ... 41 2.5 Στακμόσ τθσ Μάλτασ... 44 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3. ΑΡΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ... 46 3.1 Ρεδίο ανζμου... 46 3.2 Ρίεςθ ςτθν μζςθ ςτάκμθ τθσ κάλαςςασ... 53 3.3 Βροχόπτωςθ... 54 3.4 Κατερχόμενθ επιφανειακι θλιακι ακτινοβολία... 55 3.5 Κερμοκραςία ςτα 2 m... 57 3.6 Ειδικι υγραςία-γεωδυναμικό φψοσ... 59 3.7 Υποτροπικόσ αεροχείμαρροσ... 65 3.8 Φψοσ οριακοφ ςτρϊματοσ-συντελεςτισ αεριςμοφ... 67-1 -
3.9 Δυνθτικόσ ςτροβιλιςμόσ... 71 3.10 Πηον... 75 3.11 Ανάλυςθ παραμζτρων ςε χάρτεσ κατακόρυφθσ τομισ... 88 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4. ΣΥΜΡΕΑΣΜΑΤΑ... 95 ΒΙΒΛΙΟΓΑΦΙΑ... 100-2 -
1 ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ - ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.1 Ετθςίεσ Ζνα από τα ςθμαντικότερα μετεωρολογικά φαινόμενα, που εμφανίηονται ςτο Αιγαίο πζλαγοσ, είναι οι ετθςίεσ. Οι ετθςίεσ ι αλλιϊσ μελτζμια είναι εποχικοί, βόρειοι άνεμοι, τθσ κατϊτερθσ ατμόςφαιρασ που δρουν ςτο Αιγαίο κατά τθ διάρκεια του καλοκαιριοφ και τισ αρχζσ του φκινοπϊρου (Poupkou et al 2011). Ζχουν κυρίωσ διεφκυνςθ βορειοανατολικι ςτο βόρειο Αιγαίο, βόρεια ςτο κεντρικό και νότιο Αιγαίο, και τείνουν να γίνουν βορειοδυτικοί κοντά ςτισ νοτιοδυτικζσ ακτζσ τθσ Τουρκίασ (kotroni et al. 2001). Ραρουςία ετθςίων ο καιρόσ χαρακτθρίηεται ςτακερόσ, με ανζφελο ουρανό, χαμθλι ςχετικι υγραςία, και απουςία βροχισ. Οι ετθςίεσ ωσ προσ τθν ζνταςθ τθσ ταχφτθτασ τουσ άλλοτε χαρακτθρίηονται ωσ αςκενείσ, μζτριοι και άλλοτε ωσ ιςχυροί άνεμοι. Συχνά τοπικά φτάνουν τθν ιςχφ κυελλωδϊν ανζμων. Οι ετθςίεσ είναι μετεωρολογικό φαινόμενο που μελετάται από αρχαιοτάτων χρόνων. Οι αρχαίοι Ζλλθνεσ, ςαν ναυτικόσ λαόσ, μελζτθςαν τουσ ανζμουσ περιςςότερο από οποιοδιποτε άλλο μετεωρολογικό ςτοιχείο ι φαινόμενο. Κατζταξαν τουσ ανζμουσ ςε γενικοφσ και τοπικοφσ, μελζτθςαν τθν καλάςςια και απόγειο αφρα, τθν αφρα του βουνοφ και τθσ κοιλάδασ κακϊσ και τουσ ετθςίεσ. Ζτςι προςζφεραν πλθκϊρα γνϊςεων για το ςτοιχείο του ανζμου, ϊςτε οι ςθμερινοί μελετθτζσ να χρθςιμοποιοφν επωφελϊσ τα ςυμπεράςματα και τισ παρατθριςεισ τουσ. Χαρακτθριςτικά αποτελοφν τα ςυγγραφικά ζργα του Κζοντοσ, του Αριςτοτζλθ και του Κεόφραςτου που μασ δίνουν ςθμαντικζσ πλθροφορίεσ για τθν διεφκυνςθ, τθν ζνταςθ και τθν χρονικι περίοδο ζναρξθσ και λιξθσ των ανζμων (Αρςζνθ 1984). Οι ετθςίεσ προκφπτουν από το ςυνδυαςμό ενόσ χαμθλοφ βαρομετρικοφ ςυςτιματοσ, του χαμθλοφ του Ρακιςτάν, που εκτείνεται από τθν Τουρκία μζχρι τθ βορειοδυτικι Λνδία και ενόσ ςυςτιματοσ υψθλϊν - 3 -
πιζςεων που τοποκετείται ςτθν κεντρικι Ευρϊπθ (Μεταξάσ και Μπαρτηϊκασ 1994),(ςχιμα 1.1). Θ διεφκυνςθ των ετθςίων οφείλεται ςτθ λεκάνθ του Αιγαίου, όπου περιορίηεται ςε ζναν Βορρά-Νότου προςανατολιςμό, περιβαλλόμενθ από τα ψθλά βουνά τθσ θπειρωτικισ Ελλάδασ, τα νότια Βαλκάνια, και τισ ανατολικζσ ακτζσ τθσ Τουρκίασ. Θ διαδικαςία ζναρξθσ των ετθςίων ζχει ωσ εξισ: Αρχικά πάνω από τθν επιφάνεια των Βαλκάνιων διζρχεται ζνα ψυχρό μζτωπο με φφεςθ ι χωρίσ, ενϊ πίςω του αναπτφςςεται αντικυκλϊνασ. Σχεδόν ταυτόχρονα κακ φψοσ ζχουμε ζναν αυλϊνα ο οποίοσ προκαλεί ψυχρι ειςβολι πάνω από τθν Ανατολικι Μεςόγειο, που ενιςχφει τισ χαμθλζσ πιζςεισ του Ρακιςτάν. Ζπειτα με τθν μορφι μιασ ςκάφθσ οι χαμθλζσ πιζςεισ αρχίηουν να προεκτείνονται προσ τα δυτικά. Πταν ο αντικυκλϊνασ κινοφμενοσ αργά ανατολικά νοτιοανατολικά ςυνδυαςτεί με τισ χαμθλζσ πιζςεισ που υπάρχουν ςτθν νοτιοανατολικι Μεςόγειο ζχουμε ςαν αποτζλεςμα τθν ζναρξθ πνοισ των ετθςίων (Αρςζνθ 1984). Σχήμα 1.1: τον χάρτθ φαίνεται ο μθχανιςμόσ δθμιουργίασ των ετθςίων ανζμων. - 4 -
Οι αζριεσ μάηεσ προζρχονται από τθν περιοχι τθσ νότιασ ωςίασ και τθσ Καςπίασ Κάλαςςασ και είναι ξθρζσ και ςχετικά δροςερζσ, ςυμβάλλοντασ ζτςι ςτθ μείωςθ τθσ επιφανειακισ κερμοκραςίασ και μετριάηοντασ τθν δυςφορία τθσ καλοκαιρινισ ηζςτθσ (Met office 1962). Επίςθσ μποροφν να ενεργιςουν κετικά ςτθν διαςπορά των ρφπων και να κακαρίςουν τθν ατμόςφαιρα τθσ Ακινασ, θ οποία χαρακτθρίηεται από υψθλι ρφπανςθ, όταν επικρατοφν ςυςτιματα καλάςςιασ αφρασ (με μια ιςχυρι αναςτροφι) (Poupkou et al 2011). Σε περιφερειακό επίπεδο, όταν επικρατοφν ιςχυροί ετθςίεσ ςτθν ανατολικι Μεςόγειο, τότε αυτι χαρακτθρίηεται από πολφ χαμθλζσ τιμζσ αερολυμάτων (Zerefos et al 2001). Από τθν άλλθ όμωσ πλευρά μποροφν να δθμιουργιςουν και προβλιματα, που ςυνδζονται με τισ καλάςςιεσ μεταφορζσ ςτο εςωτερικό του Αιγαίου κατά τθ διάρκεια τθσ υψθλισ τουριςτικισ περιόδου (Koletsis et al 2009) ι να ςυμβάλουν ςτθν ταχεία εξάπλωςθ των δαςικϊν πυρκαγιϊν. 1.2 Πηον Το όηον (O 3 ) είναι ζνα αζριο ςτοιχείο τθσ γιινθσ ατμόςφαιρασ, ιςχυρά οξειδωτικό, τοξικό με χαρακτθριςτικι οςμι και κυανό χρϊμα το οποίο ςυναντάται κυρίωσ ςτθ ςτρατόςφαιρα (90%) και ςε μικρότερα ποςοςτά ςτθν τροπόςφαιρα (10%). Θ κατακόρυφθ κατανομι του όηοντοσ (ςχιμα 1.2) παρουςιάηει μζγιςτο μεταξφ 20-30km το οποίο ονομάηεται ςτρατοςφαιρικό ςτρϊμα όηοντοσ (Μακρογιάννθσ και Σαχςαμάνογλου, 2004) με τιμι εξαρτϊμενθ από το γεωγραφικό πλάτοσ και τθν εποχι του ζτουσ. Θ παρουςία του όηοντοσ ςτθν ατμόςφαιρα ζχει διπλι ςθμαςία. Το ςτρατοςφαιρικό όηον, το λεγόμενο «καλό» όηον δρα ωσ φίλτρο απορροφϊντασ πλιρωσ τθν υπεριϊδθ-γ ακτινοβολία (200-280 nm) και ςε μεγάλο βακμό τθν υπεριϊδθ-β ακτινοβολία (280-320 nm) που είναι επικίνδυνεσ για τθν ανκρϊπινθ υγεία (ςχιμα 1.3). Επίςθσ θ απορρόφθςθ τθσ υπεριϊδουσ ακτινοβολίασ από το όηον αποτελεί τθ μεγαλφτερθ πθγι - 5 -
κζρμανςθσ τθσ ςτρατόςφαιρασ, που οδθγεί ςε κετικι τιμι τθσ κερμοβακμίδασ τθσ και επομζνωσ ςτθ δυναμικι τθσ ευςτάκεια. Σχήμα 1.2: Κατακόρυφθ κατανομι του όηοντοσ ςτθν ατμόςφαιρα. Πθγι: Ζάνθσ (2008) Σχήμα 1.3: Φάςμα τθσ θλιακισ ακτινοβολίασ ςτθν περιοχι του υπεριϊδουσ, που προςπίπτει ςτθν ατμόςφαιρα και εκείνου που προςπίπτει ςτο ζδαφοσ μετά τθν απορρόφθςθ τμθμάτων τθσ ακτινοβολίασ από το οξυγόνο και το όηον. Πθγι http://www.chem.uoa.gr/chemicals/chem_ozone.htm. - 6 -
Το τροποςφαιρικό όηον, γνωςτό και ωσ «κακό» όηον, ςτα χαμθλά ςτρϊματα τθσ ατμόςφαιρασ ςυνδζεται με επειςόδια φωτοχθμικοφ νζφουσ ςτα αςτικά κζντρα και ςτισ γφρω περιοχζσ και μπορεί να ζχει δυςμενείσ ςυνζπειεσ ςτθν υγεία του ανκρϊπου και ςτα οικοςυςτιματα. Επίςθσ δρα επικουρικά ςτο φαινόμενο του κερμοκθπίου αφοφ απορροφά τθ γιινθ υπζρυκρθ ακτινοβολία. Ωςτόςο το όηον παίηει πολφ ςπουδαίο ρόλο ςτθ χθμεία τθσ τροπόςφαιρασ κακϊσ αποτελεί τθ βαςικι πθγι του πιο ςθμαντικοφ οξειδωτικοφ μζςου ςτθν περιοχι, τθσ ρίηασ του υδροξυλίου ΟΘ. Θ ςθμαςία των ριηϊν ΟΘ - ςτθν τροποςφαιρικι χθμεία είναι μεγάλθ, αφοφ θ οξείδωςθ πολλϊν οργανικϊν και ανόργανων ενϊςεων, που εκπζμπονται από φυςικζσ θ ανκρωπογενείσ πθγζσ, ςτθν ατμόςφαιρα γίνεται κυρίωσ μζςω αυτϊν των ριηϊν. 1.2.1 Στρατοςφαιρικό όηον. Το ςτρατοςφαιρικό όηον ςχθματίηεται με φυςικό τρόπο από τθ χθμικι αντίδραςθ τθσ υπεριϊδουσ θλιακισ ακτινοβολίασ με τα μόρια του οξυγόνου, που αποτελοφν το 21% τθσ ατμόςφαιρασ. Στο πρϊτο ςτάδιο, θ θλιακι ακτινοβολία ςπάει ζνα μόριο οξυγόνου (Ο 2 ) ςε δφο άτομα οξυγόνου (Ο) μζςω τθσ αντίδραςθσ: Ο 2 + θλιακι ακτινοβολία (λ<242 nm) Ο + Ο (1) Ακολοφκωσ, τα άτομα του οξυγόνου επαναςυνδζονται με μόρια οξυγόνου και παράγουν μόρια όηοντοσ μζςω τθσ εξϊκερμθσ αντίδραςθσ: Ο + Ο 2 + Μ (Μ=Ν 2 ι Ο 2 ) Ο 3 + Μ + ΔQ (2) Πταν ζνα μόριο όηοντοσ (Ο 3 ) απορροφά υπεριϊδθ ακτινοβολία μικρότερθ από 315 nm χωρίηεται ςε ζνα μόριο οξυγόνου (Ο 2 ) και ςε ζνα άτομο οξυγόνου (Ο) ςφμφωνα με τθν αντίδραςθ Ο 3 + θλιακι ακτινοβολία (λ<315 nm) Ο + Ο 2 (3) Συνικωσ το άτομο οξυγόνου (Ο) που παράγεται είναι ςε διεγερμζνθ μορφι και ενϊνεται αμζςωσ με ζνα μόριο οξυγόνου (Ο 2 ) ςχθματίηοντασ ξανά - 7 -
ζνα μόριο όηοντοσ (Ο 3 ) ακολουκϊντασ τθν αντίδραςθ (2). Ο κφκλοσ όηοντοσ οξυγόνου που ανακαλφφκθκε από τον Sydney Chapman το 1930 κλείνει με τθν αντίδραςθ: Ο + Ο 3 2Ο 2 (4) θ οποία όμωσ είναι πολφ αργι για να καταςτρζψει το όηον. Οι αντιδράςεισ αυτζσ πραγματοποιοφνται ςυνεχϊσ οπουδιποτε θ υπεριϊδθσ ακτινοβολία του ιλιου είναι παροφςα ςτθ ςτρατόςφαιρα. Ζτςι, θ μεγαλφτερθ παραγωγι όηοντοσ εμφανίηεται ςτθ ςτρατόςφαιρα των τροπικϊν περιοχϊν. Στθ ςτρατόςφαιρα ωςτόςο παρατθρείται χθμικι ιςορροπία μεταξφ των μορίων του όηοντοσ που παράγονται και αυτϊν που καταςτρζφονται δια μζςου των χθμικϊν αντιδράςεων. Το όηον αντιδρά ςυνεχϊσ με μια μεγάλθ ποικιλία φυςικϊν και ανκρωπογενϊν χθμικϊν ουςιϊν. Σε κάκε αντίδραςθ, καταςτρζφεται ζνα μόριο του όηοντοσ και παράγονται άλλεσ χθμικζσ ενϊςεισ. Σθμαντικά αντιδραςτικά αζρια που καταςτρζφουν το όηον είναι αυτά που περιζχουν χλϊριο και βρϊμιο. Ο μθχανιςμόσ καταςτροφισ του όηοντοσ ζχει ωσ εξισ: Χ + Ο 3 ΧΟ + Ο 2 (5.1) ΧΟ+Ο Χ + Ο 2 (5.2) Ο + Ο 3 2Ο 2 (5.3) όπου Χ μπορεί να είναι Θ, ΘΟ, ΝΟ, Cl. Από τα μζςα τθσ δεκαετίασ του 70 οι επιςτιμονεσ είχαν ενδείξεισ ότι θ χθμικι ιςορροπία ζχει αρχίςει να διαταράςςεται εξαιτίασ τθσ ανκρϊπινθσ δραςτθριότθτασ. Θ μείωςθ του ςτρατοςφαιρικοφ όηοντοσ (γνωςτι και ςαν τρφπα του όηοντοσ ) οφείλεται ςτθν ανκρωπογενι παραγωγι ρφπων όπωσ είναι οι χλωροφκοριομζνοι υδρογονάνκρακεσ (CFCs), τα halons, ο τετραχλωριοφχοσ άνκρακασ, το μεκυλικό χλωροφόρμιο (ενϊςεισ που χρθςιμοποιοφνται ςτθ χθμικι βιομθχανία και ςτα κλιματιςτικά μθχανιματα). Οι παραπάνω ενϊςεισ, οι οποίεσ είναι ιδιαίτερα ςτακερζσ και ζχουν μεγάλο χρόνο ηωισ, διαμζςου δυναμικϊν διαδικαςιϊν ανάμιξθσ τθσ ατμόςφαιρασ ςυςςωρεφονται ςτθ ςτρατόςφαιρα. Εκεί φωτοδιαςπϊνται από τθν υπεριϊδθ - 8 -
UV ακτινοβολία ελευκερϊνοντασ άτομα χλωρίου, φκορίου. Στθ ςυνζχεια και ζπειτα από ζναν κφκλο χθμικϊν αντιδράςεων, χλωριοφχεσ, βρωμιοφχεσ και φκοριοφχεσ ενϊςεισ, ςε ςυνκικεσ πολφ χαμθλϊν κερμοκραςιϊν (<-80 ο C) και με τθν παρουςία πολικϊν ςτρατοςφαιρικϊν νεφϊν (Polar Stratospheric Clouds: PSCs), οδθγοφν ςτθν απότομθ καταλυτικι καταςτροφι του όηοντοσ, (Ηάνθσ, 2008). 1.2.2 Τροποςφαιρικό όηον Το τροποςφαιρικό όηον αποτελεί μικρό ποςοςτό του ολικοφ όηοντοσ ςτθν ατμόςφαιρα (10%). Ραράγεται δευτερογενϊσ ςτθν ατμόςφαιρα κατά τισ φωτοχθμικζσ αντιδράςεισ μεταξφ του οξυγόνου, πτθτικϊν οργανικϊν ενϊςεων (VOCS) και οξειδίων του αηϊτου (ΝΟ Χ ). Επομζνωσ οι τιμζσ του όηοντοσ εξαρτϊνται από τθ φωτοχθμικι ςυμπεριφορά ανκρωπογενϊν ρφπων ΝΟ Χ /VOCS με αποτζλεςμα να είναι μεγαλφτερεσ ςτο βόρειο θμιςφαίριο. Επίςθσ ζνα ποςοςτό του όηοντοσ ειςζρχεται από τθ ςτρατόςφαιρα με μζγιςτθ ροι ςτο βόρειο θμιςφαίριο κατά τθν περίοδο τθσ άνοιξθσ. Σε μεγαλφτερα τροποςφαιρικά φψθ οι ςυγκεντρϊςεισ του αυξάνονται με το φψοσ, λόγω των ειςροϊν όηοντοσ από τθ ςτρατόςφαιρα και λόγω τθσ αυξθμζνθσ φωτολυτικισ ικανότθτασ τθσ ατμόςφαιρασ. Το τροποςφαιρικό όηον, όπωσ προαναφζρκθκε, δρα επικουρικά ςτο φαινόμενο του κερμοκθπίου ςυμβάλλοντασ ςτθν αφξθςθ τθσ κερμοκραςίασ τθσ γθσ. Θ αφξθςθ του τροποςφαιρικοφ όηοντοσ, εξαιτίασ τθσ ανκρϊπινθσ δραςτθριότθτασ, ζχει ωσ αποτζλεςμα τθν περεταίρω απορρόφθςθ τθσ εξερχόμενθσ γιινθσ (υπζρυκρθσ) ακτινοβολίασ, ςυμβάλλοντασ ςτθ ςταδιακι κζρμανςθ του πλανιτθ. Εάν διαταραχκεί θ ςυγκζντρωςθ ενόσ κερμοκθπικοφ αερίου ςτθν ατμόςφαιρα, εμφανίηεται μία επαγόμενθ μεταβολι, (ςε μονάδεσ W m -2 ) ςτο ιςοηφγιο τθσ ακτινοβολίασ ςτθν τροπόπαυςθ, που τθν ονομάηουμε Radiative Forcing. Το ςχιμα 1.4 απεικονίηει τθ ςυμβολι του τροποςφαιρικοφ όηοντοσ, κακϊσ και των υπόλοιπων κερμοκθπικϊν αερίων - 9 -
ςτθν παγκόςμια κζρμανςθ και εκτιμάται περίπου ςε 0.35 W m -2 (radiative forcing). Σχήμα 1.4: Μζςθ εξαναγκαςμζνθ μεταβολι τθσ ζνταςθσ τθσ ακτινοβολίασ για διάφορεσ ενϊςεισ και μθχανιςμοφσ (IPCC 2007). Φωτοχθμικόσ μθχανιςμόσ παραγωγισ Πηοντοσ Θ ζναρξθ των φωτοχθμικϊν αντιδράςεων ςτθν ατμόςφαιρα οφείλεται ςτθν φπαρξθ δραςτικϊν ριηϊν με κυριότερεσ τισ ρίηεσ ΟΘ - και ΘΟ - 2. Οι ρίηεσ ΟΘ - χαρακτθρίηονται από υψθλζσ ςυγκεντρϊςεισ ςτθν ατμόςφαιρα ( 10 6 μόρια/cm -3 κατά τθν διάρκεια τθσ θμζρασ) και παράγονται κυρίωσ από τθ φωτόλυςθ του όηοντοσ και του νιτρϊδουσ οξζοσ. Ο 3 + hv O( 1 D) +O 2 (6) O ( 1 D) +H 2 O 2OH - (7) HONO + hv OH - +NO 2 (8) Από τισ παραπάνω αντιδράςεισ κυριότερθ είναι θ φωτόλυςθ του όηοντοσ. Θ ρίηα ΟΘ -, δεν αντιδρά με το οξυγόνο (Ο 2 ), και εφόςον αποτελεί ζνα - 10 -
από τα μεγαλφτερα οξειδωτικά ςυςτατικά τθσ ατμόςφαιρασ, οι ςυγκεντρϊςεισ του διατθροφνται ςε υψθλά επίπεδα και επιτρζπουν τθν αντίδραςθ του με άλλα ςυςτατικά τθσ ατμόςφαιρασ. Τα αζρια αυτά είναι ςτθν πλειοψθφία τουσ οργανικά ιχνοςτοιχεία (trace gases), κακϊσ θ ρίηα ΟΘ - δεν αντιδρά απευκείασ με τα κυριότερα ανόργανα αζρια (NO 2, CO 2, N 2, O 2 ι H 2 O). Συνεπϊσ το τροποςφαιρικό Ο 3 μζςω τθσ παραγωγισ OH - κακορίηει ζμμεςα τθν οξειδωτικι ικανότθτα τθσ τροπόςφαιρασ. Σφμφωνα με τθν κλαςικι φωτοχθμικι κεωρία ο μθχανιςμόσ παραγωγισ όηοντοσ ςτθν τροπόςφαιρα ςχετίηεται με τθ φωτόλυςθ του NO 2 NO 2 + hv NO + O ( 3 P) (9) Ο 2 + O ( 3 P) + Μ Ο 3 + Μ (10) Ο 3 + ΝΟ NO 2 + O 2 (11) όπου Μ είναι μια τρίτθ ουςία θ οποία αφαιρεί τθν ενζργεια από τθν αντίδραςθ και ςτακεροποιεί το Ο 3. Οι αντιδράςεισ αυτζσ ςτθν ατμόςφαιρα ςυνιςτοφν ζναν επαναλαμβανόμενο κφκλο, ζχοντασ μθδενικό αποτζλεςμα ςτο όηον, αφοφ ζνα μόριο όηοντοσ απαιτείται για να αναπαράγει το NO 2 από το ΝΟ (αντίδραςθ 11). Για να είναι εφικτι θ παραγωγι όηοντοσ κα πρζπει να υπάρξει ςτο παραπάνω ςφςτθμα αντιδράςεων μια αντίδραςθ θ οποία να οδθγεί ςε οξείδωςθ του ΝΟ, χωρίσ ταυτόχρονθ καταςτροφι όηοντοσ. Σε αυτό ςυνειςφζρουν οι υδρογονάνκρακεσ και ςυγκεκριμζνα θ παραγωγι NO 2 - μπορεί να γίνει μζςω τθσ αντίδραςθσ του ΝΟ με τισ υπεροξειδικζσ ρίηεσ ΘΟ 2 και RO - 2 ςφμφωνα με τισ παρακάτω αντιδράςεισ ΘΟ - 2 + ΝΟ OH - + NO 2 (12) RO - 2 + ΝΟ RO +NO 2 (13) Ζτςι λοιπόν τα ςυςτατικά τθσ ατμόςφαιρασ που κακορίηουν τθν παραγωγι όηοντοσ ςτθν ατμόςφαιρα είναι τα οξείδια του αηϊτου (ΝΟ Χ ) και οι πτθτικοί υδρογονάνκρακεσ (VOC S ). Θ εμφάνιςθ του όηοντοσ ςτθν ατμόςφαιρα μιασ περιοχισ ςυνδζεται - 11 -
με τθν φπαρξθ ςε αυτιν, οξειδίων του αηϊτου και υδρογονανκράκων, κακϊσ το όηον ωσ δευτερογενισ ρφποσ δεν εκπζμπεται απευκείασ από πθγζσ. Οξείδια του Αηϊτου Οξείδια του αηϊτου ΝΟx ορίηονται γενικά οι ενϊςεισ αηϊτου με οξυγόνο ςε διάφορεσ αναλογίεσ. Οι κυριότερεσ και ςυνθκζςτερεσ ενϊςεισ από αυτζσ είναι το μονοξείδιο NO και το διοξείδιο του αηϊτου NO 2 τα οποία παίηουν κακοριςτικό ρόλο ςτον ζλεγχο του τροποςφαιρικοφ όηοντοσ. Το ΝΟ εκπζμπεται από φυςικζσ και ανκρωπογενείσ πθγζσ, ενϊ το μεγαλφτερο μζροσ του ΝΟ 2 ςχθματίηεται δευτερογενϊσ κατά τθν αντίδραςθ του ΝΟ με το Ο 3. Οι κφριεσ πθγζσ ζκλυςθσ οξειδίων του αηϊτου είναι τα αυτοκίνθτα, οι ςτακμοί παραγωγισ θλεκτρικισ ενζργειασ και γενικότερα οι βιομθχανίεσ. Συχνά τα παράγωγα των ΝΟ Χ ομαδοποιοφνται ωσ ΝΟy ΝΟy= ΘΝΟ 3 +HONO + ΝΟ 3 + Ν 2 Ο 5 + ΘΝΟ 4 +PAN +RONO 2 +ROONO 2 Θ ομαδοποίθςθ αυτι δίνει τθν δυνατότθτα εξζταςθσ τθσ ςυνολικισ επίδραςθσ των δραςτικϊν ενϊςεων αηϊτου ςτθν τροποςφαιρικι χθμεία. Ρτθτικοί και βιογενείσ Θ/C Στθν κατθγορία των πτθτικϊν υδρογονανκράκων εντάςςεται το ςφνολο των Θ/C που υπάρχουν ςτθν ατμόςφαιρα. Θ προζλευςθ τουσ είναι κυρίωσ ανκρωπογενισ (κίνθςθ τροχοφόρων, κίνθςθ διαλυτϊν κ.α.). Οι βιογενείσ Θ/C (BVOCS) είναι αλκζνια και κυκλοαλκζνια τα οποία εκπζμπονται από τθ βλάςτθςθ. Ο ρυκμόσ εκπομπισ τουσ ςυνικωσ εξαρτάται από το είδοσ του φυτοφ. Λόγω του διπλοφ δεςμοφ τουσ αντιδροφν κατά τθν διάρκεια τθσ θμζρασ με ρίηεσ ΟΘ -, Ο 3 και κατά τθν διάρκεια τθσ νφχτασ με ΝΟ - 3. Σθμαντικότεροι BVOCS είναι το ιςοπρζνιο και τα τερπζνια. Ευαιςκθςία παραγωγισ O 3 ςε ςχζςθ με NOx και VOC Θ ευαιςκθςία τθσ παραγωγισ όηοντοσ ςε ςχζςθ με τα οξείδια του αηϊτου (NO x ) και τισ πτθτικζσ οργανικζσ ενϊςεισ (VOCs) τόςο ςτισ αςτικζσ όςο - 12 -
