Χαράλαμπος Φείδας Αν. Καθηγητής. Τομέας Μετεωρολογίας & Κλιματολογίας, Τμήμα Γεωλογίας Α.Π.Θ.

Χαράλαμπος Φείδας Αν. Καθηγητής Τομέας Μετεωρολογίας & Κλιματολογίας, Τμήμα Γεωλογίας Α.Π.Θ.

1 η εικόνα της γης από δορυφόρο (Explorer 6) 14 Αυγούστου 1959 Νέφωση στην περιοχή του Ειρηνικού Ωκεανού

3.1 Εισαγωγή Οι μετρήσεις από δορυφόρους προσέφεραν για πρώτη φορά μια παγκόσμια εικόνα της ατμόσφαιρας και των χωροχρονικών της μεταβολών. Έχουν εφαρμογή στην παρακολούθηση : της σύστασης της ατμόσφαιρας των εκπομπών ενός ηφαιστείου, των εκπομπών από βιομηχανικές περιοχές των εκπομπών από πλοία

Οι δορυφορικοί αισθητήρες καταγράφουν την ακτινοβολία που ανακλάται ή σκεδάζεται ή εκπέμπεται από την ατμόσφαιρα και την επιφάνεια της γης.

Το είδος της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας καθορίζεται από το μήκος κύματος (λ)

Δορυφορική τηλεπισκόπηση (satellite remote sensing): η διαδικασία λήψης πληροφοριών για ένα αντικείμενο, μία περιοχή ή ένα φαινόμενο, με τη χρήση ανιχνευτικών συσκευών που φέρονται από δορυφόρους.

Χαμηλής (πολικής) τροχιάς Υψηλής (Γεωστάσιμης) τροχιάς

Γιατί δορυφόρους; η παγκόσμια γεωγραφική κάλυψη η ημερήσια κάλυψη

Παγκόσμιο Δίκτυο σταθμών παρατήρησης όζοντος

Κατανομή ολικού όζοντος από το ΟΜΙ του δορυφόρου AURA

Οι δορυφορικές παρατηρήσεις προσφέρουν παγκόσμια κάλυψη σε ημερήσια βάση για μια σειρά από αέριες χημικές ενώσεις.

Η διασυνοριακή μεταφορά αέριων ρύπων όπως αιωρούμενα σωματίδια από ερήμους και μηχανές ντήζελ, οξείδια του αζώτου (ΝΟ x ) από πετρελαιομηχανές και πτητικές ενώσεις μπορεί να καταγραφεί εύκολα με δορυφορικές παρατηρήσεις.

Τα δορυφορικά δεδομένα έχουν περιορισμούς σε εφαρμογές ποιότητας αέρα περιφερειακής και τοπικής κλίμακας Συνδυασμός δορυφορικών δεδομένων με μοντέλα αέριας ρύπανσης. Κατανομή όζοντος από μοντέλο CMAQ με δεδομένα NO x από GOME

Τα δορυφορικά δεδομένα δίνουν σημαντικές πληροφορίες για τις πηγές αέριες μόλυνσης στην περίπτωση υπέρβασης των ορίων Λόγω των νομικών συνεπειών η γνώση της προέλευσης της ρύπανσης (τοπική ή μεταφερόμενη) είναι σημαντική.

3.2 Βασικές αρχές Οι μετρήσεις από δορυφόρους προσέφεραν για πρώτη φορά μια παγκόσμια εικόνα της ατμόσφαιρας και των χωροχρονικών της μεταβολών. Η από διαστήματος παρατήρηση των ατμοσφαιρικών ιχνοαερίων (trace gases) βασίζεται στην ανάλυση των μετρήσεων: της σκεδαζόμενης και ανακλώμενης ηλιακής ακτινοβολίας της εκπεμπόμενης υπέρυθρης ακτινοβολίας ή σε διάφορα μήκη κύματος που βρίσκονται στις φασματικές ζώνες απορρόφησης των αερίων αυτών..

