ΕΠΙΧΕΙΡΗΣΙΑΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ «ΕΚΠΑΙΔΕΥΣΗ ΚΑΙ ΔΙΑ ΒΙΟΥ ΜΑΘΗΣΗ» ΕΘΝΙΚΟ ΣΤΡΑΤΗΓΙΚΟ ΠΛΑΙΣΙΟ ΑΝΑΦΟΡΑΣ ΕΣΠΑ 2007-2013 ΔΡΑΣΗ «ΑΡΙΣΤΕΙΑ» ΠΑΡΑΔΟΤΕΟ 3.1 ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΣΜΟΣ ΥΛΟΠΟΙΗΣΗΣ ΤΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΙΚΩΝ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ ΚΑΙ ΤΩΝ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ ΚΑΤΑ ΤΗ ΔΙΑΡΚΕΙΑ ΕΚΣΤΡΑΤΕΙΩΝ ΤΙΤΛΟΣ / ΚΩΔΙΚΟΣ ΕΡΓΟΥ: Βελτιστοποίηση και επέκταση επίγειας υποδομής για την πιστοποίηση μετρήσεων ατμοσφαιρικών συστατικών από δορυφορικά όργανα AVANTI/608 ΚΥΡΙΟΣ ΕΡΕΥΝΗΤΗΣ ΜΕΛΗ ΤΗΣ ΕΡΕΥΝΗΤΙΚΗΣ ΟΜΑΔΑΣ ΠΟΥ ΣΥΜMΕΤΕΙΧΑΝ Αλκιβιάδης Μπάης Δημήτριος Μπαλής, Ναταλία Κουρεμέτη, Θεανώ Δρόσογλου
ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ ΕΙΣΑΓΩΓΗ... 3 ΣΥΣΤΗΜΑΤΙΚΕΣ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ... 3 ΤΟΠΟΘΕΣΙΑ... 3 ΤΥΠΟΣ ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΕΩΝ... 4 ΣΧΕΤΙΚΑ ΔΕΔΟΜΕΝΑ... 4 ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ ΑΝΑΛΥΣΗΣ ΤΩΝ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ ΚΑΙ ΠΑΡΑΓΟΜΕΝΑ ΠΡΟΪΟΝΤΑ... 5 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΕΣ ΕΚΣΤΡΑΤΕΙΕΣ... 5 1. ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ... 5 2. ΠΤΟΛΕΜΑΪΔΑ... 6 ΤΥΠΟΣ ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΕΩΝ... 7 ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΕΚΣΤΡΑΤΕΙΩΝ... 7 ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ ΑΝΑΛΥΣΗΣ ΤΩΝ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ... 7 2
Εισαγωγή Στα πλαίσια του έργου θα πραγματοποιηθούν μετρήσεις, τόσο συστηματικές στο Εργαστήριο Φυσικής της Ατμόσφαιρας (Ε.Φ.Α.) στη Θεσσαλονίκη, όσο και κατά τη διάρκεια πειραματικών εκστρατειών στην ευρύτερη και τη βιομηχανική περιοχή της Θεσσαλονίκης, καθώς και στην ρυπασμένη περιοχή της Πτολεμαΐδας. Η συστηματική παρακολούθηση της ποιότητας του αέρα στη Θεσσαλονίκη, η οποία έχει ήδη ξεκινήσει και θα συνεχιστεί μέχρι το τέλος του έργου, αποσκοπεί στη μακροχρόνια πιστοποίηση αντίστοιχων δορυφορικών δεδομένων. Παρόλο που τα δορυφορικά όργανα, σε πολική τροχιά, δεν παρέχουν πληροφορίες σχετικές με τους ημερήσιους κύκλους των στηλών των αερίων, το σύστημα Φαέθων θα λειτουργεί συνεχώς κατά τις ώρες με ηλιοφάνεια για λόγους έλεγχου της λειτουργίας του και για τη δημιουργία κλιματολογίας των ημερήσιων κύκλων. Σκοπός είναι η εκτίμηση της χωρικής μεταβλητότητας των τροποσφαιρικών στηλών που προκύπτουν από επίγεια όργανα σε σχέση με τις χωρικά μέσες στήλες που προκύπτουν από τα δορυφορικά δεδομένα. Επιπλέον εκστρατείες θα οργανωθούν σε ρυπασμένες βιομηχανικές περιοχές, όπως π.