και ςτισ αγροτικζσ περιοχζσ εξαρτάται από τθν αναλογία VOCs/NOx. Συγκεκριμζνα ςτθν ατμόςφαιρα των ρυπαςμζνων αςτικϊν περιοχϊν ο λόγοσ των ςυγκεντρϊςεων VOCs/NO x είναι πολφ χαμθλόσ και ο ρυκμόσ παραγωγισ όηοντοσ αυξάνεται, αυξανόμενθσ τθσ ςυγκζντρωςθσ των VOCs αλλά μζνει αμετάβλθτοσ ι μειϊνεται αυξανόμενθσ τθσ ςυγκζντρωςθσ των NOx (Sillman et al., 1990). Στισ αγροτικζσ περιοχζσ, τισ οποίεσ μποροφμε να χαρακτθρίςουμε ωσ θμι-ρυπαςμζνεσ ςε ςχζςθ με τισ αςτικζσ περιοχζσ, ο λόγοσ των ςυγκεντρϊςεων VOCs/NOx είναι πολφ υψθλόσ και ο κακαρόσ ρυκμόσ παραγωγισ όηοντοσ εξαρτάται μόνο από τα NOx ενϊ πολφ μικρι ευαιςκθςία δείχνει ςτισ αλλαγζσ των ςυγκεντρϊςεων των VOCs. 1.2.3 Ημεριςια και εποχιακι πορεία των ςυγκεντρϊςεων του Πηοντοσ Το όηον παρουςιάηει θμεριςια και εποχικι πορεία, με μζγιςτο τθν άνοιξθ. Στθν Ελλάδα το μζγιςτο εμφανίηεται τθ κερινι περίοδο του ζτουσ λόγω αυξθμζνθσ φωτοχθμικισ δραςτθριότθτασ. Θ θμεριςια διακφμανςθ του όηοντοσ εξαρτάται από τα γεωγραφικά χαρακτθριςτικά τθσ περιοχισ κακϊσ και από τθν παρουςία οξειδίων του αηϊτου (ΝΟx). Ζτςι τισ περιςςότερεσ φορζσ παρουςιάηεται ζνα ελάχιςτο τισ πρϊτεσ πρωινζσ ϊρεσ και ζνα μζγιςτο νωρίσ το απόγευμα. Θ ςυμπεριφορά αυτι ςχετίηεται με τισ μεταβολζσ του φψουσ αναμείξεωσ και τον εγκλωβιςμό υψθλϊν ςυγκεντρϊςεων ΝΟ κατά τθν διάρκεια τθσ νφχτασ. Αυτό ζχει ωσ αποτζλεςμα να λαμβάνει χϊρα θ αντίδραςθ: ΝΟ + Ο 3 NO 2 + O 2 θ οποία οδθγεί ςε ελαχιςτοποίθςθ ςυγκεντρϊςεων τισ πρϊτεσ πρωινζσ ϊρεσ. Οι μειωμζνεσ τιμζσ όηοντοσ οφείλονται επίςθσ ςε ξθρι εναπόκεςθ θ οποία δεν αντιςτακμίηεται από παραγωγι κατά τθ διάρκεια τθσ νφχτασ. Θ ξθρι εναπόκεςθ του όηοντοσ είναι αρκετά μεγάλθ πάνω από τθ ςτεριά (~0,4 cm/s, Seinfeld and Pandis, 1998) ενϊ είναι αμελθτζα πάνω από τθν κάλαςςα (0,05 cm/s, Seinfeld and Pandis, 1998). Λόγω του νυκτερινοφ ςτρϊματοσ - 13 -
αναςτροφισ (μπορεί να περιοριςτεί μζχρι και τα 100 με 150 μζτρα από το ζδαφοσ) θ εναπόκεςθ του όηοντοσ τισ βραδινζσ ϊρεσ πάνω από τουσ θπειρωτικοφσ ςτακμοφσ, ζχει ωσ άμεςο αποτζλεςμα τθ μείωςθ των ςυγκεντρϊςεων του. Στισ πρϊτεσ πρωινζσ ϊρεσ το νυκτερινό ςτρϊμα ανάμιξθσ καταςτρζφεται με αποτζλεςμα να γίνεται ειςροι όηοντοσ από τθν ελεφκερθ τροπόςφαιρα. Το νζο ςτρϊμα ανάμιξθσ που δθμιουργείται, κατά τθ διάρκεια τθσ θμζρασ ζχει φψοσ 1000 με 1500 μζτρα. Ζτςι οι ςυνζπειεσ τθσ εναπόκεςθσ του όηοντοσ δεν είναι εμφανείσ τθν θμζρα. Θ μζγιςτθ τιμι κατά τισ απογευματινζσ ϊρεσ ςχετίηεται με φωτοχθμικι παραγωγι όηοντοσ και μεταφορά του από άλλεσ περιοχζσ. Θ δευτερογενισ παραγωγι του και θ μεταφορά του από τον άνεμο ζχουν ωσ ςυνζπεια υψθλότερεσ τιμζσ να εμφανίηονται ςε περιαςτικζσ περιοχζσ, ςε ςχζςθ με τον πυρινα των αςτικϊν περιοχϊν. Τυπικζσ τιμζσ υποβάκρου Ο 3 κυμαίνονται μεταξφ 20-40 ppb. Στθν Ελλάδα και ειδικότερα ςτθν περιοχι του Αιγαίου οι ςυγκεντρϊςεισ τροποςφαιρικοφ όηοντοσ είναι ιδιαίτερα υψθλζσ. Σθμαντικό ρόλο ςτα ατμοςφαιρικά επίπεδα όηοντοσ διαδραματίηει επίςθσ θ μεταφορά του από τον άνεμο, κακϊσ ςε περιβάλλοντα μακριά από τα αςτικά κζντρα, όπου οι φωτοχθμικζσ διεργαςίεσ δεν είναι ιδιαίτερα αυξθμζνεσ, το όηον είναι δυνατόν να παραμείνει ζωσ και 5-6 θμζρεσ ςτθν ατμόςφαιρα. Ο υψθλόσ αυτόσ χρόνοσ παραμονισ επιτρζπει τθ μεταφορά του ςε μεγάλεσ αποςτάςεισ (διαςυνοριακι μεταφορά). Θ εξάρτθςθ από το τοπικό πεδίο ανζμου, ζχει ωσ αποτζλεςμα, θ χωρικι κατανομι του όηοντοσ να διαφοροποιείται κατά τρόπο ανεξάρτθτο από θμζρα ςε θμζρα. Σε εποχικι κλίμακα, ςτθν περιοχι μασ, οι μζγιςτεσ τιμζσ του όηοντοσ παρατθροφνται τθ κερινι περίοδο. Το γεγονόσ αυτό ςχετίηεται με τθν αυξθμζνθ ζνταςθ και διάρκεια τθσ θλιακισ ακτινοβολίασ και τισ υψθλζσ τιμζσ κερμοκραςίασ οι οποίεσ ευνοοφν τισ εκπομπζσ ΒVOCS και VOCS, κακϊσ και τθ μειωμζνθ παραγωγι PAN θ οποία ςυνεπάγεται αυξθμζνεσ ςυγκεντρϊςεισ ΝΟx και ριηϊν. Επίςθσ θ φπαρξθ ςτάςιμων μετεωρολογικϊν ςυνκθκϊν δεν ευνοεί τθν ανάμειξθ των αερίων μαηϊν, οδθγϊντασ ςε αυξθμζνεσ - 14 -
ςυγκεντρϊςεισ ρφπων. Ρολφ ςπουδαίο ρόλο παίηει και θ προζλευςθ των αερίων μαηϊν που βοθκοφν τθ φωτοχθμικι παραγωγι του όηοντοσ κατά τθ διάρκεια των κερινϊν μθνϊν. Συγκεκριμζνα ςε μελζτθ των Kouvarakis et al., (2002) που αφοροφςε το ςτακμό τθσ Φινοκαλιάσ τθν περίοδο 1990-1997, διαπιςτϊκθκε ότι κατά τθν ξθρι περίοδο (Μάιο ζωσ Σεπτζμβριο) οι αζριεσ μάηεσ είναι κυρίωσ Β/ΒΔ προζλευςθσ. Ειδικότερα, τουσ μινεσ Λοφλιο με Σεπτζμβριο οι αζριεσ μάηεσ ςε ποςοςτό 90% προζρχονται από τθν κεντρικι και ανατολικι Ευρϊπθ και τα Βαλκάνια ενϊ ζχουν υψθλζσ ταχφτθτεσ, ευνοϊντασ ζτςι τθ μεταφορά ρφπων από μεγάλθ απόςταςθ. Ταυτόχρονα μετατρζπονται φωτοχθμικά λόγω τθσ υψθλισ κερμοκραςίασ και υψθλισ θλιοφάνειασ. Αντίκετα τουσ υγροφσ μινεσ (Οκτϊβριο ζωσ Απρίλιο), οι βροχοπτϊςεισ προκαλοφν ξζπλυμα των προδρόμων ενϊςεων του Ο 3, ενϊ επικρατοφν χαμθλότερεσ κερμοκραςίεσ και λιγότερθ θλιοφάνεια. Οι αζριεσ μάηεσ δεν είναι αποκλειςτικά Β/ΒΔ προζλευςθσ αλλά ενιςχφονται αρκετά οι Ν/ΝΔ άνεμοι (κυρίωσ τουσ μινεσ Οκτϊβριο/Νοζμβριο και Μάρτιο/Απρίλιο) που προζρχονται από τθν Αφρικι και ζτςι το όηον είναι ςε χαμθλότερα επίπεδα. 1.2.4 Ανταλλαγι Στρατόςφαιρασ- Τροπόςφαιρασ Ζνα ςθμαντικό φαινόμενο που πρζπει να λαμβάνεται υπόψθ ςτθ μελζτθ του όηοντοσ είναι θ ανταλλαγι αζριασ μάηασ μεταξφ τροπόςφαιρασ και ςτρατόςφαιρασ κακϊσ μπορεί να επιφζρει ςθμαντικζσ αλλαγζσ ςτισ ςυγκεντρϊςεισ του όηοντοσ μεταξφ των δφο ατμοςφαιρικϊν ςτρωμάτων (Akritidis 2010) και γενικότερα να ζχει ςθμαντικζσ επιπτϊςεισ ςτο κλίμα και ςτισ ςυνκικεσ ηωισ ςτθν επιφάνεια τθσ γθσ (Wernli and Bourqui, 2002). Θ ανταλλαγι μπορεί να περιλαμβάνει μεταφορά τροποςφαιρικοφ αζρα εμπλουτιςμζνου με χθμικζσ ενϊςεισ (όπωσ Ο 3, CFCs από φυςικζσ και ανκρωπογενείσ πθγζσ) ςτθ ςτρατόςφαιρα, ο οποίοσ διαταράςςει τθ χθμεία τθσ ςτρατόςφαιρασ και μπορεί να οδθγιςει ςε μείωςθ του ςτρατοςφαιρικοφ όηοντοσ. Θ αντίκετθ πορεία δθλαδι θ ειςροι ςτρατοςφαιρικοφ αζρα - 15 -
πλοφςιου ςε όηον μζςα ςτθν τροπόςφαιρα διαταράςςει τθ χθμεία τθσ τροπόςφαιρασ, δθμιουργϊντασ επειςόδια ρφπανςθσ ςτο οριακό ςτρϊμα. Στθν διεκνι βιβλιογραφία ο όροσ STT (stratosphere-to-troposphere transport) αναφζρεται ςτθ μεταφορά από τθ ςτρατόςφαιρα ςτθν τροπόςφαιρα, ο όροσ TST (troposphere-to-stratosphere transport) χρθςιμοποιείται για τθ μεταφορά από τθν τροπόςφαιρα ςτθ ςτρατόςφαιρα, ενϊ STE (Stratospheretroposphere exchange) ονομάηεται θ γενικι εναλλαγι ςτρατόςφαιραστροπόςφαιρασ. Μια ςθμαντικι φυςικι πθγι του τροποςφαιρικοφ όηοντοσ είναι θ κατακόρυφθ μεταφορά ςτρατοςφαιρικοφ αζρα διαμζςου τθσ τροπόπαυςθσ. Θ διαδικαςία αυτι περιγράφεται ςτο ςχιμα 1.5. Συγκεκριμζνα ςτθν περιοχι των τροπικϊν εξαιτίασ τθσ ζντονθσ κζρμανςθσ τθσ επιφάνειασ, παρατθροφνται ανοδικζσ κινιςεισ οι οποίεσ φτάνουν μζχρι τα όρια τθσ ςτρατόςφαιρασ (1). Στθ ςυνζχεια οι αζριεσ μάηεσ μζςω μεςθμβρινισ κυκλοφορίασ ςτθ ςτρατόςφαιρα μεταφζρονται προσ τουσ πόλουσ (2), ενϊ κακοδικζσ κινιςεισ που λαμβάνουν χϊρα ςτα μεςαία και μεγάλα γεωγραφικά πλάτθ (3), μεταφζρουν ςθμαντικζσ ποςότθτεσ όηοντοσ ςτα κατϊτερα ςτρϊματα τθσ ςτρατόςφαιρασ και ςτθν τροπόςφαιρα. Θ διατομι των ρευμάτων αζρα, που απεικονίηεται ςτο ςχιμα 1.5 για το Βόρειο θμιςφαίριο, παρουςιάηεται ςτο ςχιμα 1.6 και για τα δφο θμιςφαίρια ωσ μζςοσ ετιςιοσ όροσ. Θ μζςθ ετιςια κατανομι του όηοντοσ υποδεικνφει ότι το όηον ςυςςωρεφεται κοντά ςτουσ πόλουσ. Θ μεταφορά των αερίων μαηϊν προτάκθκε για πρϊτθ φορά από τον Alan Brewer και ονομάηεται Brewer-Dobson κυκλοφορία. Θ ςτρατοςφαιρικι-τροποςφαιρικι ανταλλαγι ςχετίηεται με μεγάλθσ κλίμακασ μεςθμβρινι κυκλοφορία ςτθ ςτρατόςφαιρα και με μεταφορά και ανάμιξθ ςτρατοςφαιρικϊν αερίων μαηϊν ςτθν τροπόςφαιρα κατά μικοσ ιςεντροπικϊν καταρρεφςεων τθσ τροπόπαυςθσ κοντά ςτο πολικό μζτωπο και τον υποτροπικό αεροχείμαρρο. - 16 -
Σχήμα 1.5: Απεικόνιςθ τθσ ανταλλαγισ αζριασ μάηασ μεταξφ ςτρατόςφαιρασ και τροπόςφαιρασ. Πθγι: Elmar Uherek (International Max Planck Research school for Atmospheric Chemistry and Physics). Σχήμα 1.6: Μζςθ κατανομι του όηοντοσ ωσ ςυνάρτθςθ του φψουσ και του γεωγραφικοφ πλάτουσ. Η βαςικι ροι τθσ Brewer-Dobson κυκλοφορίασ πθγαίνει από τουσ τροπικοφσ προσ τουσ πόλουσ. Πθγι: International Max Planck Research school for Atmospheric Chemistry and Physics. - 17 -
Στα μζςα γεωγραφικά πλάτθ θ ανταλλαγι αερίων μαηϊν μεταξφ ςτρατόςφαιρασ και τροπόςφαιρασ κακορίηεται από ςυςτιματα όπωσ αντικυκλϊνεσ εμποδιςμοφ (Blocking Anticyclones), αποκομμζνα χαμθλά (Cutoff Low Pressure Systems) και αναδιπλϊςεισ τθσ τροπόπαυςθσ (Tropopause Folds) κοντά ςτον υποτροπικό αεροχείμαρρο (Keyser and Shapiro, 1986). 1.2.5 Δυνθτικόσ ςτροβιλιςμόσ (Potential Vorticity) - Πηον Ο δυνθτικόσ ςτροβιλιςμόσ, ςε ιςεντροπικζσ επιφάνειεσ, όπωσ ορίςτθκε από τον Ertel (1942), (Ρυκαροφλθσ 2008), δίνεται από τθ ςχζςθ: όπου g (ms -2 ) θ επιτάχυνςθ τθσ βαρφτθτασ, οποίοσ υπολογίηεται ςε ιςεντροπικι επιφάνεια, ο ςχετικόσ ςτροβιλιςμόσ, ο (s -1 ) θ παράμετροσ Coriolis, κ (K) θ δυνθτικι κερμοκραςία, P (Pa) θ πίεςθ, ενϊ ο τελευταίοσ όροσ αποτελεί ζνα μζτρο τθσ ευςτάκειασ τθσ ατμόςφαιρασ (ςε μια ευςτακι ατμόςφαιρα, θ δυνθτικι κερμοκραςία αυξάνει με το φψοσ). Ο όροσ αναφζρεται ςτον απόλυτο ςτροβιλιςμό που προκφπτει ωσ το άκροιςμα του ςχετικοφ και πλανθτικοφ ςτροβιλιςμοφ (Καρακϊςτασ 2005). Ο δυνθτικόσ ςτροβιλιςμόσ του Ertel είναι ζνα μζγεκοσ το οποίο κάτω από αδιαβατικζσ ςυνκικεσ και απουςία τριβϊν διατθρείται ςτακερό, πάνω ςε ιςεντροπικζσ επιφάνειεσ. Μζςα ςτθν τροπόςφαιρα, οι τιμζσ του δυνθτικοφ ςτροβιλιςμοφ είναι ςυνικωσ χαμθλζσ ενϊ παρουςιάηουν αφξθςθ από τθν τροπόςφαιρα προσ τθ ςτρατόςφαιρα, λόγω τθσ ςθμαντικισ μεταβολισ τθσ ςτατικισ ευςτάκειασ. Τυπικζσ μεταβολζσ του δυνθτικοφ ςτροβιλιςμοφ ςτθ περιοχι τθσ τροπόπαυςθσ είναι από 1 (τροποςφαιρικόσ αζρασ) ζωσ 4 (ςτρατοςφαιρικόσ αζρασ) PV μονάδεσ (PVU =10-6 m 2 s -1 K kg -1 ). Θ επιφάνεια των 2 PVU, θ οποία χωρίηει τον τροποςφαιρικό από τον ςτρατοςφαιρικό αζρα, χαρακτθρίηεται ωσ δυναμικι τροπόπαυςθ. - 18 -
Το όφελοσ από τθ χριςθ του PV είναι ότι θ τροπόπαυςθ μπορεί να μελετθκεί τόςο από κερμοδυναμικι όςο και από δυναμικι άποψθ. Μια αναδίπλωςθ τθσ δυναμικισ τροπόπαυςθσ μπορεί να χαρακτθριςτεί ωσ μια ανϊτερθ PV-ανωμαλία. Πταν ςυμβαίνει αυτό, ςτρατοςφαιρικόσ αζρασ ειςχωρεί ςτθν τροπόςφαιρα και ζχει ωσ αποτζλεςμα υψθλζσ τιμζσ PV ςε ςχζςθ με τον περιβάλλοντα χϊρο, δθμιουργϊντασ μια κετικι PV-ανωμαλία. Μία κετικι ανωμαλία δυνθτικοφ ςτροβιλιςμοφ προκαλεί: α) μείωςθ τθσ ςτατικισ ευςτάκειασ πάνω και κάτω από τθν ανωμαλία. β) αφξθςθ του ςτροβιλιςμοφ πάνω και κάτω από τθν ανωμαλία Επομζνωσ και ςτθν πραγματικι ατμόςφαιρα μια κετικι ανωμαλία PV, ςτθν ανϊτερθ ατμόςφαιρα, προκαλεί κυκλωνικι κυκλοφορία που θ ζνταςι τθσ μειϊνεται προσ το ζδαφοσ. Σε χαμθλότερα επίπεδα τθσ τροπόςφαιρασ, εμφανίηονται ςυχνά ζντονεσ βαροκλινικζσ ηϊνεσ που μπορεί να κεωρθκοφν ωσ PV ανωμαλία ςε χαμθλά επίπεδα. Ο Danielsen το 1968 ζδειξε ότι υπάρχει ιςχυρι ςυςχζτιςθ μεταξφ του δυνθτικοφ ςτροβιλιςμοφ και του όηοντοσ. Ο ίδιοσ χρθςιμοποίθςε αυτιν τθ ςυςχζτιςθ για να αποδείξει ειςβολζσ ςτρατοςφαιρικοφ αζρα ςτθν τροπόςφαιρα ςε περιοριςμζνεσ γεωγραφικζσ περιοχζσ. Σε μεταγενζςτερεσ μελζτεσ του ζδειξε ότι αυτι θ ςυςχζτιςθ μπορεί να λάβει χϊρα ςε εκτεταμζνεσ γεωγραφικζσ περιοχζσ και για μεγάλεσ χρονικζσ περιόδουσ μελζτθσ του ίδιου θμιςφαιρίου. Θ μελζτθ του δυνθτικοφ ςτροβιλιςμοφ αποτελεί ςθμαντικό εργαλείο για τθ μελζτθ των αναδιπλϊςεων τθσ τροπόπαυςθσ, τθσ φφςθσ των ςτρατοςφαιρικϊν ειςβολϊν (Danielsen, 1968, Danielsen et al.,1970) κακϊσ επίςθσ τον προςδιοριςμό ςτρατοςφαιρικϊν αερίων μαηϊν ςτθν τροπόςφαιρα (Hoskins et al., 1985). 1.3 Πηον Ανατολικισ Μεςογείου Θ Μεςόγειοσ είναι μια περιοχι υψθλισ φωτοχθμικισ δραςτθριότθτασ και αποτελεί ζνα ςταυροδρόμι ςυνάντθςθσ αερίων μαηϊν από διαφορετικζσ περιοχζσ προζλευςθσ (Lelieveld et al.,2002). Οι μετεωρολογικζσ ςυνκικεσ - 19 -
ςτθν ανατολικι Μεςόγειο το καλοκαίρι χαρακτθρίηονται από τθν προσ ανατολάσ επζκταςθ του αντικυκλϊνα των Αηόρων και τθ δυτικι επζκταςθ του χαμθλοφ του Ρακιςτάν. Το μεςογειακό καλοκαίρι χαρακτθρίηεται από αςκενι κυκλωνικι δραςτθριότθτα κυρίωσ βορειοαφρικανικισ προζλευςθσ όπου ςυχνά ςυνδζεται με αζριεσ μάηεσ εμπλουτιςμζνεσ με ςκόνθ από τθ Σαχάρα (Alpert and Ziv, 1989, di Sarra et al, 2001). Μελζτεσ προςομοίωςθσ μεγάλθσ κλίμακασ (Rodwell και Hoskins, 2001) ζδειξαν επίςθσ μια ιςχυρι επίδραςθ του Λνδικοφ μουςϊνα ςτο ξθρό Μεςογειακό κλίμα το καλοκαίρι, μζςω τθσ αλλθλεπίδραςθσ των κυμάτων Rossby με τθ νότια πλευρά των δυτικϊν ανζμων των μζςων γεωγραφικϊν πλατϊν, παράγοντασ αδιαβατικι κάκοδο και, ωσ εκ τοφτου αντικυκλωνικζσ ςυνκικεσ ςτθν επιφάνεια τθσ Ανατολικισ Μεςογείου. Οι μετριςεισ ςτα επίπεδα του όηοντοσ υποβάκρου τθσ ανατολικισ Μεςογείου παρουςιάηουν ιδιαίτερα αυξθμζνεσ τιμζσ και το γεγονόσ αυτό ζχει αποτελζςει αντικείμενο ζρευνασ από πολλοφσ επιςτιμονεσ τθν τελευταία δεκαετία. Οι λόγοι ποικίλουν και ςφμφωνα με τουσ Kourtidis et al., (2002) και Kouvarakis et al., (2002) μπορεί να οφείλονται ςε τοπικζσ ανκρωπογενείσ εκπομπζσ των προδρόμων ουςιϊν του όηοντοσ (NOx, CO, υδρογονανκράκων (NMHC)), ςτο ςυνδυαςμό των ανκρωπογενϊν και φυςικϊν εκπομπϊν (ιςοπρζνιο, τερπζνια) ι ςτθ μεταφορά του όηοντοσ και των προδρόμων ουςιϊν του από τισ βιομθχανικζσ περιοχζσ, ςε μεγάλεσ αποςτάςεισ. Οι Kouvarakis et al., (2002) με ςκοπό να μελετιςουν το όηον τθσ ανατολικισ Μεςογείου και τουσ μθχανιςμοφσ που ελζγχουν τισ ςυγκεντρϊςεισ του, πραγματοποίθςαν ςυνεχείσ μετριςεισ τροποςφαιρικοφ όηοντοσ ςτθ Φιλοκαλιά και ςτο Θράκλειο Κριτθσ, τθν περίοδο 1997-1999. Επίςθσ ςυνζκριναν τα αποτελζςματα αυτά με διάφορα χθμικά μοντζλα με ςκοπό να εξετάςουν τθν ικανότθτα των μοντζλων ςτθν προςομοίωςθ του όηοντοσ. Ανζλυςαν τθν επίδραςθ που ζχουν οι πρόδρομεσ ουςίεσ ςτισ ςυγκεντρϊςεισ του όηοντοσ και τζλοσ με ςκοπό να μελετιςουν τθσ δυνθτικζσ περιοχζσ των πρόδρομων ενϊςεων μελζτθςαν τθν προζλευςθ των αερίων - 20 -
μαηϊν. Τα αποτελζςματά τουσ ςυνοψίηονται ςτα εξισ: 1) ςτθν φπαρξθ ενόσ καλά κακοριςμζνου εποχικοφ κφκλου με μζγιςτα ςτισ ςυγκεντρϊςεισ του όηοντοσ (80 ppbv) το καλοκαίρι, 2) οι ςυγκεντρϊςεισ του όηοντοσ εξαρτϊνται από τθν προζλευςθ των αερίων μαηϊν, 3) θ ςυςχζτιςθ μεταξφ του Ο 3 και των ΝΟx ζδειξε ότι από τθν οξείδωςθ ενόσ μορίου ΝΟx παράγονται 14 μόρια Ο 3, 4) τα μοντζλα υποεκτιμοφν τισ ςυγκεντρϊςεισ του όηοντοσ το καλοκαίρι, κακϊσ δεν λαμβάνουν υπόψθ τθν καφςθ βιομάηασ και τισ βιογενείσ πτθτικζσ οργανικζσ εκπομπζσ. Σε επόμενθ ζρευνα τουσ οι Kouvarakis et al., (2002) με ςκοπό να μελετιςουν τθ χωρικι και χρονικι κατανομι του τροποςφαιρικοφ όηοντοσ τθσ ανατολικισ Μεςογείου, τοποκζτθςαν ζναν αναλυτι όηοντοσ ςε επιβατικό πλοίο που ζκανε τακτικά δρομολόγια κατά μικοσ του Αιγαίου τθν χρονικι περίοδο Αφγουςτοσ 1999 - Νοζμβριοσ 2000. Τα αποτελζςματα αυτά ςυγκρίκθκαν με παρατθριςεισ από το ςτακμό τθσ Φινοκαλιάσ. Θ μζςθ τιμι ςτισ ςυγκεντρϊςεισ του όηοντοσ από τισ μετριςεισ του πλοίου ανιλκαν ςτα 50 ± 8 ppbv, ενϊ οι μετριςεισ του ςτακμοφ τθσ Φινοκαλιάσ ζδειξαν 51 ± 8.5 ppbv. Θ ςυμφωνία των δεδομζνων ιταν αρκετά καλι, ο ςτακμόσ τθσ Φινοκαλιάσ κα μποροφςε να αποτελζςει αντιπροςωπευτικό ςτακμό μετριςεων του όηοντοσ για τθν περιοχι του Αιγαίου, ενϊ τα αποτελζςματα υποδεικνφουν τθν φπαρξθ ενιςχυμζνων τιμϊν όηοντοσ ςτθν περιοχι. Επίςθσ δεν παρατθρικθκε καμία ςτατιςτικά ςθμαντικι κλίςθ γεωγραφικοφ πλάτουσ πάνω από το Αιγαίο, ενϊ θ θμεριςια μεταβολι των ςυγκεντρϊςεων του όηοντοσ που κα μποροφςε να οφείλεται ςτθ φωτοχθμεία χαρακτθρίςτθκε πολφ περιοριςμζνθ. Τα δφο ςυμπεράςματα αυτά ςυνθγοροφν ςτο ότι τα μεγαλφτερα ποςά όηοντοσ ςτθν περιοχι προζρχονται από μεταφορά αερίων μαηϊν από μεγάλεσ αποςτάςεισ. Ραράλλθλα δεν παρατθρικθκε κλίςθ γεωγραφικοφ μικουσ μεταξφ τθσ δυτικισ και ανατολικισ Κριτθσ με αποτζλεςμα ο ςτακμόσ τθσ Φινοκαλιάσ να είναι αντιπροςωπευτικόσ για το όηον υποβάκρου τθσ ανατολικισ Μεςογείου. Σε ζρευνα των Zerefos et al. (2002) ςτα πλαίςια του προγράμματοσ - 21 -