Τρεις βασικές μεθοδολογίες: 1. Αναγνώριση αερολυμάτων (αιωρούμενων σωματιδίων) σε εικόνες του ορατού. 2. Υπολογισμός ολικής συγκέντρωσης αερίων ή αερολυμάτων με βάση την ανακλώμενη ηλιακή ή εκπεμπόμενη υπέρυθρη ακτινοβολία και τη χρήση μοντέλων ακτινοβολίας 3. Υπολογισμός της ολικής συγκέντρωσης ή κατακόρυφης κατανομής των αερίων (ραδιοβόλιση) με βάση την απορρόφηση της ανακλώμενης ηλιακής ή εκπεμπόμενης υπέρυθρης ακτινοβολίας

3.2.1 Αναγνώριση αερολυμάτων Βασίζεται στην σκέδαση των αερολυμάτων στην ορατή ηλιακή ακτινοβολία

Μεταφορά σκόνης από την Αφρική στη ΝΑ Μεσόγειο σε εικόνα του δορυφόρου MODIS

Καπνός από δασική πυρκαγιά στη Χϊο σε εικόνα του δορυφόρου MODIS

Μέση κατανομή αιρούμενων σωματιδίων στον πλανήτη (2007-2011) από το δορυφόρο MODIS

Μέση κατανομή αιρούμενων σωματιδίων στον πλανήτη (2007-2011) από το δορυφόρο MODIS σκόνη, αλάτι καπνός, ρύποι

3.2.2 Υπολογισμός ολικής συγκέντρωσης αερίων ή αερολυμάτων με βάση την ανακλώμενη ηλιακή ή εκπεμπόμενη υπέρυθρη ακτινοβολία και τη χρήση μοντέλων ακτινοβολίας

3.2.3 Υπολογισμός της ολικής συγκέντρωσης ή κατακόρυφης κατανομής των αερίων με βάση την απορρόφησης της ανακλώμενης ηλιακής ή εκπεμπόμενης υπέρυθρης ακτινοβολίας. Υπάρχουν τρία είδη τεχνικών ραδιοβόλισης με παθητικούς ανιχνευτές ανάλογα με τη γεωμετρία λήψης:

Συστήματα ναδίρ (nadir instruments): βλέπουν την επιφάνεια της γης σε κατακόρυφη διεύθυνση. Έχουν μεγάλη οριζόντια αλλά μικρή κατακόρυφη χωρική ανάλυση..

Συστήματα limb (limb systems): καταγράφουν μόνο την προερχόμενη από την ατμόσφαιρα ακτινοβολία, βλέποντας μέσα από αυτή σε οριζόντια διεύθυνση και σε διάφορα ύψη. Έχουν μικρή οριζόντια (300 km) αλλά μεγάλη κατακόρυφη (5 km) χωρική ανάλυση.. Περισσότερες χημικές ενώσεις. Μόνο περιοχή στρατόσφαιρας (>11 km)

Συστήματα έκλειψης (occultation systems): καταγράφουν την εξασθένιση της ακτινοβολίας των άστρων από την ατμόσφαιρα κατά τη διάρκεια της δύσης και της ανατολής του δορυφόρου. Έχουν μικρή οριζόντια (300 km) αλλά μεγάλη κατακόρυφη (5 km) χωρική ανάλυση.. Μόνο περιοχή στρατόσφαιρας (>11 km)

α. σκεδαζόμενη και ανακλώμενη ηλιακή ακτινοβολία

Η απορρόφηση της ηλιακής ακτινοβολίας από κάποια αέρια της ατμόσφαιρας μεταβάλλεται με το μήκος κύματος Η διείσδυση της στην ατμόσφαιρα αλλάζει με το μήκος κύματος. Ισχύει για Ο 3, CO, CH 4, και CO 2

Στα συστήματα ναδίρ, απαιτείται πληροφορία για την ανακλαστικότητα του εδάφους.

Στα συστήματα limb, δεν χρειάζεται καθώς το υπόβαθρο είναι το διάστημα.

β. Εκπεμπόμενη υπέρυθρη ακτινοβολία τα αέρια της ατμόσφαιρας απορροφούν και εκπέμπουν ακτινοβολία σε διαφορετικές και σχετικά στενές φασματικές ζώνες.