χ., η Πτολεμαΐδα στη Δυτική Μακεδονία και η βιομηχανική περιοχή της Θεσσαλονίκης, όπου υπάρχουν ενδείξεις για υψηλές συγκεντρώσεις τροποσφαιρικών σωματιδίων, SO 2 και NO 2, τα οποία είναι ανιχνεύσιμα από δορυφορικά όργανα. Τα τρία συστήματα θα εγκατασταθούν σε σταθερές τοποθεσίες σε κάθε περιοχή, ώστε να καταγραφεί η χωρική μεταβλητότητα των ρύπων και το σύνολο των μετρήσεων θα συγκριθεί με δορυφορικά δεδομένα. Στόχος είναι: α) να εκτιμηθεί η απόκριση των δορυφορικών οργάνων σε συνθήκες υψηλών τροποσφαιρικών επιπέδων ρύπανσης σε συνάρτηση με την απόδοσή τους υπό χαμηλή προς μέτρια τροποσφαιρική ρύπανση και, ως εκ τούτου, να διερευνηθεί η δυσκολία των οργάνων αυτών να εκτιμήσουν με ακρίβεια την απορρόφηση που υφίσταται η ακτινοβολία από τα αέρια στοιχεία μέσα στο οριακό στρώμα. β) να ποσοτικοποιηθεί η χωρική μεταβλητότητα των συγκεντρώσεων των τροποσφαιρικών ρύπων και να εκτιμηθεί η αντιπροσωπευτικότητα των επίγειων μετρήσεων μεμονωμένων οργάνων σε ρυπασμένες περιοχές. Συστηματικές μετρήσεις Τοποθεσία Τα τρία συστήματα Φαέθων είναι εγκατεστημένα και πραγματοποιούν μετρήσεις στο δώμα του κεντρικού κτιρίου της Σχολής Θετικών Επιστημών του Α.Π.Θ., όπου στεγάζεται το Εργαστήριο Φυσικής της Ατμόσφαιρας (Ε.Φ.Α.). Το σημείο όπου βρίσκονται τοποθετημένα τα τρία συστήματα εξασφαλίζει οπτικό πεδίο ελεύθερο από σημαντικά εμπόδια (κτίρια, δέντρα κ.ά.) για ένα μεγάλο εύρος γωνιών, καθώς και την ανεμπόδιστη παρακολούθηση του ηλιακού δίσκου καθ όλη τη διάρκεια της ημέρας. 3
Τύπος παρατηρήσεων Τα τρία συστήματα Φαέθων πραγματοποιούν σχεδόν ταυτόχρονες μετρήσεις της φασματικής έντασης της ακτινοβολίας (sky-radiance) σε διάφορες διευθύνσεις και της φασματικής πυκνότητας ροής της άμεσης ηλιακής ακτινοβολίας (direct irradiance). Αζιμούθιες γωνίες: Οι μετρήσεις της φασματικής έντασης πραγματοποιούνται σε δύο διαφορετικές αζιμούθιες διευθύνσεις, η πρώτη έχει διαφορά 80 ο από την αζιμούθια διεύθυνση του ηλίου, ενώ η δεύτερη είναι σταθερή στις 255 ο. Όταν το αζιμούθιο παρατήρησης βρίσκεται στις 80 ο σε σχέση με τον ήλιο, η εισερχόμενη στο σύστημα δέσμη έχει διανύσει επαρκή απόσταση μέσα στην ατμόσφαιρα ώστε να υποστεί σημαντική απορρόφηση από τα αέρια συστατικά. Επιπλέον, οι 255 ο έχουν επιλεγεί ως μία σταθερή γωνία παρατήρησης επειδή σε αυτή τη διεύθυνση το οπτικό πεδίο είναι πλήρως ελεύθερο από εμπόδια και συνεπώς στα συστήματα εισέρχονται ακόμα και φωτόνια που έχουν υποστεί σκέδαση σε μεγάλη απόσταση από το σημείο ανίχνευσής τους. Γωνίες ύψους: Η γωνία ύψους παρατήρησης είναι η συμπληρωματική της ζενίθειας γωνίας (π.