PAUR ΛΛ (Photochemical Activity and Ultraviolet Radiation, που αποτελεί ςυνζχεια του παλαιότερου προγράμματοσ PAUR Λ), είχε ςκοπό τθ μελζτθ του όηοντοσ τθσ ανατολικισ Μεςογείου, κακϊσ και τθσ αλλθλεπίδραςθσ που ζχουν οι αλλαγζσ ςτο ςυνολικό όηον, ςτα τροποςφαιρικά αερολφματα, ςτθν υπεριϊδθ ακτινοβολία και ςτθ φωτοχθμικι δραςτθριότθτα. Το πρόγραμμα PAUR ΛΛ, ζλαβε χϊρα ςτθν Ελλάδα και τθν Λταλία τθν περίοδο Μάιοσ-Λοφνιοσ 1999. Οι κφριοι ςτόχοι του προγράμματοσ PAUR ΛΛ ιταν θ μζτρθςθ τθσ UVB φαςματικισ διαπερατότθτασ μζςα από κολι και κακαρι ατμόςφαιρα και θ μελζτθ τθσ επίδραςθσ του ςτρατοςφαιρικοφ και τροποςφαιρικοφ όηοντοσ ςτθ μεταφορά τθσ UVB ακτινοβολίασ υπό τθν παρουςία διαφόρων τφπων αερολυμάτων. Επίςθσ ςκοπόσ ιταν θ κατανόθςθ των μθχανιςμϊν που λαμβάνουν χϊρα και διατθροφν υψθλζσ τιμζσ υποβάκρου επιφανειακοφ όηοντοσ ςτθν ανατολικι Μεςόγειο. Οι περιβαλλοντικζσ ςυνκικεσ, που επικράτθςαν κατά τθ διάρκεια των προγραμμάτων PAUR Λ και ΛΛ υποδεικνφουν επειςόδια ςκόνθσ κακϊσ και ακραίεσ τιμζσ ςυνολικοφ όηοντοσ ςτθν περιοχι του Αιγαίου. Οι μετεωρολογικζσ ςυνκικεσ που επικράτθςαν διαφζρουν μεταξφ των δφο προγραμμάτων. Κατά τθ διάρκεια του προγράμματοσ PAUR I (Λοφνιοσ 1996), θ ςυνοπτικι κατάςταςθ που επικρατοφςε υποδείκνυε ζνα ςφςτθμα υψθλισ πίεςθσ πάνω από τθ βόρεια Ευρϊπθ με επζκταςθ προσ τθν κορυφογραμμι τθσ Βαλκανικισ χερςονιςου. Αυτό είχε ωσ αποτζλεςμα τθ μεταφορά αερίων μαηϊν από τθ Σκανδιναβία ςτθν ανατολικι Ευρϊπθ, τθ Μαφρθ κάλαςςα, και τελικά πάνω από τθν Τουρκία, πριν τθν είςοδο τουσ ςτθ λεκάνθ του Αιγαίου. Επίςθσ κατά τθ διάρκεια του προγράμματοσ ζπνεαν ετθςίεσ άνεμοι. Από τθν άλλθ πλευρά, κατά τθ διάρκεια του προγράμματοσ PAUR ΛΛ, θ βόρεια ροι του ανζμου πλζον διακόπτονταν από Δ-ΝΔ ροι (επειςόδια ςκόνθσ τθσ Σαχάρασ). Σε όλθ τθν διάρκεια του προγράμματοσ επικράτθςαν ςτθν Κριτθ αντικυκλωνικζσ ςυνκικεσ με λίγεσ μόνο διακοπζσ. Ο καιρόσ ιταν ξθρόσ και κυρίωσ ςυννεφιαςμζνοσ με μεταβλθτζσ ςυνκικεσ - 22 -
ανζμου. Επίςθσ με ςκοπό να εκτιμθκεί το αποτζλεςμα τθσ επίδραςθσ που ζχουν οι τοπικζσ ανκρωπογενείσ εκπομπζσ ςτισ ςυγκεντρϊςεισ του όηοντοσ ςτθν Ελλάδα, χρθςιμοποιικθκε το χθμικό μοντζλο Oslo CTM2 (Sundet, 1997). Το εν λόγω μοντζλο (chemical transport/tracer model, CTM) χρθςιμοποιεί προ-υπολογιςμζνα τισ μεταφορζσ και τα φυςικά πεδία για να προςομοιϊςει τισ χθμικζσ διεργαςίεσ που λαμβάνουν χϊρα ςτθν ατμόςφαιρα. Θ διαταραχι ςτθ μζςθ κατανομι των ςυγκεντρϊςεων του όηοντοσ για τον Λοφλιο δίνεται ςτο ςχιμα 1.7. Σχήμα 1.7: Μζςθ μείωςθ ςτθν κατανομι του όηοντοσ επιφανείασ, τον Ιοφλιο, από 50% μείωςθ των εκπομπϊν των προδρόμων ουςιϊν του όηοντοσ (NOx, CO, NMHC). Οι τιμζσ είναι ςε ppbv. Πθγι: Zerefos et al (2002). Τα επίπεδα του όηοντοσ μειϊνονται όταν μειϊνονται οι εκπομπζσ των προδρόμων ουςιϊν. Οι μειϊςεισ είναι μεγαλφτερεσ ςτθν Ελλάδα και το Αιγαίο πζλαγοσ, με τισ μζγιςτεσ ςυγκεντρϊςεισ να ανζρχονται ςτο 10% (7-23 -
ppbv). Ζξω από τθν περιοχι, οι διαταραχζσ του όηοντοσ πζφτουν γριγορα. Ωςτόςο αξιοςθμείωτο είναι το γεγονόσ ότι θ 50% μείωςθ ςτισ ανκρωπογενείσ εκπομπζσ, πρόδρομων ουςιϊν, του όηοντοσ ζχει πολφ μικρι επίδραςθ ςτισ ςυγκεντρϊςεισ του όηοντοσ, ςτθν περιοχι τθσ ανατολικισ Μεςογείου το καλοκαίρι. Οι Kourtidis et al. (2002) και Kouvarakis et al. (2002) παρουςίαςαν τα αποτελζςματά τουσ για τα περιαςτικά επίπεδα υποβάκρου όηοντοσ ςτθν ανατολικι Μεςόγειο. Στθ μελζτθ τουσ ςυμπζραναν ότι τα ενιςχυμζνα επίπεδα όηοντοσ, τόςο ςτθν επιφάνεια όςο και ςτθν ελεφκερθ τροπόςφαιρα, οφείλονται ςε διαδικαςίεσ μεταφοράσ από μεγάλεσ αποςτάςεισ, ςφμφωνα με τουσ υπολογιςμοφσ του χθμικοφ μοντζλου. Οι Balis et al. (2002) και οι Hofzumahaus et al. (2002) παρουςίαςαν τισ μετριςεισ και τα αποτελζςματα τθσ προςομοίωςθσ ςχετικά με τθν θλιακι ακτινοβολία και τα ποςοςτά φωτοδιάςπαςθσ που τροποποιοφνται από το ολικό όηον και τα αερολφματα από τθν επιφάνεια του εδάφουσ μζχρι τθν τροπόπαυςθ πάνω από το Αιγαίο. Το ςυμπζραςμα που προζκυψε ιταν ότι για τισ υπό εξζταςθ ηενίκιεσ θλιακζσ γωνίεσ, θ κυρίαρχθ παράμετροσ που ελζγχει τθ μεταβλθτότθτα του ποςοςτοφ φωτόλυςθσ του όηοντοσ είναι θ ςυνολικι περιεκτικότθτα ςε όηον. Ωςτόςο, τα υψθλά επίπεδα του όηοντοσ τθσ τροπόςφαιρασ και θ απορρόφθςθ των αερολυμάτων τθσ εριμου μπορεί να προκαλζςουν μείωςθ του ποςοςτοφ φωτόλυςθσ του όηοντοσ, ακόμθ και ςε ςυνκικεσ μειωμζνθσ ςυνολικισ περιεκτικότθτασ ςε όηον. Το γεγονόσ αυτό δείχνει ότι το όηον τθσ τροπόςφαιρασ μπορεί να είναι δυςανάλογα ςθμαντικό ωσ φίλτρο τθσ ακτινοβολίασ UVB, όταν το μεγαλφτερο ποςοςτό ςκζδαςθσ τθσ ατμόςφαιρασ οφείλεται ςτα μόρια του αζρα και ςτθ ςκόνθ. Οι Roelofs et al. (2003) μελζτθςαν τθν κατανομι και τισ πθγζσ του όηοντοσ ςτθν ελεφκερθ τροπόςφαιρα τθσ ανατολικισ Μεςογείου, τον Λοφλιο και Αφγουςτο του 2001. Για τθ μελζτθ τουσ χρθςιμοποίθςαν το μοντζλο γενικισ κυκλοφορίασ ECHAM4 (European Centre Hamburg model version 4) και τα αποτελζςματα τουσ ςυγκρίκθκαν με μετριςεισ από 4 πτιςεισ - 24 -
αεροςκαφϊν ( 8, 14, 16, 22 Αυγοφςτου) που ζλαβαν χϊρα υπό τθν αιγίδα του προγράμματοσ MINOS (Mediterranean intensive oxidant study). Το μοντζλο, ςε ςυνδυαςμό με τισ μετεωρολογικζσ ςυνκικεσ που επικράτθςαν τθν περίοδο αυτι, προςομοίωςε τρεισ διακριτζσ περιοχζσ για το τροποςφαιρικό όηον τθσ ανατολικισ Μεςογείου. Το ανϊτερο ςτρϊμα τοποκετείται ςτα 9-16 km και επθρεάηεται ιςχυρά από τθν αντικυκλωνικι κυκλοφορία τθσ ανϊτερθσ τροπόςφαιρασ το κζντρο τθσ οποίασ, εντοπίηεται ςτο οροπζδιο του Κιβζτ και ςχετίηεται με τουσ Αςιατικοφσ μουςϊνεσ. Τα επίπεδα του όηοντοσ ςε αυτό το ςτρϊμα ανζρχονται ςε 40-55 ppbv ενϊ υπολογίηεται ότι τα 20 ppbv προζρχονται από τισ φυςικζσ και ανκρωπογενείσ πθγζσ τθσ Ν-ΝΑ Αςίασ μζςω των μολυςμζνων αερίων μαηϊν που φτάνουν ςτθν περιοχι. Το δεφτερο ςτρϊμα τοποκετείται ςτα 3-8 km, οι ςυγκεντρϊςεισ του όηοντοσ ανζρχονται ςτα 65-100 ppbv, ενϊ υπολογίηεται ότι 25-60 ppbv είναι ςτρατοςφαιρικισ προζλευςθσ και 10-20 ppbv προζρχονται από τισ αςτραπζσ. Το τρίτο ςτρϊμα αποτελεί θ χαμθλότερθ τροπόςφαιρα ενϊ αυτό επθρεάηεται ςε μεγάλο βακμό από τισ εκπομπζσ πρόδρομων ενϊςεων του όηοντοσ, από τθν ανατολικι και δυτικι Ευρϊπθ. Σε πρόςφατθ ζρευνα των Gerasopoulos et al. (2006) μελετικθκαν οι παράγοντεσ που επθρεάηουν τθν θμεριςια διακφμανςθ του όηοντοσ και αξιολογικθκαν τα ποςοςτά παραγωγισ και καταςτροφισ του όηοντοσ ςε εποχικι βάςθ. Θ ζρευνα ςτθρίχκθκε τόςο ςε απευκείασ μετριςεισ όηοντοσ (δεδομζνα Φινοκαλιάσ 1997-2004), όςο και ςε υπολογιςμοφσ χθμικοφ μοντζλου. Αξιοςθμείωτο, ςτθν ζρευνα τουσ, είναι ότι ςτθν υπό μελζτθ περίοδο ο ρόλοσ τθσ φωτοχθμείασ είναι ιδιαίτερα περιοριςμζνοσ, θ κακαρι χθμικι ςυνειςφορά ςτο όηον ανζρχεται ςτα 4%. Τα αποτελζςματα ςυνθγοροφν ςτο ότι ο κφριοσ μθχανιςμόσ παραγωγισ όηοντοσ το καλοκαίρι είναι θ μεταφορά αερίων μαηϊν από τθν θπειρωτικι Ευρϊπθ, ενϊ θ τοπικι φωτοχθμεία λειτουργεί ωσ καταβόκρα για το όηον όπωσ ζδειξαν τόςο οι παρατθριςεισ όςο και οι υπολογιςμοί του μοντζλου. Το ςχιμα 1.8 δείχνει τθν μθνιαία διακφμανςθ των ςυνιςτωςϊν που επιδροφν ςτισ αλλαγζσ του - 25 -
όηοντοσ. Συγκεκριμζνα απεικονίηεται ο ρυκμόσ μεταβολισ ςυγκζντρωςθσ του όηοντοσ D(O3)/dt, θ εναπόκεςθ, θ διοχζτευςθ αερίων μαηϊν πλοφςιων ςε όηον από τθν ελεφκερθ τροπόςφαιρα, και το κακαρό ποςοςτό τθσ χθμείασ. Σε εποχικι μζςθ βάςθ, θ θμεριςια μεταβολι του όηοντοσ είναι πολφ μικρι (0,2±0,1 ppbv d -1 ). Κατά τθ διάρκεια του καλοκαιριοφ το ποςοςτό ςυνειςφοράσ, των αερίων μαηϊν από τθν ελεφκερθ τροπόςφαιρα, ςτο όηον ανζρχεται περίπου ςτα 3 ppbv d -1, ενϊ παρουςίαςε μζγιςτο (3,4 ppbv d -1 ) τον Αφγουςτο για τα ζτθ 2001 και 2004. Σχήμα 1.8: Μθνιαία διακφμανςθ των ςυνιςτωςϊν που επιδροφν ςτισ αλλαγζσ του όηοντοσ. Ρυκμόσ μεταβολισ ςυγκζντρωςθσ του όηοντοσ D(O3)/dt (κλειςτοί κφκλοι), θ εναπόκεςθ (διακεκομμζνθ γραμμι), θ διοχζτευςθ (ςυνεχισ γραμμι) και το κακαρό ποςοςτό τθσ χθμείασ (ανοιχτά τρίγωνα). Πθγι: Gerasopoulos et al (2006). Σε μελζτθ που ζγινε από τουσ Kalabokas et al (2007) ςτα πλαίςια του ζργου MOZAIC (Measurement of Ozone and Water Vapor by Airbus in Service Aircraft) πραγματοποιικθκε θ κάκετθ ανάλυςθ του όηοντοσ τθσ ανατολικισ Μεςογείου και ζπειτα ζγινε ςφγκριςθ με το όηον τθσ κεντρικισ Ευρϊπθσ. Οι 77 πτιςεισ που ζλαβαν χϊρα κατά τθν διάρκεια του καλοκαιριοφ (Λοφνιο με Σεπτζμβριο 1996-2002) ζδειξαν ενιςχυμζνεσ τιμζσ όηοντοσ (60 ppbv) ςτθν - 26 -
κατϊτερθ τροπόςφαιρα τθσ ανατολικισ Μεςογείου με διαφορά που ανζρχεται ςτα 12 ppbv (20 40%) ςε ςχζςθ με τθν κεντρικι Ευρϊπθ. Επίςθσ παρατιρθςαν ότι ςτα ανϊτερα ιςοβαρικά επίπεδα (700-400 mb) το όηον είναι ελαφρϊσ ενιςχυμζνο (5 ppbv, 5 10%) από αυτό τθσ κεντρικισ Ευρϊπθσ. H ανάλυςθ που πραγματοποιικθκε ςτουσ ςφνκετουσ χάρτεσ καιροφ για τισ υψθλζσ και χαμθλζσ τιμζσ του όηοντοσ, για τισ οπιςκοτροχιζσ και για τα κατακόρυφα προφίλ του μονοξειδίου του άνκρακα, ζδειξαν ότι ο κφριοσ παράγοντασ που οδθγεί ςε υψθλζσ τιμζσ τροποςφαιρικοφ όηοντοσ ςτθν περιοχι τθσ ανατολικισ Μεςογείου είναι θ αντικυκλωνικι επιρροι, ςε ςυνδυαςμό με τθν επίδραςθ των ετθςίων κατά τθ διάρκεια του καλοκαιριοφ ςτο Αιγαίο. Αντίκετα τα χαμθλότερα επίπεδα του όηοντοσ, ςυνδζονται με κυκλωνικά ςυςτιματα, ιδιαίτερα με τθν επζκταςθ του χαμθλοφ τθσ Μζςθσ Ανατολισ πάνω από τθν περιοχι τθσ Ανατολικισ Μεςογείου. Οι Kalabokas et al. (2008) μελζτθςαν τουσ μετεωρολογικοφσ και φωτοχθμικοφσ παράγοντεσ που επθρεάηουν τα επίπεδα του όηοντοσ υποβάκρου ςε περιαςτικοφσ και καλάςςιουσ ςτακμοφσ (Αλίαρτοσ, Φινοκαλιά 1998-2001 και 1996-1999 και Μάλτα, Αγ. Μαρίνα Κφπρου 1997-2001 αντίςτοιχα) ςτθν κεντρικι και ανατολικι Μεςόγειο. Οι ςυγκεντρϊςεισ του όηοντοσ υπολογίςτθκαν ωσ οι μζςοι όροι από τισ 12:00-18:00 τοπικι ϊρα και δθμιουργικθκαν δφο ομάδεσ θμερϊν υψθλϊν και χαμθλϊν τιμϊν όηοντοσ. Από τθ μελζτθ τουσ προζκυψε το ςυμπζραςμα ότι οι ςυγκεντρϊςεισ του όηοντοσ, ςτουσ ςτακμοφσ τθσ Ελλάδασ, τον Λοφλιο και τον Αφγουςτο είναι κατά 10 ppbv πιο αυξθμζνεσ ςε ςχζςθ με τουσ ςτακμοφσ τθσ Κφπρου και τθσ Μάλτασ. Από τθν ανάλυςθ των μζςων χαρτϊν γεωδυναμικοφ φψουσ (850 και 700 hpa),για τισ δφο ομάδεσ θμερϊν, διαπίςτωςαν ότι ο κφριοσ παράγοντασ που ελζγχει τισ επιφανειακζσ τιμζσ του όηοντοσ το καλοκαίρι ςτθν κεντρικι και ανατολικι Μεςόγειο είναι θ αντικυκλωνικι επιρροι. Πταν εγκακίςτανται ςτθν περιοχι ςυςτιματα υψθλισ πίεςθσ (πλοφςια ςε τροποςφαιρικό όηον), κατά τθ διάρκεια του καλοκαιριοφ, δθμιουργοφν ςυνκικεσ χαμθλισ διαςποράσ ςτο - 27 -
οριακό ςτρϊμα. Επιπλζον, το αντικυκλωνικό ςφςτθμα όταν εκτείνεται πάνω από τα Βαλκάνια, (ςε ςυνδυαςμό με το χαμθλό του Ρακιςτάν) προκαλεί βόρεια ροι, μεταφζροντασ μολυςμζνεσ αζριεσ μάηεσ από τθν κεντρικι και ανατολικι Ευρϊπθ προσ το Αιγαίο. Θ Μάλτα και θ Κφπροσ δείχνουν να επθρεάηονται από κακαρότερεσ αζριεσ μάηεσ (δυτικισ και ανατολικισ προζλευςθσ αντίςτοιχα). Επιπλζον οι ατμοςφαιρικζσ ροζσ που οδθγοφν ςε υψθλζσ τιμζσ όηοντοσ ςτθ Μάλτα (προερχόμενεσ από τθ δυτικι Ευρϊπθ) και τθ Φινοκαλιά (προερχόμενεσ από τθν Μαφρθ Κάλαςςα) είναι μικρότερθσ ζνταςθσ και διάρκειασ ςε αντίκεςθ με τθν ατμοςφαιρικι βόρεια ροι που πνζει ςτο Αιγαίο. Συγκεκριμζνα ζδειξαν ότι οι υψθλζσ επιφανειακζσ ςυγκεντρϊςεισ του όηοντοσ, τθσ ανατολικισ Μεςογείου (ιδίωσ ςτθν περιοχι του Αιγαίου), το καλοκαίρι, επθρεάηονται από τθν μεγάλθσ κλίμακασ μεταφορά μολυςμζνων αερίων μαηϊν από τθν κεντρικι Ευρϊπθ ςε ςυνδυαςμό με τθ φωτοχθμικι παραγωγι του όηοντοσ. Ενϊ οι χαμθλζσ τιμζσ ςχετίηονται με τθν παρουςία ατμοςφαιρικϊν ςυςτθμάτων χαμθλισ πίεςθσ που δθμιουργοφν ιςχυροί δυτικζσ ροζσ που μεταφζρουν κακαρζσ αζριεσ μάηεσ, δθμιουργϊντασ ςυνκικεσ ατμοςφαιρικισ διαςποράσ. Οι Moulin et al., (1998) ζδειξαν ότι μεταξφ κεντρικισ και ανατολικισ Μεςογείου επικρατοφν διαφορετικζσ ετιςιεσ μεταβλθτότθτεσ ςτισ ςυγκεντρϊςεισ τθσ ατμοςφαιρικισ ςκόνθσ. Το ανατολικό μζροσ τθσ Μεςογείου παρουςιάηει μζγιςτο τθν άνοιξθ ενϊ το δυτικό και κεντρικό μζροσ το καλοκαίρι. Επίςθσ οι Zerefos et al., (2002) ζδειξαν ότι θ παρουςία τθσ ςκόνθσ είτε προζρχεται από περιοχζσ χαμθλϊν ςυγκεντρϊςεων όηοντοσ και πρόδρομϊν ενϊςεϊν του (νότιεσ περιοχζσ), είτε παρζχοντασ επιφάνειεσ ετερογενοφσ χθμείασ, οδθγεί ςε ελάττωςθ των επιπζδων του όηοντοσ. Ωςτόςο τα ςυγκρίςιμα επίπεδα για τθν άνοιξθ ανάμεςα ςτθν Ελλάδα και τθ Μάλτα και τα αντίςτοιχα για το καλοκαίρι ανάμεςα ςτθν Μάλτα και τθν Κφπρο ζδειξαν ότι θ ετερογενισ καταςτροφι του όηοντοσ, ςε επιφάνειεσ με ςκόνθ, δεν παίηει ςθμαντικό ρόλο και ο κρίςιμοσ παράγοντασ φαίνεται να είναι θ προζλευςθ των αερίων μαηϊν. - 28 -
1.4 Ατμοςφαιρικό μοντζλο Το αρχείο δεδομζνων ERA-Interim αποτελεί το πιο ςφγχρονο ςφνολο δεδομζνων παγκόςμιασ ατμοςφαιρικισ reanalysis που δθμιουργικθκε από το Ευρωπαϊκό Κζντρο Μεςοπρόκεςμων Ρρογνϊςεων Καιροφ (ECMWF), καλφπτοντασ τθ ςυλλογι δεδομζνων από τθν 1θ Λανουαρίου 1979 μζχρι και ςιμερα. Για τθ δθμιουργία του χρθςιμοποιικθκαν πολλζσ πθγζσ μετεωρολογικϊν παρατθριςεων που περιλαμβάνουν ραδιοβολίδεσ, αερόςτατα, αεροςκάφθ, καλάςςιεσ ςθμαδοφρεσ, δορυφόρουσ και ραντάρ. Ξεκίνθςε το 2006 και αποτελεί μια βελτιωμζνθ ζκδοςθ του προθγοφμενου αρχείου δεδομζνων ERA-40 (1957-2002). Οι βαςικζσ πτυχζσ βελτίωςθσ αφοροφν τθν αναπαράςταςθ του υδρολογικοφ κφκλου, τθν ποιότθτα τθσ κυκλοφορίασ τθσ ςτρατόςφαιρασ, και το χειριςμό των αποκλίςεων και των αλλαγϊν ςτο ςφςτθμα παρατιρθςθσ. Οι ςτόχοι αυτοί επιτεφχκθκαν ςε μεγάλο βακμό ωσ αποτζλεςμα ενόσ ςυνδυαςμοφ πολλϊν παραγόντων, που περιλαμβάνουν βελτιϊςεισ του μοντζλου, τθ χριςθ τθσ 4-διαςτάςεων ανάλυςθσ των μεταβολϊν, μια ανακεωρθμζνθ ανάλυςθ για τθν υγραςία, τθ χριςθ διορκϊςεων ςτισ αποκλίςεισ των δορυφορικϊν δεδομζνων, κακϊσ και άλλεσ βελτιϊςεισ ςτθ διαχείριςθ δεδομζνων. Τα πλεγματικά δεδομζνα αποτελοφν μια πλθκϊρα από παραμζτρουσ επιφάνειασ, που ςυλλζγονται ανά τρίωρο, οι οποίεσ περιγράφουν τον καιρό, τα ωκεάνια κφματα κακϊσ και τισ επιφανειακζσ ςυνκικεσ. Επίςθσ τα πλεγματικά δεδομζνα αντιςτοιχοφν ςε παραμζτρουσ τθσ ανϊτερθσ ατμόςφαιρασ που καλφπτουν τθν τροπόςφαιρα και τθ ςτρατόςφαιρα και ςυλλζγονται ανά εξάωρο. Τζλοσ παρζχονται πλθροφορίεσ για τθν ατμοςφαιρικι ροι, τισ ςυνοπτικζσ καταςτάςεισ και άλλα παράγωγα πεδία. Τα δεδομζνα reanalysis παρζχουν μια πολυπαραγοντικι, χωρικά πλιρθσ και ςυνεκτικι καταγραφι τθσ κυκλοφορίασ τθσ ατμόςφαιρασ. Θ ERA-Interim reanalysis παράγεται με ζνα ςφςτθμα διαδοχικισ αφομοίωςθσ δεδομζνων, προϊκθςθσ τουσ προσ τα εμπρόσ ςτο χρόνο, χρθςιμοποιϊντασ 12-ωρουσ κφκλουσ ανάλυςθσ. Σε κάκε κφκλο, οι - 29 -