Η ακτινοβολία σε μήκη κύματος με ισχυρή απορρόφηση που μετράται τελικά προέρχεται από τα υψηλότερα στρώματα της ατμόσφαιρας

Η ακτινοβολία σε μήκη κύματος με μικρή απορρόφηση που μετράται τελικά προέρχεται από χαμηλότερα στρώματα της ατμόσφαιρας

Κατακόρυφη κατανομή όζοντος από GOME-2

3.3 Δορυφορικά συστήματα παρακολούθησης της χημείας της ατμόσφαιρας Υπάρχουν δυο είδη δορυφορικών συστημάτων: i. Όργανα με δυνατότητα μέτρησης της ολικής συγκέντρωσης του αερίου σε μια στήλη της ατμόσφαιρας

ii. Όργανα τα οποία μετρούν την κατακόρυφη κατανομή της συγκέντρωσης των αερίων σε όλη την ατμόσφαιρα. Συστήματα ναδίρ για την τροπόσφαιρα (δύσκολα), κυρίως ολικές συγκεντρώσεις, περιορισμένη δυνατότητα για κατακόρυφη κατανομή

ii. Όργανα τα οποία μετρούν την κατακόρυφη κατανομή της συγκέντρωσης των αερίων σε όλη την ατμόσφαιρα. Συστήματα limb για την ανώτερη τροπόσφαιρα και τη στρατόσφαιρα με μεγάλη κατακόρυφη χωρική ανάλυση

UARS (Upper Atmosphere Research Satellite) τέθηκε σε τροχιά το 1991 όργανο HALOE (HALogen Occultation Experiment) λειτουργία limb, ηλιακή και υπέρυθρη ακτινοβολία κατακόρυφη κατανομή των συγκεντρώσεων: όζον (O 3 ), υδροφθορικό και υδροχλωρικό οξύ (HF, HCl), μεθάνιο (CH 4 ), υδρατμοί (H 2 O) και ενώσεις του αζώτου (NO x ) ύψος 6 150 km κατακόρυφη ανάλυση 2-5 km οριζόντια χωρική ανάλυση 300 km

Kατακόρυφη κατανομή των συγκεντρώσεων όζοντος (O 3 ) σε διαδοχικές ώρες της 12 ης Δεκεμβρίου 1996 από το όργανο HALOE

Όργανο GOME του δορυφόρου ERS-2 τέθηκε σε τροχιά το 1996 όργανο GOME (Global Ozone Monitoring Experiment) λειτουργία ναδίρ, ηλιακή ακτινοβολία ολικές συγκεντρώσεις: όζον (O 3 ), διοξείδιο του αζώτου (NO 2 ), διοξείδιο του θείου (SO 2 ), φορμαλδεΰδη (HCHO) κατακόρυφη κατανομή των συγκεντρώσεων: όζον (O 3 ) κατακόρυφη ανάλυση 5 km οριζόντια χωρική ανάλυση 40-300 km

(α) Η κάλυψη του πλανήτη σε μια ημέρα από το όργανο GOME. (β) Χάρτης με τη μέση ημερήσια κατανομή του όζοντος για τη 10 η Φεβρουαρίου 1998 από το GOME

Χάρτες κατανομής του όζοντος σε πραγματικό χρόνο για τη 10 η Φεβρουαρίου 1998 από το όργανο GOME

Κατακόρυφη κατατομή του όζοντος κατά μήκος της τροχιάς του δορυφόρου ERS-2 από το όργανο GOME την 5 η Οκτωβρίου 2000

Χάρτης με τη μέση συγκέντρωση του SO 2 στην Ευρώπη από το GOME για την περίοδο 15-29 Φεβρουαρίου 1996

Χάρτες με τη μέση ετήσια συγκέντρωση του ΝΟ 2 για το 1997 από το GOME που παρουσιάζουν την ατμοσφαιρική μόλυνση από τις εκπομπές πάνω από βιομηχανικές περιοχές

Όργανο SCIAMACHY του δορυφόρου ENVISAT τέθηκε σε τροχιά το 2002 όργανο SCIAMACHY διάδοχος του GOME λειτουργία ναδίρ, limb και συνδυασμό ναδίρ/limb, ηλιακή ακτινοβολία ολικές συγκεντρώσεις και κατακόρυφη κατανομή των συγκεντρώσεων: Ο 2, Ο 3, CΟ, Ν 2 Ο, ΝΟ 2, SO 2, CO 2, CH 4, H 2 O, BrO, OClO, HCHO κατακόρυφη ανάλυση 5 km οριζόντια χωρική ανάλυση καλύτερη