χ., ύψος 90 ο αντιστοιχεί σε στόχευση στην κατακόρυφο). Κάθε ομάδα παρατηρήσεων περιλαμβάνει μετρήσεις σε 11 διαφορετικές γωνίες ύψους (90 ο, 45 ο, 30 ο, 15 ο, 12 ο, 10 ο, 8 ο, 5 ο, 4 ο, 3 ο, 2 ο ). Μετά το πέρας κάθε αλληλουχίας μετρήσεων της έντασης στα προαναφερθέντα ύψη, πραγματοποιούνται μετρήσεις της φασματικής πυκνότητας ροής της άμεσης ηλιακής ακτινοβολίας. Κάθε κύκλος μετρήσεων διαρκεί περίπου 10-30 λεπτά της ώρας. Χρόνος ολοκλήρωσης: Ο χρόνος ολοκλήρωσης (χρόνος έκθεσης του ανιχνευτή κατά τη μέτρηση ενός φάσματος) κάθε φασματικής μέτρησης (integration time, IT) δεν είναι προκαθορισμένος αλλά υπολογίζεται σε πραγματικό χρόνο και εξαρτάται από τις συνθήκες που επικρατούν τη δεδομένη στιγμή της μέτρησης (π.χ., νεφοκάλυψη, ηλιακή ζενίθια γωνία) αλλά και από τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά του φασματογράφου (π.χ., φασματική ανάλυση, ευαισθησία). Ως εκ τούτου, ενδέχεται να παρατηρηθούν αποκλίσεις από τον συγχρονισμό των τριών συστημάτων της τάξης των μερικών λεπτών. Ωστόσο, οι αποκλίσεις αυτές δεν δημιουργούν προβλήματα κατά τη σύγκριση των αποτελεσμάτων (κατακόρυφες στήλες ατμοσφαιρικών αερίων) διότι οι ατμοσφαιρικές συνθήκες μεταβάλλονται σημαντικά σε πολύ μεγαλύτερα χρονικά διαστήματα. Σχετικά δεδομένα Εκτός από τα MAX-DOAS συστήματα Φαέθων, στο Ε.Φ.Α. είναι εγκατεστημένο και λειτουργεί συστηματικά ένα φωτόμετρο CIMEL. Το φωτόμετρο CIMEL παρέχει πληροφορίες για το οπτικό βάθος και άλλες οπτικές ιδιότητες των αιωρουμένων σωματιδίων της ατμόσφαιρας, οι οποίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως δεδομένα εισαγωγής στο μοντέλο διάδοσης ακτινοβολίας για τον ακριβέστερο προσδιορισμό των συντελεστών αέριας μάζας (airmass factors, AMF). Οι συντελεστές αυτοί χρησιμοποιούνται για τη μετατροπή της πλάγιας διαφορικής στήλης των ατμοσφαιρικών αερίων σε κατακόρυφη ολική ή τροποσφαιρική στήλη. Επιπλέον, στο Ε.Φ.Α. λειτουργούν ένα πυρανόμετρο και μία 4
κάμερα παρακολούθησης του ουράνιου θόλου, τα δεδομένα των οποίων μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον έλεγχο των συνθηκών νεφοκάλυψης. Μεθοδολογία ανάλυσης των μετρήσεων και παραγόμενα προϊόντα Ο προσδιορισμός της ολικής και τροποσφαιρικής στήλης των ατμοσφαιρικών αερίων γίνεται με τη φασματοσκοπία της διαφορικής οπτικής απορρόφησης (Differential Optical Absorption Spectroscopy, DOAS). Οι μετρήσεις των συστημάτων Φαέθων αποθηκεύονται, εκτός από τον φορητό υπολογιστή του κάθε συστήματος, και σε έναν κεντρικό ηλεκτρονικό υπολογιστή, όπου γίνεται η επεξεργασία μέσω κατάλληλα διαμορφωμένου λογισμικού. Για την