υπάρχουςεσ παρατθριςεισ ςυνδυάηονται με τισ προθγοφμενεσ πλθροφορίεσ από το μοντζλο πρόγνωςθσ για τθν εκτίμθςθ τθσ εξελιςςόμενθσ κατάςταςθσ τθσ ατμόςφαιρασ του πλανιτθ και τθσ επιφάνειασ του. Αυτό ςυνεπάγεται τον υπολογιςμό και τθν ανάλυςθ των μεταβολϊν των βαςικϊν ατμοςφαιρικϊν πεδίων τθσ ανϊτερθσ ατμόςφαιρασ (κερμοκραςία, άνεμοσ, υγραςία, όηον, επιφανειακι πίεςθ), ακολουκοφμενθ από χωριςτζσ αναλφςεισ για τισ επιφανειακζσ παραμζτρουσ (κερμοκραςία και υγραςία ςτα 2 μζτρα), τθν υγραςία του εδάφουσ, τθ κερμοκραςία του εδάφουσ, το χιόνι, κακϊσ και τα κφματα των ωκεανϊν. Οι αναλφςεισ αυτζσ χρθςιμοποιοφνται ςτθ ςυνζχεια για να αρχικοποιιςουν το μεςοπρόκεςμο μοντζλο πρόγνωςθσ, το οποίο προβλζπει τθν εκ των προτζρων κατάςταςθ των εκτιμιςεων, που χρειάηεται για τον επόμενο κφκλο τθσ ανάλυςθσ. Το μοντζλο πρόγνωςθσ παίηει ζναν ςπουδαίο ρόλο ςτθ διαδικαςία αφομοίωςθσ δεδομζνων. Θ χριςθ των εξιςϊςεων του μοντζλου κακιςτά δυνατι τθν προϊκθςθ τθσ πλθροφορίασ παραμζτρων που ζχουν παρατθρθκεί τοπικά, ςε μθ παρατθρθκείσ παραμζτρουσ και επίςθσ μπορεί να μεταφζρει τισ πλθροφορίεσ αυτζσ μπροςτά ςτο χρόνο. Θ ικανότθτα και θ ακρίβεια του μοντζλου πρόγνωςθσ κακορίηει το πόςο καλά οι εξομοιοφμενεσ πλθροφορίεσ μποροφν να διατθρθκοφν. Βελτίωςθ τθσ πρόγνωςθσ ςθμαίνει ότι απαιτοφνται μικρότερεσ προςαρμογζσ για τθ διατιρθςθ τθσ ςυνοχισ με τισ παρατθριςεισ κακϊσ εξελίςςεται ο χρόνοσ. Επιπλζον, κατά τθ διάρκεια παραγωγισ τθσ πρόγνωςθσ το μοντζλο υπολογίηει μια ευρεία ποικιλία φυςικϊν παραμζτρων όπωσ είναι θ κακίηθςθ, θ ςτροβιλϊδθσ ροι, τα πεδία ακτινοβολίασ, τα νζφθ, θ υγραςία του εδάφουσ. Θ ακρίβεια του εν λόγω μοντζλου που δθμιουργείται από τισ εκτιμιςεισ εξαρτάται από τθν ποιότθτα τθσ φυςικισ του μοντζλου κακϊσ και από τθν ανάλυςθ. Θ εξομοίωςθ των δεδομζνων παράγει ζτςι μια ςυνεκτικι καταγραφι τθσ παγκόςμιασ ατμοςφαιρικισ εξζλιξθσ για το ςφνολο τθσ περιόδου τθσ reanalysis, θ οποία είναι ςφμφωνθ με τισ διακζςιμεσ παρατθριςεισ. - 30 -
Συνοψίηοντασ ςτο ατμοςφαιρικό μοντζλο του ECMWF για τθν δθμιουργία τθσ ERA Interim, θ ανάλυςθ και θ ντετερμινιςτικι πρόγνωςθ που πραγματοποιοφνται ζχουν ρυκμιςτεί για τθν ακόλουκθ χωρικι ανάλυςθ (The ERA-Interim archive version 1.0, 2009): 60 κατακόρυφα επίπεδα, με το ανϊτερο επίπεδο ςτα 0,1 hpa 1.5 γεωγραφικό μικοσ x 1.5 γεωγραφικό πλάτοσ T255 ςφαιρικι αρμονικι αντιπροςϊπευςθ για τα βαςικά δυναμικά πεδία Μειωμζνο γκαουςιανό πλζγμα με περίπου ενιαία απόςταςθ 79 χιλιόμετρων για τθν επιφάνεια και για τα άλλα πεδία ςθμείων πλζγματοσ. Στο ERA-Interim θ αφομοίωςθ των δεδομζνων και τα προγνωςτικά δεδομζνα παράγουν: Τζςςερισ αναλφςεισ ανά θμζρα, ςτισ 00, 06, 12 και 18 UTC Δφο 10-ιμερεσ προβλζψεισ ανά θμζρα, αρχικοποιθμζνεσ από τισ αναλφςεισ ςτισ 00 και 12 UTC. 1.4.1 Μοντζλο του όηοντοσ Το όηον είναι πλιρωσ ενςωματωμζνο ςτο μοντζλο πρόβλεψθσ ECMWF και ςτο ςφςτθμα ανάλυςθσ ωσ μια πρόςκετθ τριςδιάςτατθ μεταβλθτι. Το μοντζλο πρόβλεψθσ περιλαμβάνει μια προγνωςτικι εξίςωςθ για τθν αναλογία ανάμιξθσ του όηοντοσ (kg / kg) και δίδεται από τθ ςχζςθ: όπου RO 3 είναι θ παραμετροποίθςθ των πθγϊν και των καταβόκρων του όηοντοσ. Χωρίσ τθν παραμετροποίθςθ θ κατανομι του όηοντοσ κα οδθγοφνταν ςε μθ πραγματικζσ τιμζσ. Θ παραμετροποίθςθ πρζπει να διατθριςει μια ρεαλιςτικι κατανομι του όηοντοσ ςτο χρονικό διάςτθμα ολοκλιρωςθσ, χωρίσ να μειϊςει τθν δυναμικι διακφμανςθ του. Θ παραμετροποίθςθ που χρθςιμοποιείται ςτο μοντζλο ECMWF είναι - 31 -
μια ενθμερωμζνθ ζκδοςθ των Cariolle και Deque (1986). Αυτι θ παραμετροποίθςθ προχποκζτει ότι οι χθμικζσ μεταβολζσ ςτο όηον μποροφν να περιγραφοφν από μια γραμμικι προςαρμογι προσ τθν κατεφκυνςθ τθσ φωτοχθμικισ ιςορροπίασ. Είναι κυρίωσ μια παραμετροποίθςθ τθσ ςτρατόςφαιρασ. Οι ρυκμοί προςαρμογισ και οι τιμζσ τθσ ιςορροπίασ προςδιορίηονται από ζνα τριςδιάςτατο φωτοχθμικό μοντζλο, ςυμπεριλαμβανομζνθσ τθσ εκπροςϊπθςθσ τθσ ετερογενοφσ χθμείασ τθσ τρφπασ του όηοντοσ (Pascal Simon, Μeteo-France). Θ ενθμερωμζνθ ζκδοςθ ςχετικά με τθν παραμετροποίθςθ των πθγϊν / καταβόκρων του όηοντοσ ζχει ωσ εξισ: Οι ςτακερζσ c i, i = 0, 1, 2, 3, 4 είναι οι όροι προςαρμογισ και οι,, και είναι οι τιμζσ φωτοχθμικισ ιςορροπίασ, ενϊ όλοι οι όροι αποτελοφν ςυναρτιςεισ του γεωγραφικοφ πλάτουσ, τθσ πίεςθσ, και του μινα. Ππου Τ είναι θ κερμοκραςία ςε βακμοφσ Κ. Ο όροσ Ο 3 υποδθλϊνει τθ ςτιλθ του όηοντοσ πάνω από τθν πίεςθ p. Ο όροσ Cl EQ είναι θ ιςοδφναμθ περιεκτικότθτα τθσ ςτρατόςφαιρασ ςε χλϊριο για το πραγματικό ζτοσ, και είναι θ μόνθ παράμετροσ που ποικίλλει από ζτοσ ςε ζτοσ. Ο ετερόκλθτοσ όροσ c 4 (Cl EQ ) 2 O 3 ενεργοποιείται μόνο κάτω από το κατϊτατο όριο κερμοκραςίασ των 195 Κ. Στο μοντζλο ECMWF οι τιμζσ φωτοχθμικισ ιςορροπίασ για το όηον αντικαταςτάκθκαν με τθν κλιματολογία των Fortuin και Langematz (1995). 1.4.2 Ραρατθριςεισ του όηοντοσ Τα δεδομζνα του όηοντοσ ςτο μοντζλο ERA-40 λαμβάνονται από τισ παρατθριςεισ που παρζχουν τα δορυφορικά όργανα SBUV (Solar Backscatter Ultraviolet) και TOMS (Total Ozone Mapping Spectrometer). Το TOMS παρζχει υψθλισ πυκνότθτασ οριηόντια κάλυψθ του ςυνόλου του όηοντοσ, ενϊ οι - 32 -
πλθροφορίεσ που παρζχει το SBUV ζχουν κάλυψθ κυρίωσ ςτθ μεςαία και ανϊτερθ ςτρατόςφαιρα. Οι μετριςεισ και των δφο οργάνων γίνονται μόνο κατά τθν διάρκεια τθσ θμζρασ (παρουςία θλιακοφ φωτόσ). Τα ςφάλματα ςτα δεδομζνα που παρζχει το όργανο TOMS ανζρχονται ςε 5% του ςυνόλου των δεδομζνων. Ενϊ τα ςφάλματα ςτα δεδομζνα που παρζχει το όργανο SBUV είναι τθσ τάξθσ του 5% για τα υψθλότερα επίπεδα και 10-15% για τα χαμθλότερα επίπεδα. Το ςχιμα 1.9 δείχνει ζνα χρονοδιάγραμμα όλων των δορυφορικϊν οργάνων των οποίων τα δεδομζνα του όηοντοσ αφομοιϊκθκαν ςτθν ERA- Interim και ERA-40 ανάλυςθ. Σχήμα 1.9: Χρονολόγιο των δορυφορικϊν οργάνων, που χρθςιμοποιικθκαν για τθν αφομοίωςθ των δεδομζνων του όηοντοσ ςτθν ERA-Interim ανάλυςθ (μαφρθ γραμμι), ςτθν ERA-40 ανάλυςθ (γκρι γραμμι). Πθγι: Dragani (2011). Θ ERA-Interim ανάλυςθ χρθςιμοποιεί μεγαλφτερθ ποικιλία δορυφορικϊν δεδομζνων για το όηον. Στθν ανάλυςθ προςτίκενται το δορυφορικό όργανο SBUV/2 (NOAA-14) για τθ μερικι ςτιλθ του όηοντοσ και - 33 -
το δορυφορικό όργανο GOME (ERS-2) (Global Ozone Monitoring Experiment) για το προφίλ του όηοντοσ. Ραρατθριςεισ από τα δορυφορικά όργανα SBUV, ΟΜΛ, TOMS, GOME, και SCIAMACHY με γωνίεσ ανφψωςθσ του ιλιου μικρότερεσ από 6, 10, 10, 15 και 6 μοίρεσ, αντίςτοιχα, αποκλείςτθκαν. (Dee, D. P. et al. 2011) 1.4.3 Ανάλυςθ του όηοντοσ Το όηον είναι πλιρωσ ενςωματωμζνο ςτθν ECMWF ανάλυςθ ωσ πρόςκετθ μεταβλθτι, που ςθμαίνει ότι οι παρατθριςεισ του επθρεάηουν τθν ανάλυςθ του ανζμου και των άλλων μετεωρολογικϊν μεταβλθτϊν ςτισ 4 διαςτάςεισ (Holm et al. 1999). Σε αμφότερεσ τισ 3 και 4 διαςτάςεισ τθσ ανάλυςθσ ECMWF, το βιμα ελαχιςτοποίθςθσ τθσ ανάλυςθσ ζγινε ςτο φαςματικό χϊρο (Derber και Bouttier 1999), και οι πίνακεσ ςυςχζτιςθσ του ςφάλματοσ των τιμϊν υποβάκρου του όηοντοσ είναι φαςματικοί με παγκόςμια ενιαία χαρακτθριςτικά. Αντίκετα, οι διακυμάνςεισ ςτο ςφάλμα υποβάκρου είναι ςτο διάςτθμα του ςθμείου πλζγματοσ, και εναλλάςςονται από τθ μια ανάλυςθ ςτθν επόμενθ. Θ εναλλαγι αρχίηει με μια ανάλυςθ ςτθν εκτίμθςθ ςφάλματοσ, θ οποία λαμβάνει υπόψθ τθ μείωςθ του ςφάλματοσ από τθν αφομοίωςθ των παρατθριςεων, και εφαρμόηεται ςτο αποτζλεςμα ενόσ απλοφ μοντζλου ςφαλμάτων (Savijarvi 1995) : όπου ς είναι θ τυπικι απόκλιςθ του ςφάλματοσ, ς max είναι θ αςυμπτωτικι τιμι του ςφάλματοσ και όπου a = 0,4 θμζρεσ -1 και b = 0,1 θμζρεσ -1. Ο τφποσ αυτόσ λαμβάνει υπόψθ και τα υποτικζμενα λάκθ του μοντζλου (με τον όρο 0,1ς max ). Θ αςυμπτωτικι τιμι ς max είναι θ τυπικι απόκλιςθ των πεδίων του όηοντοσ, υπολογιηόμενθ ωσ θ μζςθ μθνιαία τιμι από τισ αναλφςεισ του όηοντοσ. Το ςχιμα 1.10 δείχνει ζνα παράδειγμα του μζςου όρου και τθσ - 34 -
τυπικισ απόκλιςθσ του ςφάλματοσ πρόγνωςθσ για ζνα ςυγκεκριμζνο κφκλο ανάλυςθσ (Dethof and Holm 2004). Σχήμα 1.10: Γεωγραφικό πλάτοσ - διατομζσ πίεςθσ (α) μζςοσ όροσ και (β) ςφάλμα τυπικισ απόκλιςθσ υποβάκρου του ηωνικοφ μζςου όρου του όηοντοσ ςτισ 15 Ιουλίου 2001 από το ERA-40. Οι μονάδεσ είναι mpa και το διάςτθμα του περιγράμματοσ είναι 2 mpa ςτο (α) και 0.1 mpa ςτο (β). Ρθγι: Dethof and Holm (2004). Αν και θ διακφμανςθ του όηοντοσ είναι μεγαλφτερθ ςτα κατϊτερα ςτρϊματα τθσ ςτρατόςφαιρασ και ςτθν ανϊτερθ τροπόςφαιρα, το όηον χαρακτθρίηεται κυρίωσ από τθ διαδικαςία τθσ μεταφοράσ ςτθν περιοχι αυτι. Συγκρίςεισ με ραδιοβολίδεσ όηοντοσ ςτα μεςαία πλάτθ δείχνουν ότι το μοντζλο είναι ςε κζςθ να ςυλλάβει αυτζσ τισ διαφοροποιιςεισ ςτο όηον, ϊςτε το ςφάλμα πρόγνωςθσ να είναι πολφ μικρότερο από τθ μεταβλθτότθτα που περιλαμβάνει το ίδιο το πεδίο του όηοντοσ. Κακϊσ θ κατανομι του όηοντοσ μεταβάλλεται με τθν εποχι, αλλάηουν επίςθσ και τα ςφάλματα πρόγνωςθσ, ιδιαίτερα πάνω από τουσ πόλουσ. Σε μια πρόςφατθ μελζτθ τθσ Dragani (2011) παρουςιάηεται θ αξιολόγθςθ για τθν ποιότθτα τθσ ERA-Interim ανάλυςθσ. Τα αποτελζςματα τθσ μελζτθσ παρουςιάηονται ςτο ςχιμα 1.11 ςτο οποίο απεικονίηονται οι μζςεσ μθνιαίεσ τιμζσ τροποςφαιρικισ ςτιλθσ του όηοντοσ που ανακτικθκαν από τισ δφο αναλφςεισ, από τα δορυφορικά δεδομζνα τθσ NASA και από το δορυφορικό όργανο SCIAMACHY για τθ γεωγραφικι ηϊνθ 50 βόρεια με 50 νότια και για τθν χρονικι περίοδο 1989-2008. - 35 -
Σχήμα 1.11: α) Χρονοςειρζσ των μζςων μθνιαίων τιμϊν τροποςφαιρικισ ςτιλθσ του όηοντοσ για τθν ανάλυςθ ERA Interim (μαφρθ ςυμπαγισ γραμμι), τθν ανάλυςθ Era 40 (μαφρθ διακεκομμζνθ γραμμι), δορυφορικϊν δεδομζνων τθσ NASA (γκρι ςυμπαγισ γραμμι)και δορυφορικοφ οργάνου SCIAMACHY (μαφρθ διακεκομμζνθ γραμμι που καλφπτει τθν περίοδο από τον Ιανουάριο 2003 - Δεκζμβριο 2008) που αφομοιϊκθκε ςτθν Era interim ανάλυςθ. Γεωγραφικι ηϊνθ 50 βόρεια με 50 νότια και β) μζςεσ μθνιαίεσ ςχετικζσ διαφορζσ τροποςφαιρικισ ςτιλθσ του όηοντοσ για τθν ανάλυςθ Era interim (μαφρθ ςυμπαγισ γραμμι), τθν ανάλυςθ Era 40 (μαφρθ διακεκομμζνθ γραμμι). Πθγι: Dragani 2011. Για τισ μζςεσ μθνιαίεσ ςχετικζσ διαφορζσ τροποςφαιρικισ ςτιλθσ του όηοντοσ των δφο αναλφςεων θ ςυμφωνία είναι αρκετά καλι με διαφορζσ που ανζρχονται ςτα ±5DU (Dobson Units), λιγότερο από το 2% τθσ μζςθσ τιμισ. Ωςτόςο υπάρχουν δφο εξαιρζςεισ όπου θ διαφορά ιταν πάνω από 5DU. Θ πρϊτθ περίπτωςθ αφορά τθν ERA 40 ανάλυςθ, για το ζτοσ 1989-1990 που οφείλεται ςτθν ζλλειψθ παρατθριςεων του όηοντοσ. Θ δεφτερθ περίπτωςθ αφορά τθν ERA Interim ανάλυςθ για τθ χρονικι περίοδο 2004-2007 όπου φαίνεται ότι υπάρχει υψθλι κετικι ςυςχζτιςθ με τα δεδομζνα SCIAMACHY. Ωςτόςο και ςτισ δφο περιπτϊςεισ, θ μειωμζνθ ςυμφωνία μπορεί να ςχετίηεται με τα δεδομζνα του όηοντοσ που χρθςιμοποιοφνται ανά περίπτωςθ. 2 ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ - ΔΕΔΟΜΕΝΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ - 36 -
2.1 Δεδομζνα Στθν παροφςα εργαςία χρθςιμοποιικθκαν δεδομζνα Reanalysis, Erainterim που προζρχονται από τθ βάςθ δεδομζνων του επιχειρθςιακοφ μοντζλου πρόγνωςθσ του Ευρωπαϊκοφ Κζντρου Μεςοπρόκεςμων Ρρογνϊςεων Καιροφ (ECMWF). Τα δεδομζνα αφοροφν θμεριςιεσ επιφανειακζσ τιμζσ κακϊσ και θμεριςιεσ τιμζσ για τα ιςοβαρικά επίπεδα των 1000, 850, 700, 500, 400, 250 mb. Οι παράμετροι και οι μονάδεσ μζτρθςθσ τουσ φαίνονται ςτον πίνακα 2.1. Πίνακας 2.1: Παράμετροι και μονάδεσ μζτρθςθσ. ΡΑΑΜΕΤΟΙ ΕΡΙΦΑΝΕΙΑΣ Συνιςτϊςα U,V του ανζμου ςτα 10m (10 metre U,V wind component) m/s Φψοσ οριακοφ ςτρϊματοσ (Boundary layer height) m Κερμοκραςία ςτα 2m (2 metre temperature) K Ρίεςθ ςτθν μζςθ ςτάκμθ τθσ κάλαςςασ (Mean sea level pressure) Pa Συνολικι ςτιλθ υετίςιμου νεροφ (Total column liquid water) kg/m 2 Επιφανειακι θλιακι ακτινοβολία (Surface solar radiation downwards) Ws/m 2 Συνολικι βροχόπτωςθ (Total precipitation) mm/day ΡΑΑΜΕΤΟΙ ΙΣΟΒΑΙΚΩΝ ΕΡΙΡΕΔΩΝ Αναλογία ανάμιξθσ όηοντοσ (Ozone mass mixing ratio) ppbv Δυνθτικόσ ςτροβιλιςμόσ (Potential vorticity) 10 6 km 2 /kg s =1PVU Ειδικι υγραςία (Specific humidity) kg/kg Γεωδυναμικό φψοσ (Geopotential height) m 2 /s 2 Συνιςτϊςα U,V του ανζμου (U,V velocity) m/s Επίςθσ χρθςιμοποιικθκαν θμεριςια δεδομζνα ςυγκζντρωςθσ του τροποςφαιρικοφ όηοντοσ (Ο 3 ) από το Ευρωπαϊκό Ρρόγραμμα τθλεπιςκόπθςθσ και Αξιολόγθςθσ EMEP (European Monitoring and Evaluation Programme) για τουσ ςτακμοφσ τθσ Φινοκαλιάσ και τθσ Μάλτασ. - 37 -
2.2 Μεκοδολογία Τα αρχικά δεδομζνα αποτελοφν θμεριςιεσ τιμζσ τθσ V (m/s) ςυνιςτϊςασ του ανζμου ςτα 10 m, για ζνα ςθμείο πλζγματοσ (grid) ςτο κεντρικό Αιγαίο, γεωγραφικοφ μικουσ 25,5 και γεωγραφικοφ πλάτουσ 37,5. Τα δεδομζνα κάλυψαν τθν χρονικι περίοδο 1989-2009, ενϊ θ ϊρα λιψθσ των δεδομζνων ζγινε για τισ 12:00 το μεςθμζρι. Θ αρνθτικι τιμι τθσ V ςυνιςτϊςασ ςυμβολίηει τουσ ανζμουσ βόρειασ κατεφκυνςθσ και θ κετικι τιμι αυτοφσ με νότια κατεφκυνςθ. Από τα δεδομζνα αυτά δθμιουργικθκαν δυο ομάδεσ θμερϊν (ιςχυροί και αςκενείσ ετθςίεσ άνεμοι), με τθ βοικεια τθσ περιγραφικισ παραμζτρου percentile, που αναλφονται ςτθ ςυνζχεια. Τα εκατοςτθμόρια (Percentiles) είναι παράμετροι κεντρικισ τάςθσ που χρθςιμοποιοφνται ωσ δείκτεσ απόδοςθσ και παρζχουν πλθροφορίεσ ςχετικά με το πϊσ μια μεταβλθτι ςχετίηεται με τθ ςυνολικι κατανομι. Συγκεκριμζνα k-ποςοςτιαίο ςθμείο ι Pk - εκατοςτθμόριο ενόσ ςυνόλου παρατθριςεων ονομάηεται θ τιμι εκείνθ για τθν οποία το πολφ k% των παρατθριςεων είναι μικρότερεσ του Pk και το πολφ (100-k)% των παρατθριςεων είναι μεγαλφτερεσ από αυτιν. Οι τιμζσ P 1,P 2, P 99 χωρίηουν τθ ςειρά των παρατθριςεων ςε 100 ίςα μζρθ. Μια κατάταξθ εκατοςτθμόριων (percentile rank) χρθςιμοποιείται για να προςδιορίςει τθν αξία και τθ ςχζςθ που ζχει μια ςυγκεκριμζνθ τιμι ςτο ςφνολο τθσ κατανομισ. Ζτςι ςτθν παροφςα εργαςία με βάςθ αυτιν τθν παράμετρο επιλζχκθκαν οι ομάδεσ ιςχυρϊν και αςκενϊν ετθςίων ανζμων. Συγκεκριμζνα για τουσ ιςχυροφσ βόρειουσ ανζμουσ του ςυνόλου των δεδομζνων και για τιμι εκατοςτθμορίου Pk=0,2 εντοπίςτθκε ωσ όριο (threshold) θ τιμι ζνταςθσ ανζμου -10,6 m/s. Άρα ςτθν ομάδα αυτι ανικουν οι «ιςχυροί» ετθςίεσ με τιμζσ ζνταςθσ μεγαλφτερεσ από -10,6 και με ποςοςτό ςυμμετοχισ 20% από το ςφνολο των τιμϊν. Για τουσ αςκενείσ βόρειουσ ανζμουσ του ςυνόλου των δεδομζνων με τιμι του εκατοςτθμορίου Pk=0,8 ορίςτθκε ωσ κριτιριο θ τιμι ζνταςθσ ανζμου - 38 -
-5,2 m/s. Άρα ςτθν ομάδα αυτι ανικουν οι «αςκενείσ» ετθςίεσ με τιμζσ ζνταςθσ μικρότερεσ από -5,2 και με ποςοςτό ςυμμετοχισ 20% από το ςφνολο των τιμϊν. Στον πίνακα 2.2 παρουςιάηονται οι ομάδεσ κακϊσ και ο αρικμόσ των θμερϊν που επιλζχτθκε για κάκε ομάδα. Πίνακας 2.2: Αρικμόσ των θμερϊν που επιλζχτθκε για κάκε ομάδα και τα ποςοςτά ςυμμετοχισ τουσ ςε ςχζςθ με το ςφνολο των βορείων ανζμων (1214 περιπτϊςεισ) και με το ςφνολο των δεδομζνων ΕRA Interim (1302 περιπτϊςεισ). Ιςχυροί Ετθςίεσ Αςκενείσ Ετθςίεσ Ρλικοσ θμερϊν 244 238 Ροςοςτό ςυμμετοχισ (βορείων ανζμων) 20% 20% Ροςοςτό ςυμμετοχισ (ςυνόλου δεδομζνων) 18,75% 18,29% Αφοφ ορίςτθκαν οι 2 ομάδεσ θμερϊν, με τθ βοικεια του λογιςμικοφ πακζτου GRADS (The Grid Analysis and Display System) πραγματοποιικθκε θ προβολι των παραμζτρων ςε μζςουσ επιφανειακοφσ χάρτεσ, ςε μζςουσ χάρτεσ για τα επιλεγμζνα ιςοβαρικά επίπεδα τθσ ατμόςφαιρασ, ςε μζςουσ χάρτεσ οι οποίοι απεικονίηουν τισ διαφορζσ ιςχυρϊν-αςκενϊν ετθςίων και ςε μζςουσ χάρτεσ κατακόρυφθσ τομισ πίεςθσ-γεωγραφικοφ πλάτουσ και μικουσ. Στθ ςυνζχεια επιλζχκθκαν δεδομζνα, για τα ςθμεία πλζγματοσ τεςςάρων αντιπροςωπευτικϊν ςτακμϊν, δφο για τθν ανατολικι Μεςόγειο (Θράκλειο, Λεμεςόσ) και δφο για τθν κεντρικι Ευρϊπθ (Φρανκφοφρτθ, Βιζννθ), (ςχιμα 2.1), με ςκοπό να υπολογιςτοφν οι διαφορζσ ςτισ ςυγκεντρϊςεισ του όηοντοσ κακϊσ και οι ςχετικζσ διαφορζσ αυτϊν ανά ιςοβαρικό επίπεδο, μεταξφ των δφο περιοχϊν. Θ επεξεργαςία ζγινε από τα δεδομζνα του ECMWF για τθν χρονικι περίοδο 1989-2009, για τουσ μινεσ Λοφλιο και Αφγουςτο, ενϊ ακολουκικθκε θ ίδια διαδικαςία για τθν ομαδοποίθςι τουσ (ιςχυροί αςκενείσ ετθςίεσ). - 39 -
Επίςθσ από τα δεδομζνα του ΕΜΕP και του ECMWF για τουσ ςτακμοφσ τθσ Μάλτασ και τθν Φινοκαλιάσ (ςχιμα 2.1) και για τθν χρονικι περίοδο 2001-2005, επιλζχκθκαν οι μζρεσ που αντιςτοιχοφν ςε ιςχυροφσ και αςκενείσ ετθςίεσ ανζμουσ (ςφμφωνα με τθν προθγοφμενθ ομαδοποίθςθ), υπολογίςτθκε ο μζςοσ όροσ του ςυνόλου των θμερϊν κακϊσ και οι διαφορζσ αυτϊν και ζγινε ςφγκριςθ των αποτελεςμάτων για τισ ςυγκεντρϊςεισ τροποςφαιρικοφ όηοντοσ μεταξφ των δφο περιοχϊν. Με ςκοπό να αξιολογθκεί θ ςτατιςτικι ςθμαντικότθτα ςτουσ χάρτεσ των διαφορϊν μεταξφ των δφο ομάδων εφαρμόςτθκε το ttest για τα πεδία του όηοντοσ, του δυνθτικοφ ςτροβιλιςμοφ, τθσ πίεςθσ ςτθ μζςθ ςτάκμθ τθσ κάλαςςασ, του φψουσ του οριακοφ ςτρϊματοσ και τθσ κατερχόμενθσ θλιακισ επιφανειακισ ακτινοβολίασ. Ωσ επίπεδο ςτατιςτικισ ςθμαντικότθτασ επιλζχκθκε το 0,05 (95%) ενϊ θ κρίςιμθ τιμι tvalue βρζκθκε ίςθ με 1,97. 2.3 Ρεριοχι μελζτθσ Ωσ περιοχι μελζτθσ επιλζγεται ο ευρφτεροσ ευρωπαϊκόσ χϊροσ, από 40 ο W ζωσ 60 ο Ε και από 30 ο Ν ζωσ 75 ο Ν, όπωσ φαίνεται και ςτο ςχιμα 2.1. Θ περιοχι μεγαλφτερου ενδιαφζροντοσ βζβαια, είναι θ περιοχι τθσ ανατολικισ Μεςογείου και του Αιγαίου όπου πνζουν οι Ετθςίεσ. Θ επιλογι του ευρφτερου Ευρωπαϊκοφ χϊρου βαςίηεται ςτθν ανάγκθ για τθ μελζτθ των ςυνοπτικϊν και δυναμικϊν καταςτάςεων που επικρατοφν και επθρεάηουν τθν περιοχι τθσ ανατολικισ Μεςογείου. - 40 -