Η γεωμετρία της κατόπτευσης σε συνδυασμό ναδίρ/limb

Η κατανομή της συγκέντρωσης του όζοντος, ανά 5 km, στην στρατόσφαιρα και του ολικού όζοντος στην ατμόσφαιρα για το βόρειο ημισφαίριο, από το όργανο SCIAMACHY την 30 η Ιουνίου 2006

Κατακόρυφο προφίλ της συγκέντρωσης του διοξειδίου του αζώτου (NO 2 ) κατά μήκος της τροχιάς του ENVISAT, από το όργανο SCIAMACHY την 30 η Απριλίου 2006, σε πέρασμα του δορυφόρου πάνω από την Ευρώπη και την Ελλάδα

Χάρτης με την κατανομή της ολικής συγκέντρωσης μεθανίου (CH 4 ) στον πλανήτη για το έτος 2003, από το όργανο SCIAMACHY λειτουργία ναδίρ

Χάρτης με την κατανομή της ολικής συγκέντρωσης διοξειδίου του αζώτου (NO 2 ) στην τροπόσφαιρα για τον Αύγουστο του 2002, από το όργανο SCIAMACHY συνδυασμός ναδίρ/limb

Όργανο GOME-2 του δορυφόρου METOP τέθηκε σε τροχιά το 2006 (ESA) Διάδοχος του GOME με βελτιωμένη οριζόντια χωρική ανάλυση (40 x 40 km) Βελτιωμένη καταγραφή όζοντος και ΝΟ 2 στην τροπόσφαιρα

Ολικό ποσό διοξειδίου του αζώτου (NO 2 ) για ένα έτος από το GOME-2

Όργανο ΟΜΙ του δορυφόρου AURA τέθηκε σε τροχιά το 2004 (NASA) όργανο OMI (Ozone Monitoring Instrument) λειτουργία ναδίρ, ηλιακή ακτινοβολία ολικές συγκεντρώσεις : Ο 3, ΝΟ 2, SO 2, BrO, OClO, κατακόρυφη κατανομή Ο 3, αερολύματα (διάκριση σε τύπους) κατακόρυφη ανάλυση 5 km οριζόντια χωρική ανάλυση 40 km

Ολικό ποσό διοξειδίου του αζώτου (NO 2 ) για το 2011 από το ΟΜΙ

Ολικό ποσό διοξειδίου του αζώτου (NO 2 ) για μια ημέρα από το ΟΜΙ

3.4 Παρακολούθηση των εκπομπών των πλοίων από δορυφόρους Με δυο τρόπους: α. Έμμεσα μέσω των νεφών των ιχνών των πλοίων (ship cloud tracks) β. Άμεσα μέσω των εκπομπών NO 2, SO 2 και αερολυμάτων.

α. Νέφη των ιχνών των πλοίων (ship cloud tracks)

Μετατροπή των νεφών στα ίχνη των πλοίων (μικρότερες σταγόνες)

% κάλυψη από ίχνη πλοίων για το 2014 (μετρήσεις από δορυφόρο AATSR) 60 ο Ν 30 ο Ν 10 ο S 20 ο Ν

β. Εκπομπές των πλοίων Οι εκπομπές των πλοίων (κυρίως ΝΟ 2 ) μπορούν να καταγραφούν με δορυφορικά όργανα όπως το GOME, SCIAMACHY και OMI σε παγκόσμια κλίμακα. Εκτιμάται ότι οι εκπομπές ΝΟ x από πλοία αποτελούν το 15 30% των ανθρωπογενών εκπομπών. Οι δορυφορικές παρατηρήσεις μειώνουν την αβεβαιότητα των εκτιμήσεων. Βρέθηκε ότι οι εκπομπές ΝΟ 2 από μεγάλα πλοία αυξήθηκαν σταθερά το διάστημα 2003 2008, μετά μειώθηκαν απότομα λόγω της οικονομικής ύφεσης και της μείωσης της ναυτιλιακής κίνησης.

Ολικές συγκεντρώσεις ΝΟ 2 από το ΟMI για 2005-2012 Καύση βιομάζας Αφρική

ΝΟ 2 εκπομπές για 2008 σε σχέση με τις διελεύσεις πλοίων

SAMBA - SAtellite Monitoring of ship emissions in the Baltic sea ΕΥΧΑΡΙΣΤΩ