εφαρμογή της μεθόδου DOAS στα καταγεγραμμένα φάσματα και τον προσδιορισμό των πλάγιων διαφορικών στηλών των αερίων NO 2, O 3, SO 2, O 4 και HCHO χρησιμοποιείται το λογισμικό QDOAS. Οι μετρήσεις της άμεσης ηλιακής ακτινοβολίας χρησιμοποιούνται για το φασματικό προσδιορισμό του οπτικού βάθους των αιωρούμενων σωματιδίων, καθώς και για τον υπολογισμό της κατακόρυφης στήλης του O 3. Ο υπολογισμός των συντελεστών αέριας μάζας (AMF) γίνεται με τη βοήθεια του μοντέλου διάδοσης ακτινοβολίας libradtran. Περισσότερη έμφαση δίνεται στον υπολογισμό των συγκεντρώσεων των αερίων ΝΟ 2 και Ο 3, που αποτελούν δύο από τους σημαντικότερους αέριους ρύπους στις περιοχές που εξετάζονται και παρέχονται από δορυφορικά όργανα. Πειραματικές εκστρατείες 1. Θεσσαλονίκη Τα τρία συστήματα Φαέθων θα εγκατασταθούν σε σταθερές τοποθεσίες της ευρύτερης περιοχής της Θεσσαλονίκης, οι οποίες χαρακτηρίζονται από διαφορετικά επίπεδα αέριας ρύπανσης και βρίσκονται εντός περιοχής μικρότερης του ενός δορυφορικού pixel. Σκοπός είναι η εκτίμηση της χωρικής μεταβλητότητας των τροποσφαιρικών στηλών που προκύπτουν από επίγεια όργανα σε σχέση με τις χωρικά μέσες στήλες που προκύπτουν από δορυφορικά δεδομένα. Τα σημεία όπου θα γίνει η εγκατάσταση θα επιλεγούν έτσι ώστε να αποκλείεται η πρόσβαση σε τρίτους για λόγους ασφαλείας αλλά και για να διασφαλιστεί η σωστή λειτουργία των οργάνων. Η παρακολούθηση της σωστής λειτουργίας των οργάνων θα γίνεται εξ αποστάσεως με κατάλληλο λογισμικό. Για το λόγο αυτό απαιτείται διαρκής σύνδεση των υπολογιστών στο διαδίκτυο. Σε περίπτωση που δεν υπάρχει διαθέσιμη σύνδεση στο σημείο εγκατάστασης, θα χρησιμοποιηθεί φορητή συσκευή μετάδοσης δεδομένων (mobile broadband). Μια προκαταρκτική επιλογή σημείων τα οποία κατά αρχήν πληρούν τις παραπάνω προδιαγραφές παρουσιάζεται στην Εικόνα 1. Από τα σημεία αυτά θα επιλεγούν τελικά 2 στα οποία θα τοποθετηθούν τα δύο από τα 3 συστήματα εφόσον το 3 ο θα συνεχίσει να λειτουργεί στο ΑΠΘ για λόγους συνέχειας των μετρήσεων αλλά και επειδή η θέση αυτή είναι ήδη στο κέντρο της Θεσσαλονίκης. 5
Εικόνα 1. Πιθανές τοποθεσίες εγκατάστασης των συστημάτων Φαέθων κατά την πειραματική εκστρατεία στην ευρύτερη περιοχή της Θεσσαλονίκης. Εικόνα 2. Πιθανές τοποθεσίες εγκατάστασης των συστημάτων Φαέθων κατά την πειραματική εκστρατεία στην ευρύτερη περιοχή της Πτολεμαΐδας, στις οποίες έγιναν δοκιμαστικές μετρήσεις. 2. Πτολεμαΐδα Ομοίως με την εκστρατεία στην περιοχή της Θεσσαλονίκης, τα συστήματα Φαέθων θα εγκατασταθούν σε σταθερά σημεία στην περιοχή της Πτολεμαΐδας, όπου υπάρχουν ενδείξεις για υψηλές συγκεντρώσεις αιωρούμενων σωματιδίων, ΝΟ 2 και SO 2, τα οποία είναι ανιχνεύσιμα από τα δορυφορικά όργανα. Η παρακολούθηση της σωστής λειτουργίας των οργάνων και σε αυτήν την περίπτωση θα γίνεται εξ αποστάσεως, όπως περιγράφηκε στην 6