Σχήμα 2.1: Περιοχι μελζτθσ. τον χάρτθ ςθμειϊνονται οι ςτακμοί τθσ Φινοκαλιάσ (κόκκινθ κουκίδα) και τθσ Μάλτασ (μπλε κουκίδα), του Ηρακλείου (κίτρινθ κουκίδα), τθσ Λεμεςοφ (καφζ κουκίδα), τθσ Βιζννθσ (πράςινθ κουκίδα), τθσ Φρανκφοφρτθσ (μωβ κουκίδα). 2.4 Στακμόσ τθσ Φινοκαλιάσ Ο δειγματολθπτικόσ ςτακμόσ τθσ Φινοκαλιάσ ιδρφκθκε το Μάρτιο του 1994 και βρίςκεται ςτθ βόρεια ακτι τθσ νιςου Κριτθσ με γεωγραφικι κζςθ 35 20ϋΝ, 25 40ϋΕ (ςχιμα 2.1). Το πλθςιζςτερο μεγάλο αςτικό κζντρο είναι θ πόλθ του Θρακλείου με πλθκυςμό 150.000 κατοίκουσ και βρίςκεται ςε απόςταςθ 70 Km από τθ Φινοκαλιά. Ο ςτακμόσ είναι εγκατεςτθμζνοσ ςτθν κορυφι ενόσ λόφου με υψόμετρο από τθν επιφάνεια τθσ κάλαςςασ 150 m, ενϊ ζχει προςανατολιςμό προσ τθν κάλαςςα. Το πιο κοντινό χωριό αποτελείται από 10 κατοίκουσ και τοποκετείται ςε απόςταςθ 3 Km νότια του ςτακμοφ ενϊ δεν υπάρχει καμία ανκρϊπινθ δραςτθριότθτα ςε απόςταςθ από αυτόν μικρότερθ των 15 Km. (http://finokalia.chemistry.uoc.gr ). Θ επιλογι τθσ κζςθσ του ςτακμοφ ζγινε με βάςθ το κριτιριο ότι δεν υπάρχει καμία ςθμαντικι πθγι ρφπανςθσ ι κάποιο αςτικό κζντρο ζτςι ϊςτε να μπορεί να μελετθκεί θ μεταφορά μεγάλων αποςτάςεων ατμοςφαιρικϊν ρφπων ςτθν ανατολικι Μεςόγειο. - 41 -
Θ περιοχι όπου είναι εγκατεςτθμζνοσ ο ςτακμόσ χαρακτθρίηεται από δφο καλά κακοριςμζνεσ εποχζσ οι οποίεσ κατανζμονται εξίςου κακ όλθ τθν διάρκεια του χρόνου. Θ μία είναι θ ξθρι περίοδοσ από Απρίλιο ζωσ Σεπτζμβριο και θ υγρι περίοδοσ από Οκτϊβριο ζωσ Απρίλιο. Κατά τθν ξθρι περίοδο, επικρατοφν κυρίωσ άνεμοι (πάνω από 90%) διεφκυνςθσ Β/BA/BΔ (Κεντρικι και Ανατολικι Ευρϊπθ και Βαλκάνια) μεγάλθσ ταχφτθτασ. Κατά τθν υγρι περίοδο παρουςιάηεται φφεςθ των Β/ΒΔ ανζμων, ενϊ λαμβάνει χϊρα ςθμαντικι μεταφορά αερίων μαηϊν από τθ Σαχάρα με ανζμουσ διεφκυνςθσ Ν/ΝΔ (ςυχνότθτα επειςοδίων πάνω από 20%) (Mihalopoulos et al., 1997). Στο διάγραμμα 2.1 φαίνονται τα ποςοςτά τθσ ςυχνότθτα εμφάνιςθσ των ανζμων, ανάλογα με τθν διεφκυνςθ τουσ για το ςτακμό τθσ Φινοκαλιάσ. Διάγραμμα 2.1 : Διάγραμμα ςυχνότθτασ εμφάνιςθσ ανζμων για τθν περίοδο 1997-2006, από τα δεδομζνα του ςτακμοφ τθσ Φινοκαλιάσ. Πθγι: finokalia.chemistry.uoc.gr Στο διάγραμμα 2.2 φαίνεται θ εποχιακι μεταβολι των μζςων μθνιαίων τιμϊν του όηοντοσ με τισ τυπικζσ αποκλίςεισ τουσ, για τθν περίοδο 09/1997 ζωσ 02/2000, για τον ςτακμό τθσ Φινοκαλιάσ. Το μζγιςτο των ςυγκεντρϊςεων του όηοντοσ παρατθρείται κατά τουσ καλοκαιρινοφσ μινεσ - 42 -
(~63 ppbv Ο3) λόγω τθσ φωτοχθμικισ προζλευςθσ ενϊ το ελάχιςτο παρατθρείται του χειμερινοφσ μινεσ (~ 42 ppbv Ο3). Διάγραμμα 2.2 : Εποχιακι μεταβολι των ςυγκεντρϊςεων του όηοντοσ ςτον ςτακμό τθσ Φινοκαλιάσ (μζςεσ μθνιαίεσ τιμζσ για τθ περίοδο 09/1997 ζωσ 02/2000 με τισ τυπικζσ αποκλίςεισ τουσ). Πθγι: finokalia.chemistry.uoc.gr Στο διάγραμμα 2.3 παρουςιάηονται οι μζςεσ εποχιακζσ τιμζσ των ςυγκεντρϊςεων του όηοντοσ για τθν χρονικι περίοδο 1999-2004, με το μζγιςτο να παρατθρείται το καλοκαίρι (~ 47,3 ppbv Ο 3 ). Τζλοσ το διάγραμμα 2.4 παρουςιάηει τισ μζςεσ μθνιαίεσ τιμζσ όηοντοσ για τθν ίδια περίοδο για τον ςτακμό τθσ Φινοκαλιάσ. Το μζγιςτο παρατθρείται τουσ κερινοφσ μινεσ και ςυγκεκριμζνα τον μινα Λοφνιο. (~ 54,6 ppbv Ο 3 ). - 43 -
Συγκεντρϊςεισ Ο 3 ppbv 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 ΜΕΣΕΣ ΕΡΟΧΙΑΚΕΣ ΤΙΜΕΣ Ο3 Χείμωνασ 'Ανοιξθ Καλοκαίρι Φκινόπωρο ΕΡΟΧΕΣ Διάγραμμα 2.3 : Μζςεσ εποχιακζσ τιμζσ για τισ ςυγκεντρϊςεισ του όηοντοσ για τον ςτακμό τθσ Φινοκαλιάσ και για τθν χρονικι περίοδο 1999-2004. 60 Μζςεσ μθνιαίεσ τιμζσ O3 Συγκεντρϊςεισ Ο 3 ppbv 50 40 30 20 10 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Μινεσ Διάγραμμα 2.4 : Μζςεσ μθνιαίεσ τιμζσ για τισ ςυγκεντρϊςεισ του όηοντοσ για τον ςτακμό τθσ Φινοκαλιάσ και για τθν χρονικι περίοδο 1999-2004. 2.5 Στακμόσ τθσ Μάλτασ Ο μετρθτικόσ ςτακμόσ τθσ Μάλτασ βρίςκεται ςτο νθςί Gozo και είναι τοποκετθμζνοσ πάνω ςε ζνα φάρο (Giordan Lighthouse) ςτισ 36 06'N, 14 12'E, ςε φψοσ 167m από τθν επιφάνεια τθσ κάλαςςασ (ςχιμα 2.1) (http://www.um.edu.mt/science/physics/apr/home). Το πλθςιζςτερο αςτικό - 44 -
κζντρο είναι θ πόλθ τθσ Μάλτασ με πλθκυςμό 410.000 κατοίκουσ και βρίςκεται ςε απόςταςθ 5Km από το ςτακμό. Το κλίμα που επικρατεί ςτθν περιοχι είναι τυπικό Μεςογειακό και ο ςτακμόσ είναι εκτεκειμζνοσ ςε ανζμουσ ΒΔ ςυνιςτϊςασ. Θ βλάςτθςθ ςτθν περιοχι είναι αραιι, ενϊ λαμβάνουν χϊρα μικρζσ γεωργικζσ δραςτθριότθτεσ. Ο ςτακμόσ τζκθκε ςε λειτουργία τον Λανουάριο του 1997 και από τότε παρζχει ςυνεχείσ μετριςεισ αεριϊν ιχνϊν, αερολυμάτων, μετεωρολογικϊν παραμζτρων και θφαιςτειακισ ςτάχτθσ. Επίςθσ παρζχει πλθροφορίεσ για τον καιρό, ςε κακθμερινι βάςθ, ςτθν μετεωρολογικι υπθρεςία τθσ Μάλτασ. Στο διάγραμμα 2.5 παρουςιάηεται θ ετιςια διακφμανςθ των ςυγκεντρϊςεων του όηοντοσ για το ςτακμό τθσ Μάλτασ τθ χρονικι περίοδο 1997-2004. Μζγιςτο ςτισ ςυγκεντρϊςεισ παρατθρείται τουσ μινεσ Απρίλιο και Μάιο (~ 57 ppbv), ενϊ το ελάχιςτο παρατθρείται το Δεκζμβριο (~43 ppbv). Διάγραμμα 2.5 : Μζςεσ μθνιαίεσ τιμζσ για τισ ςυγκεντρϊςεισ του όηοντοσ για τον ςτακμό τθσ Μάλτασ και για τθν χρονικι περίοδο 1997-2004. Πθγι: Saliba et. al. (2008). - 45 -
Συχνότθτα 3 ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΑΡΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 3.1 Ρεδίο του ανζμου Στο διάγραμμα 3.1 παρουςιάηεται θ κατανομι ςυχνοτιτων τθσ ζνταςθσ των βορείων ανζμων του ςυνόλου τθσ ςτατιςτικισ ςειράσ (1214 περιπτϊςεισ). Ραρατθρείται ότι από το ςφνολο των περιπτϊςεων το μεγαλφτερο πλικοσ βορείων ανζμων ζχει ταχφτθτεσ μεταξφ 8-11 m/s, ενϊ θ μζςθ τιμι τουσ υπολογίςτθκε ςτα 7,9 m/s και θ διάμεςοσ τουσ ςτα 8,5 m/s. Το διάγραμμα 3.2 απεικονίηει τθν κατανομι ςυχνοτιτων των ιςχυρϊν ετθςίων (244 περιπτϊςεισ), ενϊ διαπιςτϊνεται ότι τα ζτθ 1993, 1996, 2009 περιλαμβάνουν τισ περιςςότερεσ περιπτϊςεισ θμερϊν ιςχυρϊν ετθςίων. Θ ςυχνότθτα των ιςχυρϊν ετθςίων κατά ζτοσ για το μινα Λοφλιο παρουςιάηεται ςτο διάγραμμα 3.3 με μεγαλφτερθ ςυχνότθτα εμφάνιςθσ ιςχυρϊν ετθςίων να κατζχουν τα ζτθ 1996, 2004. Ενϊ αντίςτοιχα θ ςυχνότθτα των ιςχυρϊν ετθςίων κατά ζτοσ για το μινα Αφγουςτο φαίνεται ςτο διάγραμμα 3.4 με μεγαλφτερθ ςυχνότθτα εμφάνιςθσ ιςχυρϊν ετθςίων να ζχουν τα ζτθ 1993, 2006. 200 150 100 50 0 ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΣΥΧΝΟΤΗΤΩΝ ΒΟΕΙΩΝ ΑΝΕΜΩΝ 14,0-15,0 13,0-14,0 12,0-13,0 11,0-12,0 10,0-11,0 9,0-10,0 8,0-9,0 7,0-8,0 6,0-7,0 5,0-6,0 4,0-5,0 3,0-4,0 2,0-3,0 1,0-2,0 0,01-1 Ταχφτθτα m/s Διάγραμμα 3.1: Κατανομι ςυχνοτιτων τθσ ζνταςθσ των βορείων ανζμων του ςυνόλου τθσ ςτατιςτικισ ςειράσ (1214 περιπτϊςεισ). - 46 -
Συχνότθτα Συχνότθτα Συχνότθτα ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΣΥΧΝΟΤΗΤΩΝ ΙΣΧΥΩΝ ΕΤΗΣΙΩΝ ΚΑΤΑ ΕΤΟΣ 25 20 15 10 5 0 2009 2008 2007 2006 2005 2004 2003 2002 2001 2000 1999 1998 1997 1996 1995 1994 1993 1992 1991 1990 1989 Ζτθ Διάγραμμα 3.2: Κατανομι ςυχνοτιτων των ιςχυρϊν ετιςιων (244 περιπτϊςεισ). ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΣΥΧΝΟΤΗΤΩΝ ΙΣΧΥΩΝ ΕΤΗΣΙΩΝ -ΙΟΥΛΙΟΣ ΚΑΤΑ ΕΤΟΣ 14 12 10 8 6 4 2 0 2009 2008 2007 2006 2005 2004 2003 2002 2001 2000 1999 1998 1997 1996 1995 1994 1993 1992 1991 1990 1989 Ζτθ Διάγραμμα 3.3: Κατανομι ςυχνοτιτων των ιςχυρϊν ετιςιων κατά ζτοσ για τον μινα Ιοφλιο. ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΣΥΧΝΟΤΗΤΩΝ ΙΣΧΥΩΝ ΕΤΗΣΙΩΝ -ΑΥΓΟΥΣΤΟΣ ΚΑΤΑ ΕΤΟΣ 14 12 10 8 6 4 2 0 2009 2008 2007 2006 2005 2004 2003 2002 2001 2000 1999 1998 1997 1996 1995 1994 1993 1992 1991 1990 1989 Ζτθ Διάγραμμα 3.4 Κατανομι ςυχνοτιτων των ιςχυρϊν ετιςιων κατά ζτοσ για τον μινα Αφγουςτο. - 47 -
Ένταση ανέμου V m/s Τζλοσ ςτο διάγραμμα 3.5 απεικονίηεται θ κατανομι τθσ V ςυνιςτϊςασ του ςυνόλου των δεδομζνων. Οι αρνθτικζσ τιμζσ αντιςτοιχοφν ςε ανζμουσ βόρειασ ςυνιςτϊςασ ενϊ οι κετικζσ τιμζσ ςε ανζμουσ νότιασ ςυνιςτϊςασ. Και εδϊ το πλικοσ των περιπτϊςεων αντιςτοιχεί ςε τιμζσ ανζμου βόρειασ ςυνιςτϊςασ. ΚΑΤΑΝΟΜΗ V ΣΥΝΙΣΤΩΣΑΣ ΑΝΕΜΟΥ 15 10 5 0-5 -10-15 -20-25 Ημέρες Διάγραμμα 3.5: Διάγραμμα κατανομισ τθσ V ςυνιςτϊςασ του ςυνόλου των δεδομζνων. Οι αρνθτικζσ τιμζσ αντιςτοιχοφν ςε ανζμουσ βόρειασ ςυνιςτϊςασ ενϊ οι κετικζσ τιμζσ ςε ανζμουσ νότιασ ςυνιςτϊςασ. Στο Σχιμα 3.1, παρουςιάηονται οι μζςοι χάρτεσ τθσ ταχφτθτασ του ανζμου για τουσ ιςχυροφσ και αςκενείσ ετθςίεσ. Χαρακτθριςτικό για τον χάρτθ των ιςχυρϊν ετθςίων αποτελεί θ φπαρξθ ενόσ βόρειου ρεφματοσ που πνζει πάνω από το Αιγαίο, με διεφκυνςθ κυρίωσ βορειοανατολικι ςτο βόρειο Αιγαίο, βόρεια ςτο κεντρικό και νότιο Αιγαίο, και τείνει να γίνει νοτιοδυτικι κοντά ςτα νότια παράλια τθσ Τουρκίασ. Θ ταχφτθτα του ανζμου παρουςιάηει αφξθςθ από βορρά προσ νότο κατά μικοσ του Αιγαίου με τισ μεγαλφτερεσ τιμζσ που κυμαίνονται μεταξφ 10-12 ms -1, να εντοπίηονται κυρίωσ ςτο νοτιοανατολικό Αιγαίο και ςτο λιβυκό πζλαγοσ. Στον χάρτθ των αςκενϊν ετθςίων ο άνεμοσ είναι εμφανϊσ πιο εξαςκενθμζνοσ ωσ προσ τθν ζνταςθ (3-5ms -1 ) ςτθν περιοχι του Αιγαίου, ενϊ παρουςιάηει βορειοανατολικι - 48 -
διεφκυνςθ ςτο βόρειο Αιγαίο και ζπειτα ςτρζφεται βορειοδυτικά ςτο κεντρικό και νότιο Αιγαίο. Σχήμα 3.1: Μζςοι χάρτεσ τθσ ταχφτθτασ του ανζμου ςτα 10 m (vectors) για τουσ ιςχυροφσ και αςκενείσ ετθςίεσ ανζμουσ και για τθν περίοδο Ιοφλιοσ Αφγουςτοσ, 1989-2009. Επίςθσ δεν είναι εμφανισ ο βόρειοσ τομζασ που πνζει πάνω από το κεντρικό Αιγαίο όπωσ ςτθν περίπτωςθ των ιςχυρϊν ετθςίων. Οι μεγαλφτερεσ τιμζσ ςτθν ταχφτθτα ανζρχονται ςτα 6-8 ms -1 ανατολικά τθσ Κριτθσ. και εντοπίηονται νότια και Στο ςχιμα 3.2 παρουςιάηεται ο μζςοσ χάρτθσ τθσ V ςυνιςτϊςασ του ανζμου για τουσ ιςχυροφσ και τουσ αςκενείσ ετθςίεσ. Χαρακτθριςτικοί είναι οι ιςχυροί άνεμοι βόρειασ ςυνιςτϊςασ με ταχφτθτα <-10 ms -1 που πνζουν πάνω από το Αιγαίο για τθν ομάδα των ιςχυρϊν ετθςίων ανζμων. Στουσ αςκενείσ ετθςίεσ θ ζνταςθ τθσ βόρειασ ςυνιςτϊςασ εξαςκενεί ςθμαντικά (<-4 ms -1 ). - 49 -
Σχήμα 3.2: Μζςοι χάρτεσ τθσ V ςυνιςτϊςασ του ανζμου ςτα 1000 mb για τουσ ιςχυροφσ και αςκενείσ ετθςίεσ και για τθν περίοδο Ιοφλιοσ Αφγουςτοσ, 1989-2009. Στα ςχιματα 3.3 και 3.4 παρουςιάηονται οι μζςοι χάρτεσ του είδουσ του ςτροβιλιςμοφ του ανζμου (U,V ςυνιςτϊςεσ τθσ ταχφτθτασ ςε ρευματογραμμζσ) για τουσ ιςχυροφσ και αςκενείσ ετθςίεσ, για τα 1000 και 850 mb. Συγκεκριμζνα απεικονίηεται θ ςτροβιλϊδθσ ροι τθσ κίνθςθσ του ανζμου. Σχήμα 3.3: Μζςοι χάρτεσ ρευματογραμμϊν των U,V ςυνιςτωςϊν του ανζμου ςτα 1000 mb (streamlines) για τουσ ιςχυροφσ και αςκενείσ ετθςίεσ ανζμουσ και για τθν περίοδο Ιοφλιοσ Αφγουςτοσ, 1989-2009. Με τα κυανά χρϊματα εμφανίηονται οι άνεμοι που ακολουκοφν αριςτερόςτροφθ φορά (κυκλωνικι) και ζχουν κετικό ςτροβιλιςμό ενϊ με ερυκρά χρϊματα, αυτοί που ακολουκοφν δεξιόςτροφθ φορά (αντικυκλωνικι) με αρνθτικό ςτροβιλιςμό. Στον μζςο χάρτθ των ιςχυρϊν ετθςίων, ςτα 1000 mb, είναι φανερι θ φπαρξθ δφο ςυςτθμάτων, ενόσ αντικυκλϊνα ςτθν - 50 -
κεντρικι Ευρϊπθ και ςτα βαλκάνια, το κζντρο του οποίου τοποκετείται ςτθν κεντρικι Ευρϊπθ και ενόσ κυκλωνικοφ ςυςτιματοσ πάνω ςτθν περιοχι τθσ Μικράσ Αςίασ. Σχήμα 3.4: Μζςοι χάρτεσ ρευματογραμμϊν των U,V ςυνιςτωςϊν του ανζμου ςτα 850 mb (streamlines) για τουσ ιςχυροφσ και αςκενείσ ετθςίεσ ανζμουσ και για τθν περίοδο Ιοφλιοσ Αφγουςτοσ, 1989-2009. Τα δφο ςυςτιματα όπωσ ιταν αναμενόμενο ενιςχφουν τουσ ετθςίεσ. Τα ςυςτιματα αυτά είναι αποδυναμωμζνα ςτον χάρτθ των αςκενϊν ετθςίων. Θ ίδια εικόνα φαίνεται να ιςχφει και ςτα 850 mb. Ραράλλθλα ςτα ςχιματα 3.5-3.7 παρουςιάηεται το είδοσ του ςτροβιλιςμοφ ςτθν μζςθ τροπόςφαιρα για τα 500, 400 και 250 mb. Σχήμα 3.5: Μζςοι χάρτεσ ρευματογραμμϊν των U,V ςυνιςτωςϊν του ανζμου ςτα 500 mb (streamlines) για τουσ ιςχυροφσ και αςκενείσ ετθςίεσ ανζμουσ και για τθν περίοδο Ιοφλιοσ Αφγουςτοσ, 1989-2009. - 51 -
Στον χάρτθ των 500 mb ςτθν περιοχι τθσ ανατολικισ Μεςογείου παρατθρείται κετικόσ ςτροβιλιςμόσ που ςυνδζεται με ιςχυρι διάτμθςθ τθσ ταχφτθτασ του ανζμου. Στθν ανϊτερθ τροπόςφαιρα και ςτουσ χάρτεσ των ιςχυρϊν ετθςίων παρατθρείται ιςχυρι καμπυλότθτα των ρευματογραμμϊν και αντικυκλωνικι ζξαρςθ που επεκτείνεται από τισ Αηόρεσ προσ τθν κεντρικι Ευρϊπθ και τα Βαλκάνια. Σε αντίκεςθ ζρχονται οι χάρτεσ των αςκενϊν ετθςίων όπου θ πορεία των ρευματογραμμϊν είναι ομαλι (ηωνικι). Σχήμα 3.6: Μζςοι χάρτεσ ρευματογραμμϊν των U,V ςυνιςτωςϊν του ανζμου για τα 400 mb (streamlines) για τουσ ιςχυροφσ και αςκενείσ ετθςίεσ ανζμουσ και για τθν περίοδο Ιοφλιοσ Αφγουςτοσ, 1989-2009. Σχήμα 3.7: Μζςοι χάρτεσ ρευματογραμμϊν των U,V ςυνιςτωςϊν του ανζμου ςτα 250 mb (streamlines) για τουσ ιςχυροφσ και αςκενείσ ετθςίεσ ανζμουσ και για τθν περίοδο Ιοφλιοσ Αφγουςτοσ, 1989-2009. - 52 -
3.2 Ρίεςθ ςτθν μζςθ ςτάκμθ τθσ κάλαςςασ Οι χάρτεσ του ςχιματοσ 3.8 παρουςιάηουν τθ μζςθ ατμοςφαιρικι πίεςθ ςτθ ςτάκμθ τθσ κάλαςςασ για τουσ ιςχυροφσ και αςκενείσ ετθςίεσ ανζμουσ και τισ διαφορζσ αυτϊν αντίςτοιχα. Σχήμα 3.8: Μζςοι χάρτεσ τθσ πίεςθσ ςτθν μζςθ ςτάκμθ τθσ κάλαςςασ, για τουσ ιςχυροφσ και αςκενείσ ετθςίεσ ανζμουσ και των διαφορϊν τουσ, για τθν περίοδο Ιοφλιοσ Αφγουςτοσ, 1989-2009. Οι γραμμζσ δείχνουν τισ ςτατιςτικά ςθμαντικζσ διαφορζσ. Στον χάρτθ των ιςχυρϊν ετθςίων μπορεί να διαπιςτωκεί το κζντρο των υψθλϊν πιζςεων που τοποκετείται ςτθ βόρεια Βαλκανικι χερςόνθςο και ςτθν κεντρικι Ευρϊπθ με τιμζσ πίεςθσ να αγγίηουν τα 1018 hpa. Ενϊ φαίνεται θ προζκταςθ του αντικυκλϊνα των Αηόρων να φτάνει μζχρι τθν δυτικι ωςία. Το υψθλό ςφςτθμα ζρχεται ςε ςυνδυαςμό με ζνα χαμθλό ςφςτθμα που - 53 -
λαμβάνει χϊρα ςτο Λράκ και τθ Συρία, το χαμθλό του Ρακιςτάν, με τιμζσ πίεςθσ 998 hpa. Συγκεκριμζνα το υψθλό ςφςτθμα εκτείνεται από 7 Ε ζωσ 27 Ε και 45 Ν ζωσ 50 Ν ενϊ το χαμθλό από 38 Ε ζωσ 50 Ε και 25 Ν ζωσ 38.5 Ν. Στον χάρτθ των αςκενϊν ετθςίων το ςφςτθμα των υψθλϊν πιζςεων δεν ζχει επεκτακεί προσ τα ανατολικά και το κζντρο του εντοπίηεται πάνω από τθ Γαλλία και το Βιςκαϊκό κόλπο και το χαμθλό ςφςτθμα εντοπίηεται ανατολικά με το κζντρο του να τοποκετείται πάνω από το Λράκ και τον Ρερςικό κόλπο. Θ μεγαλφτερθ διαφορά των πιζςεων, θ οποία είναι και ςτατιςτικά ςθμαντικι, αγγίηει τα 7hPa και παρατθρείται βορειοανατολικά τθσ Βαλκανικισ χερςονιςου. Θ αφξθςθ τθσ πίεςθσ ςτθ Βαλκανικι χερςόνθςο οδθγεί και ςτθν ενίςχυςθ των ετθςιϊν. 3.3 Βροχόπτωςθ Θ παράμετροσ τθσ βροχόπτωςθσ υπολογίηεται από το μοντζλο ωσ το άκροιςμα τθσ βροχόπτωςθσ εξαιτίασ τθσ κατακόρυφθσ μεταφοράσ και τθσ υφεςιακισ βροχόπτωςθσ. Θ μελζτθ τθσ βροχόπτωςθσ είναι ςθμαντικι κακϊσ μπορεί να ζχει μεγάλεσ επιπτϊςεισ ςτθν ποιότθτα του αζρα. Μπορεί να προκαλζςει απόπλυςθ τθσ ατμόςφαιρασ και να αφαιρζςει ρφπουσ από αυτιν μζςω τθσ υγρισ εναπόκεςθσ. Ωςτόςο τθν κερμι περίοδο ςτθν περιοχι του Αιγαίου όταν πνζουν οι ετθςίεσ άνεμοι υπάρχει ξθραςία και απουςία βροχόπτωςθσ. Το γεγονόσ αυτό αποδεικνφεται από τουσ χάρτεσ του ςχιματοσ 3.9 που απεικονίηουν τθν μζςθ βροχόπτωςθ, για τουσ ιςχυροφσ και αςκενείσ ετθςίεσ αντίςτοιχα και τισ διαφορζσ αυτϊν. Ζτςι παρατθρείται απουςία βροχόπτωςθσ ι πολφ μικρά φψθ ςτο Αιγαίο όταν πνζουν ιςχυροί ετθςίεσ, ενϊ όταν πνζουν αςκενείσ ετθςίεσ παρατθροφνται δφο κζντρα με φψθ βροχόπτωςθσ ~3-4 mm/day ςτισ περιοχζσ τθσ Αυςτρίασ και τθσ ουμανίασ. Μάλιςτα ςτον χάρτθ των διαφορϊν παρατθρείται αρνθτικι διαφορά τθσ τάξθσ του -2,5 mm/day ςτθ Βαλκανικι χερςόνθςο και ςτθν ανατολικι Ευρϊπθ. Οι υψθλζσ πιζςεισ που επικρατοφν ςτισ περιοχζσ αυτζσ (1018 hpa, ςχιμα 3.8) ζχουν ωσ αποτζλεςμα τθν ανάπτυξθ ζντονων κακοδικϊν κινιςεων - 54 -
μζςα ςτθν ατμόςφαιρα, τθν νεφοδιάλυςθ και άρα τθν απουςία βροχόπτωςθσ όταν πνζουν ιςχυροί ετθςίεσ. Σχήμα 3.9: Μζςοι χάρτεσ βροχόπτωςθσ, για τουσ ιςχυροφσ, τουσ αςκενείσ ετθςίεσ ανζμουσ και των διαφορϊν τουσ, για τθν περίοδο Ιοφλιοσ Αφγουςτοσ, 1989-2009. 3.4 Κατερχόμενθ επιφανειακι θλιακι ακτινοβολία Αξίηει να ςθμειωκεί ότι, θ θλιακι ακτινοβολία αποτελεί ζναν ςθμαντικό προγνωςτικό παράγοντα, των ςυγκεντρϊςεων του όηοντοσ. Από τθν μια πλευρά θ θλιακι ακτινοβολία είναι θ βαςικι κινθτιρια δφναμθ των φωτοχθμικϊν αντιδράςεων οδθγϊντασ ςε παραγωγι του όηοντοσ από τισ πρόδρομεσ του ουςίεσ (NOx, υδρογονανκράκων και ιδίωσ μζςω τθσ φωτόλυςθσ του NO 2 με θλιακι UV ακτινοβολία ςτθν κατϊτερθ ατμόςφαιρα) (Feister and Balzer 1990), και από τθν άλλθ πλευρά επθρεάηει τθν κάκετθ ανάμιξθ και επομζνωσ, τθν αραίωςθ των ρφπων, οδθγϊντασ ςε χαμθλότερουσ ρυκμοφσ καταςτροφισ του όηοντοσ. Επιπλζον, υψθλότερεσ τιμζσ τθσ θλιακισ - 55 -
ακτινοβολίασ εμφανίηονται κυρίωσ κατά τθ διάρκεια ςυνκθκϊν όπου επικρατοφν υψθλζσ πιζςεισ. Μπορεί να υποτεκεί ότι αυτι θ αυξθμζνθ κάκετθ ανάμιξθ ενιςχφει τθ μεταφορά αερίων μαηϊν πλοφςιων ςε όηον από το οριακό ςτρϊμα ι ακόμθ και από τθν ελεφκερθ τροπόςφαιρα, ςτο ςτρϊμα ανάμειξθσ, τουλάχιςτον κατά τθ διάρκεια τθσ θμζρασ. Οι χάρτεσ του ςχιματοσ 3.10 παρουςιάηουν τισ μζςεσ θμεριςιεσ τιμζσ τθσ κατερχόμενθσ θλιακισ ακτινοβολίασ που ειςζρχεται ςτθν επιφάνεια όταν πνζουν ιςχυροί και αςκενείσ ετθςίεσ κακϊσ και τισ διαφορζσ αυτϊν. Σχήμα 3.10: Μζςοσ χάρτθσ κατερχόμενθσ θλιακισ ακτινοβολίασ για τουσ ιςχυροφσ, τουσ αςκενείσ ετθςίεσ ανζμουσ και των διαφορϊν τουσ, για τθν περίοδο Ιοφλιοσ Αφγουςτοσ, 1989-2009. Οι γραμμζσ δείχνουν τισ ςτατιςτικά ςθμαντικζσ διαφορζσ. Από τουσ χάρτεσ των ιςχυρϊν και αςκενϊν ετθςίων, για τθν περιοχι τθσ Ελλάδασ, διαπιςτϊνεται ότι οι ετθςίεσ δεν επθρεάηουν τθν κατανομι τθσ κατερχόμενθσ θλιακισ ακτινοβολίασ που ςυςςωρεφεται ςτο ζδαφοσ (18- - 56 -
20MJ/m 2 ) κακϊσ παρατθροφνται ελάχιςτεσ διαφορζσ μεταξφ αυτϊν. Στον χάρτθ των διαφορϊν, ςτατιςτικά ςθμαντικζσ διαφορζσ, με κετικζσ τιμζσ τθσ τάξθσ των 3-4 ΜJ/m 2 παρατθροφνται βόρεια τθσ Ελλάδασ ςτθν περιοχι τθσ Βαλκανικισ χερςονιςου και τθσ ανατολικισ Ευρϊπθσ. Το γεγονόσ αυτό ζρχεται ςε πλιρθ ςυμφωνία με τισ υψθλζσ πιζςεισ που επικρατοφν ςτισ περιοχζσ αυτζσ (ςχιμα 3.8). Επίςθσ ςτθν περιοχι τθσ ανατολικισ Μεςογείου θ κατερχόμενθ θλιακι ακτινοβολία παρουςιάηει αυξθμζνεσ τιμζσ τθσ τάξθσ του 18-20 ΜJ/m 2, οδθγϊντασ ςε αφξθςθ τθσ φωτοχθμικισ παραγωγισ του όηοντοσ ςτθν περιοχι. Ενϊ θ θλιακι ακτινοβολία κακορίηει τθν παραγωγι Ο 3, επθρεάηοντασ τον ρυκμό φωτόλυςθσ των NOx, θ κερμοκραςία του αζρα επθρεάηει το όηον αλλάηοντασ τισ βιογενείσ εκπομπζσ και τθ μετατροπι μεταξφ NOx και PAN (Jacob et al. 1993). Οι διαδικαςίεσ ανάμιξθσ και οριηόντιασ μεταφοράσ μπορεί να αποδυναμϊςουν το όηον και τισ πρόδρομεσ ενϊςεισ του, επθρεάηοντασ ζτςι τον ςχθματιςμό και τισ ςυγκεντρϊςεισ του όηοντοσ. Μελζτεσ ζχουν δείξει πωσ οι αλλαγζσ ςτθν προσ τα κάτω επιφανειακι θλιακι ακτινοβολία ακολουκοφν με ςχετικι ακρίβεια τθν χωρικι κατανομι τθσ αλλαγισ κερμοκραςίασ (Leung and Gustafson 2005). 3.5 Θερμοκραςία ςτα 2 m Στο ςχιμα 3.11 παρουςιάηονται οι μζςοι χάρτεσ θμεριςιασ κερμοκραςίασ ςτα 2m για τθν περιοχι τθσ Ελλάδασ για τουσ ιςχυροφσ, τουσ αςκενείσ ετθςίεσ και τισ διαφορζσ τουσ. Στον χάρτθ των ιςχυρϊν ετθςίων θ κερμοκραςία του αζρα ςτο Αιγαίο πζλαγοσ φτάνει τουσ 27 C και ςτον χάρτθ των αςκενϊν τουσ 28 C. Ππωσ προκφπτει και από τον χάρτθ των διαφορϊν, παρατθρείται πτϊςθ τθσ κερμοκραςίασ κατά 1 C μεταξφ των δυο ομάδων θμερϊν. Επίςθσ ςτθ Βαλκανικι χερςόνθςο και τθν κεντρικι και ανατολικι Ευρϊπθ ςθμειϊνεται αφξθςθ τθσ κερμοκραςίασ κατά 4-5 C και 3-4 C αντίςτοιχα. Θ ςυγκεκριμζνθ αφξθςθ οφείλεται ςτθν προζκταςθ του - 57 -
αντικυκλϊνα των Αηόρων με αποτζλεςμα να επικρατοφν μεγάλεσ πιζςεισ πάνω από τισ περιοχζσ αυτζσ. Σχήμα 3.11: Μζςοι χάρτεσ κερμοκραςίασ ςτα 2 m, για τουσ ιςχυροφσ, τουσ αςκενείσ ετθςίεσ και των διαφορϊν τουσ, για τθν περίοδο Ιοφλιοσ Αφγουςτοσ, 1989-2009. Ραράλλθλα, όταν πνζουν ιςχυροί ετθςίεσ άνεμοι, διαπιςτϊκθκε αφξθςθ ςτθν κατερχόμενθ θλιακι ακτινοβολία και ςτθν πίεςθ τθσ μζςθσ ςτάκμθσ τθσ κάλαςςασ, για τθν περιοχι τθσ Βαλκανικισ χερςονιςου και τθν ανατολικι Ευρϊπθ, μάλιςτα υπάρχει πλιρθ ςυμφωνία με τουσ χάρτεσ των διαφορϊν για τθν πίεςθ ςτθν μζςθ ςτάκμθ τθσ κάλαςςασ και τθσ κατερχόμενθσ θλιακισ ακτινοβολίασ (ςχιματα 3.8 και 3.10 αντίςτοιχα). Τζλοσ ςτθν κεντρικι Τουρκία παρατθρείται μείωςθ τθσ τάξθσ των 4-5 C λόγω επίδραςθσ του χαμθλοφ του Ρακιςτάν. - 58 -
3.6 Ειδικι υγραςία-γεωδυναμικό φψοσ Θ ειδικι υγραςία παρουςιάηει μζγιςτο ςτουσ τροπικοφσ και μειϊνεται, προσ τουσ πόλουσ λαμβάνοντασ ελάχιςτεσ τιμζσ ςε κάκε πολικι περιοχι. Στθν κακ φψοσ κατανομι τθσ, θ ατμοςφαιρικι ειδικι υγραςία εμφανίηει ζνα χαρακτθριςτικό κάκετο προφίλ λαμβάνοντασ μζγιςτεσ τιμζσ ςτα χαμθλότερα επίπεδα και παρουςιάηει αξιοςθμείωτθ μείωςθ με το φψοσ. Κατά ςυνζπεια, ο αζρασ πάνω από τθν τροπόπαυςθ είναι ςχεδόν ξθρόσ. Θ ειδικι υγραςία ςυχνά χρθςιμοποιείται για τθν παρακολοφκθςθ των αερίων μαηϊν. Αποτελεί μια διατθριςιμθ ποςότθτα, και θ τιμι τθσ παραμζνει ςτακερι κακϊσ θ αζρια μάηα υφίςταται αλλαγζσ ςτθν κερμοκραςία και τθν πυκνότθτα. Αλλάηει μόνο ςτθν περίπτωςθ που λάβει χϊρα εξάτμιςθ ι ςυμπφκνωςθ ςτθ αζρια μάηα. Επίςθσ αποτελεί και ζναν ιχνθκζτθ για τθ ςτρατοςφαιρικι προζλευςθ των αερίων μαηϊν κακϊσ ο ςτρατοςφαιρικόσ αζρασ είναι ιδιαίτερα ξθρόσ. Ζτςι θ μελζτθ τθσ ειδικισ υγραςίασ κακίςταται ςθμαντικι. Στουσ χάρτεσ του ςχιματοσ 3.12 παρουςιάηεται θ ειδικι υγραςία και το γεωδυναμικό φψοσ ςτα 1000mbar, για τισ ομάδεσ των ιςχυρϊν, αςκενϊν ετθςίων και για τισ διαφορζσ αυτϊν. Στον χάρτθ των ιςχυρϊν ετθςίων, θ κατανομι τθσ ειδικισ υγραςίασ παρουςιάηει μικρότερεσ τιμζσ ςτα ανϊτερα γεωγραφικά πλάτθ (7-9 g/kg) ςθμειϊνοντασ αφξθςθ ςτα μζςα γεωγραφικά πλάτθ (10-12 g/kg) με τισ μζγιςτεσ τιμζσ να παρουςιάηονται ςτθν Μεςόγειο (15-17 g/kg). Αξιοςθμείωτο είναι το μζγιςτο που παρατθρείται ςτθν ανατολικι μεςόγειο με τιμζσ που ανζρχονται ςτα 17-18 g/kg. Στον χάρτθ των αςκενϊν ετθςίων, οι μζγιςτεσ τιμζσ παρατθροφνται και εδϊ ςτθν ανατολικι μεςόγειο 16-17 g/kg. Θ επιφανειακι ειδικι υγραςία είναι αυξθμζνθ ςτθν ανατολικι Μεςόγειο λόγω τθσ επζκταςθσ του χαμθλοφ του Ρακιςτάν. Ραράλλθλα ςτον χάρτθ των ιςχυρϊν ετθςίων ςτθν περιοχι του Αιγαίου παρατθροφνται μεγάλεσ τιμζσ γεωδυναμικοφ φψουσ που ανζρχονται 90-120 m, ενϊ πιο - 59 -
χαμθλζσ τιμζσ παρουςιάηει ο χάρτθσ των αςκενϊν ετθςίων με τιμζσ που ανζρχονται ςτα 60-90 m. Σχήμα 3.12: Μζςοι χάρτεσ ειδικισ υγραςίασ (ζγχρωμο) και γεωδυναμικοφ φψουσ (ιςοχψείσ) ςτα 1000 mb για τουσ ιςχυροφσ, τουσ αςκενείσ ετθςίεσ και τισ διαφορζσ αυτϊν, για τθν περίοδο Ιοφλιοσ Αφγουςτοσ, 1989-2009. Στον χάρτθ των διαφορϊν θ ειδικι υγραςία παρουςιάηει αρνθτικζσ διαφορζσ που ανζρχονται ςτα 2-3 g/kg, ενϊ το γεωδυναμικό φψοσ παρουςιάηει κετικζσ διαφορζσ που ανζρχονται ςτα 30 m. Χαρακτθριςτικό ςτον χάρτθ των διαφορϊν είναι θ περιοχι τθσ βορειοανατολικισ βαλκανικισ χερςονιςου όπου ςθμειϊνονται οι υψθλότερεσ αρνθτικζσ διαφορζσ τθσ ειδικισ υγραςίασ (3 g/kg), ενϊ το γεωδυναμικό φψοσ παρουςιάηει κετικζσ διαφορζσ που ανζρχονται ςτα 60 m. Στθ ςυνζχεια παρουςιάηονται ςτο ςχιμα 3.13 θ ειδικι υγραςία και το - 60 -
γεωδυναμικό φψοσ ςτα 850 mb. Θ ειδικι υγραςία παρουςιάηει χαμθλότερεσ τιμζσ πάνω από το Αιγαίο όταν πνζουν ιςχυρζσ ετθςίεσ (4-5 g/kg) ςε ςχζςθ με τισ θμζρεσ που πνζουν αςκενείσ ετθςίεσ (6-7 g/kg). Οι διαφορζσ ανζρχονται ςτο 1 g/kg. Στο χάρτθ των ιςχυρϊν ετθςίων ςτθν περιοχι του Αιγαίου οι τιμζσ γεωδυναμικοφ φψουσ ανζρχονται ςτα 1520 m, ενϊ πιο χαμθλζσ τιμζσ παρουςιάηει ο χάρτθσ των αςκενϊν ετθςίων με τιμζσ που ανζρχονται ςτα 1500 m. Θ διαφορά ανζρχεται ςτα 20 m, όπωσ υποδεικνφει ο χάρτθσ των διαφορϊν 3.13β, ενϊ θ περιοχι τθσ βόρειασ βαλκανικισ χερςονιςου παρουςιάηει υψθλι κετικι διαφορά που αγγίηει τα 50 m. Σχήμα 3.13: Μζςοι χάρτεσ ειδικισ υγραςίασ (ζγχρωμο) και γεωδυναμικοφ φψουσ (ιςοχψείσ) ςτα 850 mb για τουσ ιςχυροφσ, τουσ αςκενείσ ετθςίεσ και τισ διαφορζσ αυτϊν, για τθν περίοδο Ιοφλιοσ Αφγουςτοσ, 1989-2009. 61
Στα ςχιματα 3.14 και 3.15 παρουςιάηεται θ ειδικι υγραςία και το γεωδυναμικό φψοσ για τισ επιλεγμζνεσ ομάδεσ των ιςχυρϊν και αςκενϊν ετθςίων κακϊσ και οι διαφορζσ τουσ ςτα ιςοβαρικά επίπεδα των 700 και 500 mb. Σχήμα 3.14: Μζςοι χάρτεσ ειδικισ υγραςίασ (ζγχρωμο) και γεωδυναμικοφ φψουσ (ιςοχψείσ) ςτα 700 mb για τουσ ιςχυροφσ, τουσ αςκενείσ ετθςίεσ και τισ διαφορζσ αυτϊν, για τθν περίοδο Ιοφλιοσ Αφγουςτοσ, 1989-2009. Χαρακτθριςτικι είναι θ περιοχι τθσ ανατολικισ Μεςογείου, όπου θ ειδικι υγραςία παρουςιάηει πολφ μικρζσ τιμζσ τθσ τάξθσ του 1-2 g/kg, ενϊ δεν παρατθρείται διαφορά μεταξφ των δφο ομάδων θμερϊν. Αντίςτοιχα ςε κάκε ιςοβαρικό επίπεδο παρατθρείται διαφορά γεωδυναμικοφ φψουσ 20m μεταξφ των δφο ομάδων. Ενϊ θ διαφορά ςτθ βόρεια βαλκανικι χερςόνθςο - 62 -
ενιςχφεται κακ φψοσ (70m) καταλαμβάνοντασ μεγαλφτερθ γεωγραφικι ζκταςθ. Στον χάρτθ των 500 mbar για τισ ιςχυρζσ ετθςίεσ χαρακτθριςτικόσ είναι ο αυλϊνασ που τοποκετείται ανατολικά τθσ Ελλάδασ. Σχήμα 3.15: Μζςοι χάρτεσ ειδικισ υγραςίασ (ζγχρωμο) και γεωδυναμικοφ φψουσ (ιςοχψείσ) ςτα 500 mb για τουσ ιςχυροφσ, τουσ αςκενείσ ετθςίεσ και τισ διαφορζσ αυτϊν, για τθν περίοδο Ιοφλιοσ Αφγουςτοσ, 1989-2009. Στα υψθλοτζρα ιςοβαρικά επίπεδα των 400 και 250 mb θ ειδικι υγραςία λαμβάνει τισ μικρότερεσ τιμζσ ςτθν ανατολικι Μεςόγειο, ωσ ζνδειξθ ειςόδου ξθροφ ςτρατοςφαιρικοφ αζρα όπωσ υποδεικνφουν τα ςχιματα 3.16 και 3.17. Ρεραιτζρω ανάλυςθ τθσ ειδικισ υγραςίασ γίνεται ςτουσ χάρτεσ κατακόρυφθσ τομισ πίεςθσ-γεωγραφικοφ μικουσ και πλάτουσ. - 63 -
Σχήμα 3.16: Μζςοι χάρτεσ ειδικισ υγραςίασ (ζγχρωμο) και γεωδυναμικοφ φψουσ (ιςοχψείσ) ςτα 400 mb για τουσ ιςχυροφσ, τουσ αςκενείσ ετθςίεσ και τισ διαφορζσ αυτϊν, για τθν περίοδο Ιοφλιοσ Αφγουςτοσ, 1989-2009. Πςο αναφορά το γεωδυναμικό φψοσ και ςτα δφο ιςοβαρικά επίπεδα οι ιςοχψείσ παρουςιάηουν ιςχυρι καμπυλότθτα ςτθν ομάδα των ιςχυρϊν ετθςίων, ενϊ θ μορφι των ιςοχψϊν όταν πνζουν αςκενείσ ετθςίεσ είναι ομαλι. Τζλοσ οι μεγαλφτερεσ διαφορζσ μεταξφ ιςχυρϊν και αςκενϊν ετθςίων ανζρχονται ςτα 80-100m και εντοπίηονται ςτθ βορειοδυτικι περιοχι των Βαλκανίων και ςτθ βόρεια Λταλία. - 64 -
Σχήμα 3.17: Μζςοι χάρτεσ ειδικισ υγραςίασ (ζγχρωμο) και γεωδυναμικοφ φψουσ (ιςοχψείσ) ςτα 250 mb για τουσ ιςχυροφσ, τουσ αςκενείσ ετθςίεσ και τισ διαφορζσ αυτϊν, για τθν περίοδο Ιοφλιοσ Αφγουςτοσ, 1989-2009. 3.7 Υποτροπικόσ αεροχείμαρροσ Στο ςχιμα 3.18 παρουςιάηεται το γεωδυναμικό φψοσ κακϊσ και το πεδίο τθσ οριηόντιασ ςυνιςτϊςασ του ανζμου ςτα 250 mb για τισ δφο ομάδεσ των θμερϊν με ςκοπό να εντοπιςτεί θ κζςθ του αεροχειμάρρου. Στον χάρτθ των ιςχυρϊν ετθςίων, ο αεροχείμαρροσ εντοπίηεται ςτθν ανατολικι πλευρά του αυλϊνα, θ είςοδοσ του τοποκετείται ςτθν κατεφκυνςθ του αυλϊνα, ενϊ ο άξονασ του εντοπίηεται ςτθν περιοχι αναδίπλωςθσ τθσ τροπόπαυςθσ (Σχ. 3.18). Θ μζςθ ταχφτθτα ςτο μζγιςτο του αεροχειμάρρου ανζρχεται ςτα 35 m/s. Χαρακτθριςτικι είναι θ ιςχυρι κλίςθ των ιςοχψϊν και θ πτϊςθ του - 65 -
γεωδυναμικοφ φψουσ κατά τθ βορειοδυτικι διεφκυνςθ πάνω από το Αιγαίο και τθν περιοχι τθσ ανατολικισ Μεςογείου. Στον χάρτθ των αςκενϊν ετθςιϊν ο αεροχείμαρροσ είναι αποδυναμωμζνοσ, παρουςιάηει μικρότερεσ ταχφτθτεσ 24-27 m/s, ενϊ το κζντρο του εντοπίηεται δυτικότερα ςε ςχζςθ με τουσ ιςχυροφσ ετθςίεσ ανζμουσ, με αποτζλεςμα υψθλότερεσ ταχφτθτεσ να επθρεάηουν τθν περιοχι του Αιγαίου. Στον χάρτθ των διαφορϊν, θ περιοχι τθσ Ελλάδασ και το βόρειο Αιγαίο παρουςιάηουν αρνθτικζσ διαφορζσ ςτθν ταχφτθτα που ανζρχονται ςτα 5-7 m/s, ενϊ θ ανατολικι Μεςόγειοσ παρουςιάηει μθδενικζσ διαφορζσ μεταξφ των δφο ομάδων θμερϊν. Τζλοσ θ μεγαλφτερθ κετικι διαφορά (100 m) του γεωδυναμικοφ φψουσ εντοπίηετε ςτθ βόρεια Λταλία και τα βορειοδυτικά Βαλκάνια Σχήμα 3.18: Μζςοσ χάρτθσ γεωδυναμικοφ φψουσ και οριηόντιασ ςυνιςτϊςασ του ανζμου ςτα 250 mb για τουσ ιςχυροφσ, τουσ αςκενείσ ετθςίεσ και τισ διαφορζσ αυτϊν, για τθν περίοδο Ιοφλιοσ Αφγουςτοσ, 1989-2009. - 66 -
3.8 Φψοσ οριακοφ ςτρϊματοσ-συντελεςτισ αεριςμοφ Το οριακό ςτρϊμα είναι το κατϊτερο τμιμα τθσ ατμόςφαιρασ ςτο οποίο επικρατεί τυρβϊδθσ ροι. Μζςω τθσ τφρβθσ κερμότθτα, ορμι, αζριοι και ςωματιδιακοί ρφποι διαχζονται από και προσ τθν επιφάνεια του εδάφουσ. Πταν το φψοσ του οριακοφ ςτρϊματοσ είναι μικρό δεν ευνοείται θ κατακόρυφθ διάχυςθ των ρφπων, με ςυνζπεια οι ρφποι να ςυςςωρεφονται ςε χαμθλά φψθ και να παρατθροφνται υψθλζσ ςυγκεντρϊςεισ κοντά ςτο ζδαφοσ. Θ διακφμανςθ του φψουσ του οριακοφ ςτρϊματοσ ακολουκεί τθν θμεριςια μεταβολι τθσ ροισ τθσ θλιακισ ακτινοβολίασ. Πςο αυτι αυξάνεται ςτθ διάρκεια τθσ θμζρασ, αυξάνεται και το φψοσ του οριακοφ ςτρϊματοσ. Το φψοσ του οριακοφ ςτρϊματοσ ςτο ντετερμινιςτικό ατμοςφαιρικό μοντζλο του ECMWF ορίηεται ωσ το επίπεδο όπου ο αρικμόσ Richardson, με βάςθ τισ ιδιότθτεσ αυτοφ και του χαμθλότερου επίπεδου, φτάνει τθν κρίςιμθ τιμι των 0,25. Το ακριβζσ φψοσ μεταξφ των δφο επιπζδων υπολογίηεται μζςω τθσ γραμμικισ παρεμβολισ. Θ μζκοδοσ bulk Richardson όπωσ προτάκθκε από τουσ Troen and Mahrt, (1986) είναι διαγνωςτικι, ανεξάρτθτθ από τθν παραμετροποίθςθ των αναταράξεων, ζτςι ϊςτε να μπορεί να λθφκεί ζνα ςυνεχζσ πεδίο ςε ςυνκικεσ ουδζτερεσ και ευςτακείσ. Συγκεκριμζνα για τουσ ετθςίεσ όταν αυτοί είναι ιςχυροί, τα επίπεδα ρφπανςθσ αναμζνεται να είναι μειωμζνα λόγω τθσ ςυνδεδεμζνθσ ιςχυρισ κάκετθσ ανάμειξθσ και διάχυςθσ και άρα το φψοσ του οριακοφ ςτρϊματοσ να είναι αυξθμζνο. Πταν πνζουν ιςχυροί ετθςίεσ, αυξάνει θ ταχφτθτα του ανζμου και θ διατμθτικι τάςθ, παράλλθλα μειϊνεται ο αρικμόσ Richardson, επικρατεί τυρβϊδθσ ροι και ζντονεσ αναταράξεισ με αποτζλεςμα να αυξάνει το φψοσ του οριακοφ ςτρϊματοσ. Αντίκετα, όταν οι ετθςίεσ είναι αςκενείσ, επικρατοφν τοπικά ςυςτιματα λόγω τθσ διαφορικισ κζρμανςθσ. Αυτζσ οι κυκλοφορίεσ δεν ευνοοφν τθ διάχυςθ των ρφπων, ενϊ αναμζνεται το φψοσ του οριακοφ ςτρϊματοσ να είναι μικρό. Στουσ μζςουσ χάρτεσ του ςχιματοσ 3.19 παρουςιάηεται το φψοσ του - 67 -
οριακοφ ςτρϊματοσ για τουσ ιςχυροφσ, τουσ αςκενείσ ετθςίεσ και τισ διαφορζσ αυτϊν ςτον ευρφτερο ευρωπαϊκό χϊρο. Σχήμα 3.19: Μζςοι χάρτεσ φψουσ οριακοφ ςτρϊματοσ για τουσ ιςχυροφσ, τουσ αςκενείσ ετθςίεσ και τισ διαφορζσ αυτϊν, για τθν περίοδο Ιοφλιοσ Αφγουςτοσ, 1989-2009. Οι γραμμζσ δείχνουν τισ ςτατιςτικά ςθμαντικζσ διαφορζσ. Στον χάρτθ των ιςχυρϊν ετθςίων το φψοσ του οριακοφ ςτρϊματοσ ςτθν περιοχι του βορείου Αιγαίου φτάνει τα 1200-1500 m, ςτο κεντρικό και νότιο Αιγαίο οι τιμζσ του ανζρχονται ςτα 600-900 m. Στον χάρτθ των αςκενϊν ετθςίων το φψοσ ανζρχεται ςτα 100-300 m. Θ παρατθροφμενθ διαφορά οφείλεται ςτο γεγονόσ ότι όταν πνζουν ιςχυροί ετθςίεσ, θ ταχφτθτα του ανζμου είναι μεγαλφτερθ με αποτζλεςμα να αυξάνεται θ μθχανικι τφρβθ και κατά ςυνζπεια το φψοσ του οριακοφ ςτρϊματοσ. Στον χάρτθ των διαφορϊν, φαίνεται το μζγεκοσ τθσ επίδραςθσ των ετθςίων ςτο φψοσ του οριακοφ - 68 -