προηγούμενη παράγραφο. Ήδη πραγματοποιήθηκε μια προκαταρκτική επίσκεψη στην ευρύτερη περιοχή της κοιλάδας της Πτολεμαΐδας με σκοπό την αναζήτηση πιθανών σημείων εγκατάστασης των συστημάτων Φαέθων. Στα πλαίσια της επίσκεψης αυτής πραγματοποιήθηκαν σε τρία σημεία της περιοχής (Εικόνα 2) μετρήσεις της φασματικής έντασης της ακτινοβολίας (sky radiance) σε διαφορετικές αζιμούθιες διευθύνσεις και γωνίες ύψους. Τύπος παρατηρήσεων Και στις δύο πειραματικές εκστρατείες τα τρία συστήματα θα πραγματοποιούν σχεδόν ταυτόχρονες μετρήσεις της φασματικής έντασης της ακτινοβολίας (sky-radiance) σε διάφορες διευθύνσεις και της φασματικής πυκνότητας ροής της άμεσης ηλιακής ακτινοβολίας (direct irradiance). Ως εκ τούτου ο προγραμματισμός των μετρήσεων θα είναι ο ίδιος με αυτόν που χρησιμοποιείται για την συστηματική παρακολούθηση της ατμόσφαιρας στο Ε.Φ.Α. Η μόνη διαφοροποίηση αφορά την αζιμούθια γωνία παρατήρησης για τις μετρήσεις της φασματικής έντασης, η οποία θα προκύψει ανάλογα με τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά της κάθε τοποθεσίας εγκατάστασης των οργάνων. Πρόγραμμα εκστρατειών Οι εκστρατείες θα πραγματοποιηθούν μεταξύ Νοεμβρίου 2014 Μαΐου 2015. Η ακριβής ημερομηνία έναρξής τους καθώς και η διάρκειά τους θα εξαρτηθούν από τις καιρικές συνθήκες που θα επικρατούν στις δύο περιοχές κατά το διάστημα αυτό. Σε κάθε περίπτωση η διάρκεια των εκστρατειών θα είναι τέτοια ώστε να επιτευχθεί επαρκής συλλογή δεδομένων. Μεθοδολογία ανάλυσης των δεδομένων Μετά το πέρας κάθε πειραματικής εκστρατείας, οι μετρήσεις των συστημάτων θα αποθηκευτούν στον κεντρικό υπολογιστή, όπου θα γίνει η επεξεργασία τους και θα υπολογιστούν οι κατακόρυφες τροποσφαιρικές στήλες των διαφόρων αερίων. Προκαταρκτικές αναλύσεις των δεομένων θα γίνονται και κατά τη διάρκεια των εκστρατειών ώστε να ελέγχεται η λειτουργία των συστημάτων και να λαμβάνονται εγκαίρως τα απαραίτητα μέτρα σε περιπτώσεις προβλημάτων. Η μεθοδολογία ανάλυσης των δεδομένων είναι η ίδια με αυτήν που ακολουθείται για τα δεδομένα της συστηματικής παρακολούθησης και η οποία περιγράφεται στην αντίστοιχη παράγραφο. Έμφαση θα δοθεί κυρίως στον υπολογισμό της κατακόρυφης στήλης του NO 2, και του Ο 3 οι οποίοι αποτελούν και τους κυριότερους αέριους ρύπους που παρέχονται από δορυφορικά όργανα. Παράλληλα όμως θα εκτιμηθούν και οι συγκεντρώσεις των άλλων αερίων τα οποία ανιχνεύει το σύστημα Φαέθων. 7