ςτρϊματοσ. Στθν περιοχι του Αιγαίου παρατθροφνται κετικζσ διαφορζσ (ςτατιςτικά ςθμαντικζσ) που αγγίηουν τα 600m. Το δεφτερο μζροσ με υψθλζσ κετικζσ διαφορζσ (ςτατιςτικά ςθμαντικζσ) είναι θ περιοχι τθσ Βαλκανικισ χερςονιςου, ενϊ οι διαφορζσ ανζρχονται ςτα 400-600m. Θ θλιακι ακτινοβολία κακορίηει τθν ανάπτυξθ του οριακοφ ςτρϊματοσ, αφοφ αυξάνει τθν κινθτικι ενζργεια των τυρβϊδων ςτροβίλων, θ οποία κακορίηει το φψοσ ςτο οποίο αυτοί φτάνουν, το οποίο ταυτίηεται με το φψοσ του οριακοφ ςτρϊματοσ. Ζτςι λοιπόν θ παρατθροφμενθ αφξθςθ ςυνδζεται με τθν αφξθςθ τθσ κατερχόμενθσ θλιακισ ακτινοβολίασ ςτθν περιοχι αυτι όπωσ προκφπτει από τουσ χάρτεσ του ςχιματοσ 3.10. Θ περιοχι τθσ ανατολικισ Μεςογείου, ανατολικά τθσ Κριτθσ παρουςιάηει φψοσ οριακοφ ςτρϊματοσ που ανζρχεται ςτα 300-600m ωςτόςο όμωσ οι διαφορζσ μεταξφ των δφο ομάδων θμερϊν δεν είναι ςτατιςτικά ςθμαντικζσ. Ο ςυντελεςτισ αεριςμοφ (ventilation coefficient, VC) αποτελεί ζναν δείκτθ που αναφζρεται ςτθν ικανότθτα αυτοκακαριςμοφ τθσ ατμόςφαιρασ μιασ αςτικισ ι αγροτικισ περιοχισ. Υψθλζσ τιμζσ VC (>6000m 2 s 1 ) ςυνεπάγονται αυξθμζνθ αραίωςθ οδθγϊντασ ςε χαμθλότερα επίπεδα ςυγκζντρωςθσ ρφπων, ενϊ μικρότερεσ τιμζσ VC (<6000 m 2 s -1 ) κεωροφνται ενδεικτικζσ ωσ υψθλοφ δυναμικοφ ρφπανςθσ του αζρα (Portelli 1997). Ζτςι, θ παράμετροσ, μπορεί να χρθςιμοποιθκεί ωσ δείκτθσ ατμοςφαιρικισ ρφπανςθσ. Στθν παροφςα μελζτθ ο δείκτθσ υπολογίηεται ωσ εξισ: Ππου i είναι ο αρικμόσ θμερϊν ανά ομάδα (1-244 ιςχυροφσ, 1-238 αςκενείσ ετθςίεσ) είναι θ ταχφτθτα (m s -1 ) του ανζμου ςτα 10m. είναι θ ταχφτθτα (m s -1 ) του ανζμου ςτα 10m. - 69 -
είναι το φψοσ (m) του οριακοφ ςτρϊματοσ. Στο ςχιμα 3.20 παρουςιάηεται ο ςυντελεςτισ αεριςμοφ για τισ δφο ομάδεσ θμερϊν και τισ διαφορζσ τουσ. Πταν πνζουν ιςχυροί ετθςίεσ, ςτθν περιοχι του Αιγαίου, ο άνεμοσ παρουςιάηει υψθλζσ ταχφτθτεσ (10-12 m s -1 ) και το φψοσ του οριακοφ ςτρϊματοσ ανζρχεται ςτα 600-900 m, κατά ςυνζπεια ο ςυντελεςτισ αεριςμοφ παίρνει μεγάλεσ τιμζσ που ανζρχονται ςτα 6000-8000 m 2 s -1 επιβεβαιϊνοντασ τα χαμθλά επίπεδα ρφπανςθσ. Πταν πνζουν αςκενείσ ετθςίεσ θ ταχφτθτα του ανζμου παρουςιάηει μικρότερεσ τιμζσ (3-5 m s -1 ) το φψοσ του οριακοφ ςτρϊματοσ είναι χαμθλότερο (100-300 m) με αποτζλεςμα ο δείκτθσ να λαμβάνει μικρότερεσ τιμζσ 1000-2000 m 2 s -1. Οι διαφορζσ μεταξφ των δφο ομάδων είναι κετικζσ και ανζρχονται ςτα 6000-8000 m 2 s -1. Σχήμα 3.20: Μζςοι χάρτεσ ςυντελεςτι αεριςμοφ για τουσ ιςχυροφσ, τουσ αςκενείσ ετθςίεσ και τισ διαφορζσ αυτϊν, για τθν περίοδο Ιοφλιοσ Αφγουςτοσ, 1989-2009. - 70 -
Θ περιοχι τθσ ανατολικισ Μεςογείου, ανατολικά τθσ Κριτθσ, παρουςιάηει χαμθλζσ τιμζσ του δείκτθ (1000-3000 m 2 s -1 ) και για τισ δφο ομάδεσ θμερϊν, υποδεικνφοντασ αυξθμζνα επίπεδα ρφπανςθσ. Το γεγονόσ αυτό μπορεί να ςυνδζεται και με τισ αυξθμζνεσ ςυγκεντρϊςεισ του όηοντοσ που παρατθροφνται ςτθν περιοχι. Χαμθλά φψθ ανάμιξθσ οδθγοφν ςε αυξθμζνεσ τιμζσ ςτα επίπεδα του όηοντοσ, λόγω τθσ χαμθλισ δυνατότθτασ αυτοκακαριςμοφ τθσ ατμόςφαιρασ (Minoura 1999), ωςτόςο όμωσ, άλλοι ερευνθτζσ δεν διαπιςτϊνουν τζτοια ςυςχζτιςθ (Wang et al. 2001). Μια μελζτθ (Rao et al. 2003), των θμερϊν με υψθλζσ και χαμθλζσ ςυγκεντρϊςεισ όηοντοσ, ςτισ ανατολικζσ Θνωμζνεσ Ρολιτείεσ για το καλοκαίρι του 1995, κατζλθξε ςτο ςυμπζραςμα ότι οι μζρεσ που επικρατοφν υψθλζσ τιμζσ όηοντοσ (>80ppbv) χαρακτθρίηονται από αςκενζσ πεδίο επιφανειακισ ταχφτθτασ, μεγάλα φψθ ανάμιξθσ και χαμθλζσ τιμζσ VC. Γενικά, αναμζνεται ο ζλεγχοσ ςτισ ςυγκεντρϊςεισ των NOx (VOcs) να είναι αποτελεςματικόσ ςε ςυνκικεσ υψθλϊν (χαμθλϊν) τιμϊν VC, (Bisvas and Rao 2001). 3.9 Δυνθτικόσ ςτροβιλιςμόσ Στουσ μζςουσ χάρτεσ του ςχιματοσ 3.21 παρουςιάηεται το πεδίο του δυνθτικοφ ςτροβιλιςμοφ ςτα 850 mb για τουσ αςκενείσ και ιςχυροί ετθςίεσ, κακϊσ και οι διαφορζσ τουσ ςτα 850,700,500 mb. Στουσ χάρτεσ των διαφορϊν, ςτθν περιοχι του Αιγαίου, ο δυνθτικόσ ςτροβιλιςμόσ δείχνει να παίρνει μεγαλφτερεσ τιμζσ όταν πνζουν ιςχυροί ετθςίεσ, μάλιςτα ςτα 850 και 700 mb οι διαφορζσ (ςτατιςτικά ςθμαντικζσ) ανζρχονται ςτα 0,1-0,2 PVU ενϊ ςτα 500 mb ςτα 0,03-0,06 PVU. Στουσ χάρτεσ των ςχθμάτων 3.22 και 3.23 παρουςιάηεται το πεδίο του δυνθτικοφ ςτροβιλιςμοφ ςτα ιςοβαρικά επίπεδα των 400 και 250 mb για τουσ ιςχυροφσ, αςκενείσ ετθςίεσ και τισ διαφορζσ τουσ. Ιδθ από τα 500 mb οι διαφορζσ άρχιςαν να λαμβάνουν κετικζσ τιμζσ (0,03-0,06 PVU) ςτθν περιοχι τθσ ανατολικισ Μεςογείου, φαινόμενο το οποίο γίνεται εντονότερο ςτα ανϊτερα ιςοβαρικά επίπεδα (0,1-0,2 PVU). - 71 -
Σχήμα 3.21: Μζςοι χάρτεσ δυνθτικοφ ςτροβιλιςμοφ ςτα 850 mb για τουσ ιςχυροφσ, τουσ αςκενείσ ετθςίεσ και τισ διαφορζσ αυτϊν ςτα 850,700,500 mb, για τθν περίοδο Ιοφλιοσ Αφγουςτοσ, 1989-2009. Οι γραμμζσ δείχνουν τισ ςτατιςτικά ςθμαντικζσ διαφορζσ. Οι διαφορζσ ςτα 400 και ςτα 250 mb για τθν περιοχι τθσ ανατολικισ Μεςογείου και του Αιγαίου είναι ςτατιςτικά ςθμαντικζσ. - 72 -
Σχήμα 3.22: Μζςοι χάρτεσ δυνθτικοφ ςτροβιλιςμοφ ςτα 400 mb για τουσ ιςχυροφσ, τουσ αςκενείσ ετθςίεσ και τισ διαφορζσ αυτϊν, για τθν περίοδο Ιοφλιοσ Αφγουςτοσ, 1989-2009. Οι γραμμζσ δείχνουν τισ ςτατιςτικά ςθμαντικζσ διαφορζσ. Σε μια ιςορροπθμζνθ ατμόςφαιρα, θ τροπόπαυςθ, όπωσ οι ιςόκερμεσ και οι ιςοβαρικζσ επιφάνειεσ, τείνει να είναι οριηόντια. Μια αναδίπλωςθ τθσ τροπόπαυςθσ είναι ζνδειξθ διείςδυςθσ αζρα που χαρακτθρίηεται από τον μζγιςτο δυνατό ςτροβιλιςμό. Πταν ςυμβαίνει αυτό κοντά ςε μια περιοχι όπου πνζουν ιςχυροί άνεμοι όπωσ είναι οι ετθςίεσ, και κυρίωσ κοντά ςτθν περιοχι του αεροχειμάρρου, υπάρχει αλλθλεπίδραςθ μεταξφ τουσ που από τθ μια πλευρά, τείνει να δθμιουργιςει περαιτζρω εμβάκυνςθ και να αυξιςει τον ςτροβιλιςμό λόγω τθσ ζντονθσ διάτμθςθσ του αζρα ςτθν άκρθ του αεροχειμάρρου, ενϊ από τθν άλλθ πλευρά, ςυμβάλλει ςτθν παραμόρφωςθ και ςτθν αφξθςθ τθσ ταχφτθτασ του ανζμου, δθμιουργϊντασ περιοχζσ μεγίςτου ανζμου (jet streaks). - 73 -
Από τουσ χάρτεσ του ςχιματοσ 3.23 διαπιςτϊνεται ότι, όταν πνζουν ιςχυροί ετθςίεσ, θ δυναμικι τροπόπαυςθ παρουςιάηει ιςχυρι κλίςθ ενϊ παρατθρείται πάνω από τθν περιοχι τθσ Ελλάδασ αναδίπλωςθ τθσ δυναμικισ τροπόπαυςθσ με το γεωγραφικό πλάτοσ και κετικι ανωμαλία δυνθτικοφ ςτροβιλιςμοφ. Στον χάρτθ των αςκενϊν ετθςίων θ κλίςθ τθσ δυναμικισ τροπόπαυςθσ είναι ςαφϊσ μικρότερθ παρουςιάηοντασ μικρότερθ εμβάκυνςθ πάνω από τθν περιοχι τθσ Ελλάδασ, ωςτόςο, οι διαφορζσ μεταξφ ιςχυρϊν και αςκενϊν ετθςίων είναι μικρζσ όπωσ μποροφμε να διαπιςτϊςουμε και από τον χάρτθ των διαφορϊν. Οι μεγαλφτερεσ κετικζσ διαφορζσ εντοπίηονται ςτο ανατολικό Αιγαίο με τιμζσ που ανζρχονται ςτα 0,3-0,6PVU. Σχήμα 3.23: Μζςοι χάρτεσ δυνθτικοφ ςτροβιλιςμοφ ςτα 250 mb για τουσ ιςχυροφσ, τουσ αςκενείσ ετθςίεσ και τισ διαφορζσ αυτϊν, για τθν περίοδο Ιοφλιοσ Αφγουςτοσ, 1989-2009. Η μαφρθ γραμμι απεικονίηει τθ δυναμικι τροπόπαυςθ (2 PVU). Οι γραμμζσ δείχνουν τισ ςτατιςτικά ςθμαντικζσ διαφορζσ. - 74 -
Ο χάρτθσ των ιςχυρϊν ετθςίων ςε ςυνδυαςμό με τον χάρτθ του ςχιματοσ 3.18 του γεωδυναμικοφ φψουσ και τθσ ταχφτθτασ του ανζμου υποδεικνφουν αναδίπλωςθ τθσ τροπόπαυςθσ κοντά ςτθν περιοχι του αεροχειμάρρου, αυτό ςυνεπάγεται ενίςχυςθ του ανζμου ςτθν περιοχι τθσ ανατολικισ Μεςογείου και ειςβολι ςτρατοςφαιρικοφ αζρα ςτθν τροπόςφαιρα λόγω τθσ αναδίπλωςθσ. 3.10 Πηον Σε πρόςφατθ μελζτθ, τθσ Dragani (2011), ςυηθτικθκε θ ποιότθτα των δεδομζνων όηοντοσ από τθν ERA- Interim ανάλυςθ ςε ςχζςθ με τισ επίγειεσ μετριςεισ του όηοντοσ κατά τθ διάρκεια τθσ χρονικισ περιόδου Λανουάριοσ 1989-Δεκζμβριοσ 2008. Συγκεκριμζνα, θ ςφγκριςθ τθσ Era interim-ανάλυςθσ για τθ ςυνολικι ςτιλθ τροποςφαιρικοφ όηοντοσ (TCO) με τισ επίγειεσ μετριςεισ Dobson ςε τζςςερισ περιοχζσ, διαφορετικοφ γεωγραφικοφ πλάτουσ, ζδειξαν ςυμφωνία ςε μεγάλο βακμό. Θ απόκλιςθ ανζρχονταν ςε ±5% για τα μεςαία γεωγραφικά πλάτθ του βορείου θμιςφαιρίου και τισ τροπικζσ περιοχζσ, και ±10% για τα μεγάλα γεωγραφικά πλάτθ. Επιπροςκζτωσ οι ςυγκρίςεισ τθσ ERA Interim ανάλυςθσ (και ERA-40) με βολίδεσ του όηοντοσ ζδειξαν εξάρτθςθ από τθν εποχι, το γεωγραφικό πλάτοσ, και τθν περίοδο μελζτθσ. Ειδικότερα, αποδείχκθκε ότι θ Era interim ανάλυςθ για το όηον επωφελικθκε από τθν αφομοίωςθ δεδομζνων του δορυφορικοφ οργάνου GOME για το προφίλ του όηοντοσ (Λανουάριοσ 1996 - Δεκζμβριοσ 2002), ιδιαίτερα ςτθν περιοχι των τροπικϊν. Στθν περίοδο πριν τθν αφομοίωςθ δεδομζνων του δορυφορικοφ οργάνου GOME, θ απόκλιςθ μεταξφ των βολίδων και τθσ reanalysis για το προφίλ του όηοντοσ ανζρχονταν ςτα ±10% ςτουσ τροπικοφσ και ςτα μζςα γεωγραφικά πλάτθ, ςτα περιςςότερα ιςοβαρικά επίπεδα, και απόκλιςθ ±20% ςτα μεγάλα γεωγραφικά πλάτθ. Πςο αναφορά τθ ςφγκριςθ των δεδομζνων του όηοντοσ ςτθν Era interim-ανάλυςθ για τισ χρονικζσ περιόδουσ με ι χωρίσ τθ χριςθ του οργάνου GOME, το επίπεδο τθσ ςυμφωνίασ ιταν ςτα ±5% ςτισ τροπικζσ περιοχζσ και - 75 -
ςτα μεγάλα γεωγραφικά πλάτθ το καλοκαίρι, ςτο ±10% ςτα μεγάλα γεωγραφικά πλάτθ το χειμϊνα και ±10% ςτα μεςαία γεωγραφικά πλάτθ για όλο το χρόνο. Νεότερθ μελζτθ που πραγματοποίθςαν οι Zanis et al. (2011) είχε ωσ ςκοπό τθν αξιολόγθςθ των ςυγκεντρϊςεων του όηοντοσ, κοντά ςτθν επιφάνεια, από τα δεδομζνα του μοντζλου RegCM3/CAMx ςε ςχζςθ με τισ μετριςεισ από τθ βάςθ δεδομζνων EMEP για τθν χρονικι περίοδο 1991-2000. Στόχοσ τθσ ζρευνασ ιταν θ αξιολόγθςθ του μοντζλου για μελλοντικζσ περιοχικζσ κλιματικζσ μελζτεσ που αφοροφν τθν ποιότθτα του αζρα με ζμφαςθ ςτο τροποςφαιρικό όηον. Τα αποτελζςματα τθσ μελζτθσ για τθν περίοδο του καλοκαιριοφ ςυνοψίηονται ςτα εξισ: Οι ςυγκεντρϊςεισ του όηοντοσ παρουςιάηονται αυξθμζνεσ ςτθν κάλαςςα από ότι ςτθ ςτεριά. Θ χωρικι κατανομι του όηοντοσ ςτθν Ευρϊπθ παρουςιάηει μζγιςτεσ τιμζσ ςτθν Μεςόγειο, λόγω τθσ αποτελεςματικισ φωτοχθμικισ παραγωγισ του όηοντοσ, με μζςεσ μθνιαίεσ τιμζσ που ανζρχονται ςτα 60 ppbv για τθν περίοδο του καλοκαιριοφ. Στθν θπειρωτικι Ευρϊπθ οι τιμζσ ανζρχονται ςτα 30-45 ppbv. Επίςθσ οι τιμζσ του μοντζλου και των ςτακμϊν παρουςίαςαν καλι ςυμφωνία για τουσ περιςςότερουσ ςτακμοφσ με αποτζλεςμα το μοντζλο RegCM3/CAMx να αξιολογείται ωσ κατάλλθλο για τθν χριςθ του ςε μελλοντικζσ ζρευνεσ. Αφοφ περιγράφθκε θ μζςθ ςυνοπτικι κατάςταςθ που επικρατεί ςτθν ανατολικι Μεςόγειο και ςτον ευρφτερο Ευρωπαϊκό χϊρο κακϊσ και θ αλλθλεπίδραςθ των ιςχυρϊν και αςκενϊν ετθςίων με τισ διάφορεσ μετεωρολογικζσ παραμζτρουσ, ςτθ ςυνζχεια αναλφεται το πεδίο του Πηοντοσ για τα επιλεγμζνα ιςοβαρικά επίπεδα. Για τθν αξιοπιςτία τθσ μελζτθσ και για τον ζλεγχο των δεδομζνων του μοντζλου για το όηον επιφανείασ (1000 mb) ζγινε ςφγκριςθ των αποτελεςμάτων με δεδομζνα από παρατθριςεισ ςε ςτακμοφσ. Οι ςτακμοί παρατιρθςθσ αφοροφν τθν Μάλτα και τθν Φινοκαλιά ενϊ τα δεδομζνα είναι επιφανειακζσ τιμζσ όηοντοσ (ug/m 3 ) για τθν χρονικι περίοδο 2001-2005, που εξιχκθςαν από το Ευρωπαϊκό Ρρόγραμμα τθλεπιςκόπθςθσ και Αξιολόγθςθσ - 76 -
EMEP (European Monitoring and Evaluation Programme). Από τα δεδομζνα ζγινε επιλογι των θμερϊν που πνζουν ιςχυροί και αςκενείσ ετθςίεσ και δθμιουργικθκαν 2 ομάδεσ. Στθ ςυνζχεια υπολογίςτθκαν οι διαφορζσ μεταξφ ιςχυρϊν και αςκενϊν ετθςίων. Ραράλλθλα τα αποτελζςματα ςυγκρίκθκαν με χάρτεσ που παριγαγαν οι Ελζνθ Κατράγκου και Ρρόδρομοσ Ηάνθσ (manuscript in corporation, 2012). Οι χάρτεσ απεικονίηουν επιφανειακζσ τιμζσ όηοντοσ (ppbv) για τθν περίοδο 1991-2001 για τον Λοφλιο και τον Αφγουςτο ομαδοποιθμζνα ςε ιςχυροφσ, αςκενείσ ετθςίεσ και διαφορζσ αυτϊν. Τα δεδομζνα εξιχκθςαν από το κλιματικό μοντζλο RegCM3/CAMx, απεικονίηουν τον ευρφτερο χϊρο τθσ Ευρϊπθσ και ζχουν ανάλυςθ 50km*50km. Ο πίνακασ 3.1 περιζχει τα δεδομζνα, τισ μονάδεσ μζτρθςθσ, τθν περίοδο μελζτθσ κακϊσ και το πλικοσ των θμερϊν για τισ ομάδεσ των ιςχυρϊν και αςκενϊν ετθςίων. Πίνακας 3.1. Δεδομζνα, περίοδοσ μελζτθσ και μονάδεσ μζτρθςθσ του όηοντοσ για τουσ ςτακμοφσ παρατθριςεισ και τα μοντζλα ECMWF και RegCM3/CAMx. Δεδομζνα Μονάδα μζτρθςθσ Ρερίοδοσ μελζτθσ Ιςχυροί ετθςίεσ Αςκενείσ ετθςίεσ ECMWF Ο 3 (1000 mb) ppbv 2001-2005 41 52 OBSERVATIONS Ο 3 (surface) ug/m 3 2001-2005 41 52 RegCM3/CAMx Ο 3 (near surface) ppbv 1991-2001 Στον χάρτθ του ςχιματοσ 3.24 παρουςιάηονται οι μζςοι χάρτεσ για το όηον ςτα 1000 mb από τα δεδομζνα του ECMWF για τουσ ιςχυροφσ, τουσ αςκενείσ ετθςίεσ και τισ διαφορζσ αυτϊν. Στο Αιγαίο, όταν πνζουν ιςχυροί ετθςίεσ, όπωσ και ςτθν ανατολικι Μεςόγειο παρατθροφνται τιμζσ όηοντοσ που ανζρχονται ςτα 60-65 ppbv. Ενϊ ςτον χάρτθ των αςκενϊν ετθςίων οι τιμζσ όηοντοσ ανζρχονται ςτα 55-60 ppbv. Τα αποτελζςματα αυτά γίνονται εμφανι και ςτον χάρτθ των διαφορϊν όπου παρατθροφνται δφο κζντρα κετικϊν διαφορϊν ζνα ςτο Αιγαίο και ζνα ςτθν Αδριατικι με τθν διαφορά να εκτιμάται ςτα 12 ppbv και για τισ δφο περιοχζσ αντίςτοιχα. Θ διαφορά ςτισ - 77 -
ςυγκεντρϊςεισ του όηοντοσ μεταξφ κεντρικισ Ευρϊπθσ και Μεςογείου ανζρχεται ςτα 30 ppbv. Σχήμα 3.24: Μζςοι χάρτεσ Όηοντοσ ςτα 1000 mb για τουσ ιςχυροφσ, τουσ αςκενείσ ετθςίεσ και τισ διαφορζσ αυτϊν, για τθν περίοδο Ιοφλιοσ Αφγουςτοσ, 1989-2009. Δεδομζνα ECMWF. Οι γραμμζσ δείχνουν τισ ςτατιςτικά ςθμαντικζσ διαφορζσ. Ραράλλθλα ςτον χάρτθ του ςχιματοσ 3.25 παρουςιάηονται οι μζςοι χάρτεσ για το όηον ςτα 1000 mb από τα δεδομζνα του RegCM3/CAMx για τουσ ιςχυροφσ, τουσ αςκενείσ ετθςίεσ και τισ διαφορζσ αυτϊν. Στθν ανατολικι Μεςόγειο όταν πνζουν ιςχυροί ετθςίεσ οι τιμζσ του όηοντοσ ανζρχονται ςτα 50-55 ppbv, ενϊ όταν πνζουν αςκενείσ ετθςίεσ οι τιμζσ κυμαίνονται μεταξφ 55-60 ppbv. Από τον χάρτθ των διαφορϊν προκφπτουν αρνθτικζσ διαφορζσ τθσ τάξθσ του 5 ppbv για τθν περιοχι τθσ ανατολικισ Μεςογείου, ενϊ για τθν - 78 -
περιοχι τθσ Αδριατικισ οι διαφορζσ είναι μθδενικζσ ζωσ κετικζσ τθσ τάξθσ του 3 ppbv. Σχήμα 3.25: Μζςοι χάρτεσ Όηοντοσ ςτθν επιφάνεια για τθν περίοδο Ιοφλιοσ Αφγουςτοσ, 1991-2001 για α) τουσ ιςχυροφσ και β) τουσ αςκενείσ ετθςίεσ γ) τισ διαφορζσ ιςχυρϊν αςκενϊν ετθςίων, για τθν Ευρϊπθ. Δεδομζνα RegCM3/CAMx. Πθγι: Zanis and Katragkou manuscript in corporation 2012. Από τθ ςφγκριςθ των αποτελεςμάτων είναι φανερό ότι τα δεδομζνα του ECMWF ζρχονται ςε αντίκεςθ με τα δεδομζνα του RegCM3/CAMx κακϊσ δείχνουν ότι οι ιςχυροί ετθςίεσ επθρεάηουν τισ επιφανειακζσ ςυγκεντρϊςεισ του όηοντοσ ςτο Αιγαίο παρουςιάηοντασ αφξθςθ κατά 12 ppbv ςε ςχζςθ με τουσ αςκενείσ ετθςίεσ. Ενϊ το μοντζλο RegCM3/CAMx δείχνει ότι όταν πνζουν ιςχυροί ετθςίεσ το όηον παρουςιάηει ελάττωςθ ςε ςχζςθ με τουσ αςκενείσ ετθςίεσ κατά 5 ppbv. Επίςθσ φαίνεται ότι το μοντζλο ECMWF υπερεκτίμα τισ τιμζσ επιφανειακοφ όηοντοσ όταν πνζουν ιςχυροί ετθςίεσ κατά 10 ppbv. Στον πίνακα 3.2 παρουςιάηονται ςυγκεντρωτικά τα αποτελζςματα για - 79 -
τισ διαφορζσ ιςχυρϊν και αςκενϊν ετθςίων ανά ςτακμό κακϊσ και οι διαφορζσ Φινοκαλιάσ ( 34,5 Ν, 25,5 Ε) και Μάλτασ ( 36 Ν, 15 Ε) ανά ομάδα θμερϊν από τα δεδομζνα του μοντζλου ECMWF, και από τα δεδομζνα του EMEP. Ενϊ αναγράφονται ποιοτικά και οι παρατθροφμενεσ διαφορζσ από το μοντζλο RegCM3/CAMx. Πίνακας 3.2. Υπολογιςμόσ διαφορϊν, για τθ ςφγκριςθ αποτελεςμάτων του μοντζλου ECMWF (2001-2005) με τισ παρατθριςεισ από τουσ επίγειουσ ςτακμοφσ τθσ Μάλτασ και τθσ Φινοκαλιάσ (2001-2005). Μζςα ςτθν παρζνκεςθ αναγράφεται θ τυπικι απόκλιςθ. Ενϊ δίνονται ποιοτικά και οι διαφορζσ από το μοντζλο RegCM3/CAMx (1991-2010), όπωσ προζκυψαν από τουσ χάρτεσ. ΔΙΑΦΟΕΣ ECMWF OBSERVATIONS RegCM3/CAMx ppbv ug/m 3 ppbv strong Finokalia - strong Malta -7,94 (±0,37) -14,4 (±0,54) -12 weak Finokalia - weak Malta -7,3 (±0,36) 3,39 (±0,44) -2 strong Finokalia - weak Finokalia -1,69-7,98-5 strong Malta - weak Malta -1,05 9,80 4 Θ διαφορά μεταξφ Φινοκαλιάσ και Μάλτασ για τα δεδομζνα του ECMWF και για τθν ομάδα των ιςχυρϊν ετθςιϊν, είναι αρνθτικι και ανζρχεται ςτα 7,94 ppbv. Ενϊ από τισ μετριςεισ ςτουσ ίδιουσ τουσ ςτακμοφσ θ διαφορά είναι εξίςου αρνθτικι και ανζρχεται ςτα 14,4 ppbv. Για τθν ομάδα των αςκενϊν ετθςίων θ διαφορά μεταξφ Φινοκαλιάσ και Μάλτασ για τα δεδομζνα του ECMWF είναι αρνθτικι και ανζρχεται ςτα 7,3 ppbv. Ενϊ οι μετριςεισ ςτουσ ίδιουσ τουσ ςτακμοφσ παρουςιάηουν κετικι διαφορά που ανζρχεται ςτα 3,39 ppbv. Οι διαφορζσ ιςχυρϊν αςκενϊν ετθςίων για κάκε ςτακμό υποδεικνφουν για τον ςτακμό τθσ Φινοκαλιάσ από τα δεδομζνα του ECMWF αρνθτικι διαφορά με τιμι 1,69 ppbv, ενϊ τα δεδομζνα του EMEP ζχουν αρνθτικι διαφορά τθσ τάξθσ του 7,98 ppbv. Τζλοσ θ διαφορά για τον ςτακμό τθσ Μάλτασ από τα δεδομζνα του ECMWF είναι αρνθτικι με τιμι 1,05 ppbv ενϊ από τα δεδομζνα του EMEP υποδεικνφουν κετικι διαφορά με τιμι 9,8 ppbv. Από τθν μελζτθ των διαφορϊν διαπιςτϊνεται ότι οι παρατθριςεισ από - 80 -
τουσ ςτακμοφσ ζρχονται ςε μεγαλφτερθ ςυμφωνία με τα αποτελζςματα του RegCM3/CAMx. Στουσ χάρτεσ του ςχιματοσ 3.26 αναπαρίςταται το πεδίο του όηοντοσ ςτα 850mb (αντιπροςωπευτικό επίπεδο του οριακοφ ςτρϊματοσ) για τισ δφο ομάδεσ και τισ διαφορζσ τουσ. Σφμφωνα με τουσ Repapis et al (1977) οι ετθςίεσ είναι πιο ζντονεσ ςτα 850 mb. Στον χάρτθ των ιςχυρϊν ετθςίων για τθν περιοχι τθσ ανατολικισ Μεςογείου οι τιμζσ του όηοντοσ ανζρχονται ςτα 105-115 ppbv. Σχήμα 3.26: Μζςοι χάρτεσ Όηοντοσ ςτα 850 mb για τουσ ιςχυροφσ, τουσ αςκενείσ ετθςίεσ και τισ διαφορζσ αυτϊν, για τθν περίοδο Ιοφλιοσ Αφγουςτοσ, 1989-2009. Δεδομζνα ECMWF. Οι γραμμζσ δείχνουν τισ ςτατιςτικά ςθμαντικζσ διαφορζσ. Ραρόμοιεσ τιμζσ εμφανίηει και ο χάρτθσ των αςκενϊν ετθςίων. Οι παρατθροφμενεσ κετικζσ διαφορζσ τθσ τάξθσ του 2 ppbv ςτο Αιγαίο και ςτθν - 81 -
ανατολικι Μεςόγειο δεν είναι ςτατιςτικά ςθμαντικζσ. Οι μεγαλφτερεσ κετικζσ διαφορζσ (ςτατιςτικά ςθμαντικζσ), που ανζρχονται ςτα 15 ppbv, εντοπίηονται ςτθν Λταλία, τθν Αδριατικι και τισ χϊρεσ τθσ πρϊθν Γιουγκοςλαβίασ. Θ ςυνοπτικι κατάςταςθ που επικρατεί όταν πνζουν ιςχυροί ετθςίεσ επθρεάηει τισ ςυγκεντρϊςεισ του όηοντοσ ςτθν περιοχι αυτι. Στο ιςοβαρικό επίπεδο των 700 mb οι τιμζσ για το όηον ςτθν ανατολικι Μεςόγειο ανζρχονται ςτα 120-125 ppbv, ενϊ οι διαφορζσ μεταξφ ιςχυρϊν και αςκενϊν ετθςίων είναι μικρζσ (1-2 ppbv), όπωσ διαπιςτϊνεται από τον χάρτθ του ςχιματοσ 3.27, αλλά δεν είναι ςτατιςτικά ςθμαντικζσ. Σχήμα 3.27: Μζςοι χάρτεσ Όηοντοσ ςτα 700 mb για τουσ ιςχυροφσ, τουσ αςκενείσ ετθςίεσ και τισ διαφορζσ αυτϊν, για τθν περίοδο Ιοφλιοσ Αφγουςτοσ, 1989-2009. Δεδομζνα ECMWF. Οι γραμμζσ δείχνουν τισ ςτατιςτικά ςθμαντικζσ διαφορζσ. - 82 -
Στο ςχιμα 3.28 απεικονίηεται το όηον ςτα 500mb. Στθν περιοχι τθσ ανατολικισ Μεςογείου τόςο για τουσ ιςχυροφσ όςο και για τουσ αςκενείσ ετθςίεσ οι τιμζσ του όηοντοσ ανζρχονται ςτα 122-126 ppbv. Οι διαφορζσ μεταξφ ιςχυρϊν και αςκενϊν ετθςίων ςτθν περιοχι του Αιγαίου, δεν είναι ςτατιςτικά ςθμαντικζσ. Σχήμα 3.28: Μζςοι χάρτεσ Όηοντοσ ςτα 500 mb για τουσ ιςχυροφσ, τουσ αςκενείσ ετθςίεσ και τισ διαφορζσ αυτϊν, για τθν περίοδο Ιοφλιοσ Αφγουςτοσ, 1989-2009. Δεδομζνα ECMWF. Οι γραμμζσ δείχνουν τισ ςτατιςτικά ςθμαντικζσ διαφορζσ. Αυτό που ζχει ιδιαίτερθ ςθμαςία ςτον χάρτθ των ιςχυρϊν ετθςίων είναι το κζντρο αυξθμζνων ςυγκεντρϊςεων του όηοντοσ (130-135ppbv) που λαμβάνει χϊρα ςτθν ανατολικι Μεςόγειο. Συγκεκριμζνα αυτό εντοπίηεται ςτισ 26 Ε ζωσ 35 Ε και 32 Ν ζωσ 37 Ν. Ενϊ ςτον χάρτθ των αςκενϊν ετθςίων το κζντρο των αυξθμζνων ςυγκεντρϊςεων του όηοντοσ (130-135ppbv) είναι μετατοπιςμζνο ανατολικότερα, είναι μικρότερθσ ζκταςθσ και εντοπίηεται ςτισ - 83 -
37 Ε ζωσ 45 Ε και 35 Ν ζωσ 37 Ν. Στον χάρτθ των διαφορϊν παρατθροφνται κετικζσ διαφορζσ (ςτατιςτικά ςθμαντικζσ) τθσ τάξθσ του 4-6 ppbv. Ανάλογθ εικόνα παρατθρείται και ςτα 400 mb όπωσ υποδεικνφουν οι χάρτεσ του ςχιματοσ 3.29. Οι ςυγκεντρϊςεισ του όηοντοσ ςτον χάρτθ των ιςχυρϊν ετθςίων ανζρχονται ςτα 135-140ppbv, ενϊ είναι ελαφρϊσ μειωμζνεσ ςτον χάρτθ των αςκενϊν ετθςίων με τιμζσ 130-135 ppbv. Σχήμα 3.29: Μζςοι χάρτεσ Όηοντοσ ςτα 400 mb για τουσ ιςχυροφσ, τουσ αςκενείσ ετθςίεσ και τισ διαφορζσ αυτϊν, για τθν περίοδο Ιοφλιοσ Αφγουςτοσ, 1989-2009. Δεδομζνα ECMWF. Οι γραμμζσ δείχνουν τισ ςτατιςτικά ςθμαντικζσ διαφορζσ. Το μζγιςτο των τιμϊν του όηοντοσ (140-145 ppbv) εμφανίηεται ςτθν ανατολικι Μεςόγειο περιλαμβάνοντασ τμιμα του νοτίου Αιγαίου (Κυκλάδεσ, Κριτθ) και εντοπίηεται για τον χάρτθ των ιςχυρϊν ετθςίων 25 Ε ζωσ 33 Ε και 34 Ν ζωσ 37 Ν, και για τον χάρτθ των αςκενϊν ετθςίων πάλι ανατολικότερα - 84 -
ςτισ 35 Ε ζωσ 45 Ε και 36 Ν ζωσ 37 Ν. Από τον χάρτθ των διαφορϊν (ςτατιςτικά ςθμαντικζσ) μεταξφ των δφο ομάδων παρατθρείται ότι ςτθν περιοχι τθσ Κριτθσ και δυτικά αυτισ όταν πνζουν ιςχυροί ετθςίεσ οι ςυγκεντρϊςεισ του όηοντοσ είναι κατά 10ppbv μεγαλφτερεσ από ότι όταν πνζουν αςκενείσ ετθςίεσ. Στον πίνακα 3.3 παρουςιάηονται τα αποτελζςματα για τισ ςυγκεντρϊςεισ του όηοντοσ για τισ δφο ομάδεσ και για τισ διαφορζσ τουσ ςυγκεντρωμζνα. Πίνακας 3.3: Μζςεσ διαφορζσ για το όηον (ppbv) ςτθν περιοχι του Αιγαίου, για τισ ομάδεσ των ιςχυρϊν, των αςκενϊν ετθςίων και των διαφορϊν τουσ για τον Ιοφλιο και Αφγουςτο τθσ περιόδου 1989-2009. Δεδομζνα ECMWF.Οι ζντονεσ μαυριςμζνεσ τιμζσ, ςτθ ςτιλθ των διαφορϊν, είναι και ςτατιςτικά ςθμαντικζσ. Isobaric levels mb Ο 3 (ppbv) strong etesian Ο 3 (ppbv) weak etesian Differences Ο 3 (ppbv) strong-weak 1000 65-70 55-60 12 850 107-117 105-115 2 700 122-127 120-125 2 500 122-126 122-126 1 400 135-140 130-135 5 Ραράλλθλα, ςτθν παροφςα εργαςία, με ςκοπό να υπολογιςτοφν οι διαφορζσ ςτισ ςυγκεντρϊςεισ του όηοντοσ τθσ ανατολικισ Μεςογείου με τθν κεντρικι Ευρϊπθ, όταν πνζουν ετθςίεσ άνεμοι, χρθςιμοποιικθκαν δεδομζνα του ECMWF για τα ςθμεία πλζγματοσ από τζςςερισ αντιπροςωπευτικοφσ ςτακμοφσ. Για τθν κεντρικι Ευρϊπθ τουσ ςτακμοφσ αποτζλεςαν θ Φρανκφοφρτθ (49,5 Ν, 7,5 Ε) και θ Βιζννθ (48 Ν,16,5 Ε), ενϊ για τθν ανατολικι Μεςόγειο τουσ ςτακμοφσ αποτζλεςαν το Θράκλειο (34,5 Ν,25,5 Ε) και θ Λεμεςόσ (34,5 Ν,33 Ε). Αφοφ υπολογίςτθκε θ μζςθ τιμι του όηοντοσ για κάκε περιοχι, ςτθ ςυνζχεια υπολογίςτθκε ο μζςοσ όροσ ανά δφο περιοχζσ και - 85 -
ζπειτα θ διαφορά των δφο αυτϊν τιμϊν. Τα αποτελζςματα παρουςιάηονται ςτον πίνακα 3.5. Πίνακας 3.5: Μζςεσ διαφορζσ για το όηον (ppbv) μεταξφ ανατολικισ Μεςογείου (ΕΜ- Ηράκλειο, Λεμεςόσ) κεντρικισ Ευρϊπθσ (CE-Βιζννθ, Φρανκφοφρτθ) για τον Ιοφλιο και Αφγουςτο τθσ περιόδου 1989-2009. Δεδομζνα ECMWF. Οι ςχετικζσ διαφορζσ τουσ ςε ποςοςτό δίνονται ςτθν παρζνκεςθ. Isobaric levels mb Differences Ο 3 (ppbv) EM-CE Strong Etesian Differences Ο 3 (ppbv) EM-CE Weak Etesian 1000 16,34 (38,7%) 14,25 (35,6%) 850 13,6 (12,7%) 23,08 (22,15%) 700 7,97 (6,45%) 15,48 (13,08%) 500 8,17 (6,53%) 7,61 (6,18%) 400 16,36 (12,3%) 7,68 (5,12%) Από τον πίνακα 3.5 παρατθροφμε ότι οι διαφορζσ ςε όλα τα ιςοβαρικά επίπεδα είναι κετικζσ που ςθμαίνει ότι μεγαλφτερεσ ςυγκεντρϊςεισ όηοντοσ παρατθροφνται ςτθν ανατολικι Μεςόγειο. Λδιαίτερο ενδιαφζρον παρουςιάηουν οι διαφορζσ ςτα ιςοβαρικά επίπεδα των 850 και 700 mb, που είναι μεγαλφτερεσ όταν πνζουν αςκενείσ ετθςίεσ. Το γεγονόσ αυτό οφείλεται ςτο ότι, όταν πνζουν ιςχυροί ετθςίεσ άνεμοι, ο αντικυκλϊνασ των μζςων γεωγραφικϊν πλατϊν, είναι ιδιαίτερα ενιςχυμζνοσ και παρουςιάηει ιςχυρι επίδραςθ ςτισ ςυγκεντρϊςεισ του όηοντοσ, είτε με τθν προσ τα κάτω μεταφορά τουσ από τθν ανϊτερθ τροπόςφαιρα, είτε δθμιουργϊντασ ςτακερζσ ςυνκικεσ κοντά ςτθν επιφάνεια, εμποδίηοντασ τθν κάκετθ διαςπορά των πρόδρομων ρφπων και ευνοϊντασ τθν οριηόντια μεταφορά τουσ ςε μεγάλεσ αποςτάςεισ, με αποτζλεςμα τθδθμιουργία περιφερειακισ φωτοχθμικισ δραςτθριότθτασ ςτο οριακό ςτρϊμα (ςυμφωνία με τθν μελζτθ των Kalabokas et al (2007) ). Στα ανϊτερα ιςοβαρικά επίπεδα (500-400 mb) οι διαφορζσ είναι μεγαλφτερεσ όταν πνζουν ιςχυροί ετθςίεσ - 86 -
άνεμοι. Στουσ χάρτεσ του ςχιματοσ 3.30 παρουςιάηεται θ μζςθ ακροιςτικι ςυγκζντρωςθ του όηοντοσ ςτα 250 mb για τουσ ιςχυροφσ και αςκενείσ ετθςίεσ κακϊσ και οι διαφορζσ αυτϊν. Σχήμα 3.30: Μζςοι χάρτεσ Όηοντοσ ςτα 250 mb για τουσ ιςχυροφσ, τουσ αςκενείσ ετθςίεσ και τισ διαφορζσ αυτϊν, για τθν περίοδο Ιοφλιοσ Αφγουςτοσ, 1989-2009. Δεδομζνα ECMWF. Οι γραμμζσ δείχνουν τισ ςτατιςτικά ςθμαντικζσ διαφορζσ. Χαρακτθριςτικό για τον χάρτθ των ιςχυρϊν ετθςίων είναι θ ιςχυρι βόρεια-βορειοανατολικι κλίςθ κατά τθν διεφκυνςθ του μεςθμβρινοφ πάνω από τθν περιοχι του Αιγαίου ζχοντασ ωσ αποτζλεςμα μεγάλεσ ςυγκεντρϊςεισ όηοντοσ να ςυςςωρεφονται ςτθν περιοχι. Επίςθσ αν ςυγκρίνουμε τον χάρτθ αυτόν με τον χάρτθ του ςχιματοσ 3.23 του δυνθτικοφ ςτροβιλιςμοφ ςτα 250 mb για τουσ ιςχυροφσ ετθςίεσ διαπιςτϊνεται ιςχυρι ςυςχζτιςθ μεταξφ των δφο πεδίων. Στον χάρτθ των αςκενϊν ετθςίων θ κατανομι του όηοντοσ είναι - 87 -
ομαλι (ηωνικι) ενϊ και ςε αυτιν τθν περίπτωςθ υπάρχει ιςχυρι ςυςχζτιςθ με τον χάρτθ του δυνθτικοφ ςτροβιλιςμοφ ςτα 250 mb. Τζλοσ οι παρατθροφμενεσ διαφορζσ ςτθν ανατολικι Μεςόγειο και το Αιγαίο πζλαγόσ δεν είναι ςτατιςτικά ςθμαντικζσ. 3.10 Ανάλυςθ παραμζτρων ςε χάρτεσ κατακόρυφθσ τομισ πίεςθσγεωγραφικοφ πλάτουσ και μικουσ. Για τθν καλφτερθ κατανόθςθ τθσ κατανομισ του όηοντοσ ςτθν τροπόςφαιρα μελετικθκαν οι ανταλλαγζσ αερίων μαηϊν μεταξφ ςτρατόςφαιρασ και τροπόςφαιρασ. Για το ςκοπό αυτό καταςκευάςτθκαν οι χάρτεσ κατακόρυφθσ τομισ πίεςθσ γεωγραφικοφ μικουσ και πλάτουσ για τα πεδία του όηοντοσ, του δυνθτικοφ ςτροβιλιςμοφ ςε ςυνδυαςμό με κατακόρυφθ ταχφτθτα και τθσ ειδικισ υγραςίασ. Στουσ χάρτεσ του ςχιματοσ 3.31 παρουςιάηεται θ κατακόρυφθ τομι πίεςθσ-γεωγραφικοφ μικουσ για το όηον, για τουσ ιςχυροφσ και αςκενείσ ετθςίεσ. Σχήμα 3.31: Μζςοι χάρτεσ κατακόρυφθσ τομισ πίεςθσ-γεωγραφικοφ μικουσ, του όηοντοσ ςτισ 38 Ν, για τουσ ιςχυροφσ και αςκενείσ ετθςίεσ, για τθν περίοδο Ιοφλιοσ- Αφγουςτοσ, 1989-2009. - 88 -
Αυτό που υποδεικνφουν οι χάρτεσ είναι οι ζντονεσ κακοδικζσ κινιςεισ που λαμβάνουν χϊρα ςτισ 25 Ε (Αιγαίο πζλαγοσ) και παρουςιάηονται εμφανϊσ ενιςχυμζνεσ ςτον χάρτθ των ιςχυρϊν ετθςίων. Το αποτζλεςμα των κακοδικϊν κινιςεων είναι θ δθμιουργία μιασ κάκετθσ ςτιλθσ ενιςχυμζνων τιμϊν όηοντοσ κατά μικοσ τθσ τροπόςφαιρασ πάνω από το Αιγαίο πζλαγοσ. Στουσ χάρτεσ του ςχιματοσ 3.32 παρουςιάηεται θ κατακόρυφθ τομι πίεςθσ-γεωγραφικοφ πλάτουσ για το όηον, για τουσ ιςχυροφσ και αςκενείσ ετθςίεσ. Στισ 38 Ν (κεντρικό Αιγαίο) για τα ιςοβαρικά επίπεδα 200-400 mb παρατθροφνται κακοδικζσ κινιςεισ οι οποίεσ είναι ελαφρϊσ ενιςχυμζνεσ ςτον χάρτθ των ιςχυρϊν ετθςίων. Σχήμα 3.32: Μζςοι χάρτεσ κατακόρυφθσ τομισ πίεςθσ-γεωγραφικοφ πλάτουσ του όηοντοσ ςτισ 25 Ε, για τουσ ιςχυροφσ και αςκενείσ ετθςίεσ, για τθν περίοδο Ιοφλιοσ- Αφγουςτοσ, 1989-2009. Ωςτόςο οι χάρτεσ παρουςιάηουν ιδιαίτερο ενδιαφζρον κακϊσ υποδεικνφουν ότι από τα 500-850 mb υπάρχει ροι ςυγκεντρϊςεων όηοντοσ μεταφερόμενθ από τθν Ανατολικι Ευρϊπθ (50 Ν, 25 Ε ) και τθν περιοχι των Βαλκανίων (45 Ν, 25 Ε ) βόρεια τθσ Ελλάδασ θ οποία ςυςςωρεφετε ςτθν περιοχι του Αιγαίου. Τζλοσ ςτο ςχιμα 3.33 παρουςιάηονται οι διαφορζσ μεταξφ ιςχυρϊν και αςκενϊν ετθςίων. Ο χάρτθσ τθσ κατακόρυφθσ τομισ πίεςθσ-γεωγραφικοφ - 89 -
μικουσ (25 Ε, Αιγαίο πζλαγοσ) δείχνει τθν φπαρξθ υψθλϊν διαφορϊν που αγγίηουν τα 12 ppbv, ςτα ανϊτερα ςτρϊματα τθσ τροπόςφαιρασ από τα 200-350 mb. Σχήμα 3.33: Μζςοι χάρτεσ κατακόρυφθσ τομισ πίεςθσ-γεωγραφικοφ πλάτουσ(25 Ε) και μικουσ (38 Ν) του όηοντοσ για τισ διαφορζσ ιςχυρϊν-αςκενϊν ετθςίων, για τθν περίοδο Ιοφλιοσ-Αφγουςτοσ, 1989-2009. Αν ςυνδυαςτεί αυτό με το γεγονόσ ότι θ δυναμικι τροπόπαυςθ (PV=2PVU) εντοπίηεται ςτα 250 mb για τθν περιοχι του Αιγαίου, υποδθλϊνεται θ ειςροι ςτρατοςφαιρικοφ αζρα εμπλουτιςμζνου ςε όηον το οποίο αναμιγνφεται με το όηον τθσ μζςθσ τροπόςφαιρασ. Στθ ςυνζχεια οι διαφορζσ λαμβάνουν πάλι μεγάλεσ τιμζσ από τα 850 mb μζχρι τθν επιφάνεια, λόγω αυξθμζνθσ φωτοχθμικισ δραςτθριότθτασ ςτθν περιοχι τισ μζρεσ που πνζουν ιςχυροί ετθςίεσ άνεμοι. Για τον χάρτθ κατακόρυφθσ τομισ πίεςθσ γεωγραφικοφ-μικουσ (25 Ε) ςτθν περιοχι του Αιγαίου (33 Ν -39 Ν), παρατθροφνται ιςχυρζσ διαφορζσ τθσ τάξθσ των 12 ppbv για τα ιςοβαρικά επίπεδα 200-400 mb. Ο χάρτθσ του ςχιματοσ 3.34 κατακόρυφθσ τομισ πίεςθσγεωγραφικοφ μικουσ του δυνθτικοφ ςτροβιλιςμοφ και τθσ κατακόρυφθσ ταχφτθτασ Ω ςτισ 38 Ν για τουσ ιςχυροφσ ετθςίεσ, χαρακτθρίηεται από τθν φπαρξθ μια ςτιλθσ με αυξθμζνεσ τιμζσ δυνθτικοφ ςτροβιλιςμοφ τθσ τάξθσ του - 90 -
1PVU κατά μικοσ τθσ ατμόςφαιρασ, που φτάνει μζχρι τθν επιφάνεια και εντοπίηεται ςτθν περιοχι του Αιγαίου (25 Ε) υποδεικνφοντασ τθν ανάμιξθ ςτρατοςφαιρικοφ και τροποςφαιρικοφ αζρα ςτθν περιοχι. Επίςθσ θ κατακόρυφθ ταχφτθτα λαμβάνει κετικζσ τιμζσ, υποδεικνφοντασ τισ κακοδικζσ κινιςεισ που λαμβάνουν χϊρα ςτο Αιγαίο. Για τον χάρτθ των αςκενϊν ετθςίων θ ανάμιξθ των αερίων μαηϊν φαίνεται να γίνεται ςε μικρότερο βακμό. Σχήμα 3.34: Μζςοι χάρτεσ κατακόρυφθσ τομισ πίεςθσ-γεωγραφικοφ μικουσ του δυνθτικοφ ςτροβιλιςμοφ και τθσ κατακόρυφθσ ταχφτθτασ ςτισ 38 Ν, για τουσ ιςχυροφσ και αςκενείσ ετθςίεσ, για τθν περίοδο Ιοφλιοσ-Αφγουςτοσ, 1989-2009. Ραρόμοια είναι και τα αποτελζςματα ςτουσ χάρτεσ του ςχιματοσ 3.35 κατακόρυφθσ τομισ πίεςθσ-γεωγραφικοφ πλάτουσ του δυνθτικοφ ςτροβιλιςμοφ ςτισ 25 Ε. Θ κατακόρυφθ ταχφτθτα λαμβάνει επίςθσ κετικζσ τιμζσ. - 91 -
Σχήμα 3.35: Μζςοι χάρτεσ κατακόρυφθσ τομισ πίεςθσ-γεωγραφικοφ πλάτουσ του δυνθτικοφ ςτροβιλιςμοφ και τθσ κατακόρυφθσ ταχφτθτασ ςτισ 25 Ε, για τουσ ιςχυροφσ και τουσ αςκενείσ ετθςίεσ, για τθν περίοδο Ιοφλιο Αφγουςτοσ, 1989-2009. Στον χάρτθ του ςχιματοσ 3.36 παρουςιάηονται οι διαφορζσ μεταξφ ιςχυρϊν και αςκενϊν ετθςίων για τον δυνθτικό ςτροβιλιςμό και τθν κατακόρυφθ ταχφτθτα. Σχήμα 3.36: Μζςοι χάρτεσ κατακόρυφθσ τομισ πίεςθσ-γεωγραφικοφ μικουσ (38 Ν) και πλάτουσ (25 Ε) του δυνθτικοφ ςτροβιλιςμοφ και τθσ κατακόρυφθσ ταχφτθτασ, για τισ διαφορζσ, για τθν περίοδο Ιοφλιοσ Αφγουςτοσ, 1989-2009. Η περιοχι του Αιγαίου ςθμειϊνεται με αςτερίςκο. - 92 -
Στον πρϊτο κατά ςειρά χάρτθ και για τθν περιοχι του Αιγαίου, οι διαφορζσ του δυνθτικοφ ςτροβιλιςμοφ λαμβάνουν κετικζσ τιμζσ (0,5 PVU) ςτθν ανϊτερθ ατμόςφαιρα (300 mb) και ςτθν επιφάνεια. Ππωσ επίςθσ κετικζσ τιμζσ λαμβάνει και θ κατακόρυφθ ταχφτθτα. Για να διαπιςτωκεί καλφτερα θ ειςβολι του ξθροφ ςτρατοςφαιρικοφ αζρα ςτθν τροπόςφαιρα, καταςκευάςτθκε θ κατακόρυφθ τομι πίεςθσγεωγραφικοφ μικουσ τθσ ειδικισ υγραςίασ ςτισ 38 Ν για τουσ ιςχυροφσ και αςκενείσ ετθςίεσ. Τα αποτελζςματα φαίνονται ςτο ςχιμα 3.37. Τόςο για τουσ ιςχυροφσ όςο και για τουσ αςκενείσ ετθςίεσ παρατθρείται ςτισ 25 Ε απότομθ μείωςθ τθσ ειδικισ υγραςίασ, ενϊ το φαινόμενο παρουςιάηεται ενιςχυμζνο ςτον χάρτθ των ιςχυρϊν ετθςίων. Σχήμα 3.37: Μζςοι χάρτεσ κατακόρυφθσ τομισ πίεςθσ-γεωγραφικοφ πλάτουσ τθσ ειδικισ υγραςίασ ςτισ 38 Ν για τθν περίοδο Ιοφλιοσ Αφγουςτοσ, 1989-2009, για τουσ ιςχυροφσ και αςκενείσ ετθςίεσ. Στον ςχιμα 3.38 παρουςιάηονται οι Μζςοι χάρτεσ κατακόρυφθσ τομισ πίεςθσ-γεωγραφικοφ μικουσ πλάτουσ τθσ ειδικισ υγραςίασ ςτισ 25 Ε, όπου και εδϊ ςτισ 33-41 (περιοχι Αιγαίου) παρατθρείται μείωςθ τθσ ειδικισ υγραςίασ κάνοντασ φανερι τθν ειςροι ξθροφ ςτρατοςφαιρικοφ αζρα ςτθν τροπόςφαιρα. - 93 -
Σχήμα 3.38: Μζςοι χάρτεσ κατακόρυφθσ τομισ πίεςθσ-γεωγραφικοφ μικουσ πλάτουσ τθσ ειδικισ υγραςίασ ςτισ 25 Ε για τθν περίοδο Ιοφλιοσ Αφγουςτοσ, 1989-2009, για τουσ ιςχυροφσ και τουσ αςκενείσ ετθςίεσ. Στον χάρτθ του ςχιματοσ 3.39 παρουςιάηεται θ κατακόρυφθ τομι πίεςθ-γεωγραφικοφ μικουσ (38 Ν) και πλάτουσ (25 Ε) των ποςοςτιαίων διαφορϊν τθσ ειδικισ υγραςίασ για τουσ αςκενείσ και ιςχυροφσ ετθςίεσ ανζμουσ. Θ κακ φψοσ κατανομι τθσ ειδικισ υγραςίασ ςτθν περιοχι του Αιγαίου παρουςιάηει αρνθτικζσ τιμζσ τθσ τάξθσ του 2-3%. Σχήμα 3.39: Μζςοι χάρτεσ κατακόρυφθσ τομισ πίεςθσ-γεωγραφικοφ πλάτουσ (38 Ν) και μικουσ (25 Ε) τθσ ειδικισ υγραςίασ για τισ ποςοςτιαίεσ διαφορζσ ιςχυρϊναςκενϊν ετθςίων, για τθν περίοδο Ιοφλιοσ Αφγουςτοσ, 1989-2009. - 94 -