Μελέτη επεισοδίων σκόνης από την έρημο Σαχάρα σε Μεσογειακές πόλεις με την χρήση δορυφορικών δεδομένων

ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΠΜΣ ΦΥΣΙΚΗΣ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ Μελέτη επεισοδίων σκόνης από την έρημο Σαχάρα σε Μεσογειακές πόλεις με την χρήση δορυφορικών δεδομένων Διπλωματική εργασία: Καραχρήστου Παναγιώτα A.E.M.21170 Περιβαλλοντολόγος Επιβλέπων καθηγητής: Επικ.Καθ.Χαρίκλεια Μελέτη Θεσσαλονίκη 2014

Πρόλογος Τα αιωρούμενα σωματίδια αποτελούν έναν από τους σημαντικότερους ρύπους στην ατμόσφαιρα. Η χημική σύσταση των σωματιδίων διαφέρει ανάλογα με την πηγή από την οποία προέρχονται. Το μέγεθος των σωματιδίων είναι καθοριστικό τόσο για την διείσδυση και απόθεσή τους όσο και για το χρόνο παραμονής τους στην ατμόσφαιρα και τη δυνατότητα μεταφοράς τους σε μακρινές αποστάσεις. Τα αιωρούμενα σωματίδια ερήμου ανήκουν στην κατηγορία των χονδρόκοκκων σωματιδίων. Αυτά που είναι μικρότερα από 10 μm μεταφέρονται σε μεγάλες αποστάσεις, έως και 5000 Km. Η παρούσα διπλωματική εργασία εκπονήθηκε στα πλαίσια του μεταπτυχιακού προγράμματος σπουδών, Φυσικής Περιβάλλοντος του Τμήματος Φυσικής του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης. Θα ήθελα να ευχαριστήσω ιδιαιτέρως την κ. Χαρούλα Μελέτη τόσο για την εμπιστοσύνη που μου έδειξε κατά την ανάθεση του θέματος της παρούσας εργασίας, όσο και για την βοήθεια, την καθοδήγηση, τις συμβουλές και τις υποδείξεις που μου παρείχε στα στάδια εκπόνησης αυτής. Επίσης ευχαριστώ θερμά τους Καθηγητές Α.Μπάη και Δ. Μελά, τον Αν. Καθηγητή Δ.Μπαλή και την Επικ.Καθηγήτρια Κ. Τουρπάλη για τις πολύτιμες γνώσεις που μου προσέφεραν. Καραχρήστου Παναγιώτα Θεσσαλονίκη, 2014 2

Περίληψη Στην παρούσα διπλωματική εργασία μελετήθηκαν οι οπτικές ιδιότητες αιωρούμενων σωματιδίων ερήμου σε 15 πόλεις περιμετρικά της Μεσογείου. O αισθητήρας MODIS παρείχε καθημερινές μετρήσεις για το χρονικό διάστημα Ιανουαρίου του 2000 έως και τον Δεκέμβριο του 2010Ο MODIS παρείχε μετρήσεις που συμπεριλαμβανόταν το οπτικό βάθος ΑOT 550(nm), o Fine Mode Ratio 550(nm), ο συντελεστής Angstrom Ocean (550/865nm) και ο συντελεστής Angstrom Land (470/660nm). Θέτοντας κριτήρια στις μετρήσεις, τα οποία βρέθηκαν από διεθνή βιβλιογραφία, έγινε μια προσπάθεια στατιστικής ανάλυσης για τον εντοπισμό των πιθανότερων τιμών των οπτικών ιδιοτήτων που προαναφέρθηκαν στις ημέρες επεισοδίων σκόνης από Σαχάρα. Χρησιμοποιήθηκε το μοντέλο HYSPLIT για την παρατήρηση των ανάδρομων τροχιών των σωματιδίων και για την επαλήθευση της πηγής προέλευσης. Στο τελικό στάδιο, έγινε συσχέτιση των μετρήσεων με δεδομένα και από το δίκτυο επίγειων μετρήσεων AERONET της NASA. 3

Abstract The aim of this thesis was the study of aerosol optical properties in 15 Mediterranean cities. Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) provided daily measurements from January 2000 to December 2010. MODIS measurements included optical depth AOD 550(nm), Fine Mode Ratio 550(nm), Angstrom Coefficient/Οcean (550/865nm) and Angstrom Coefficient/Land (470/660nm). By setting limits to measurements, from national bibliography, an effort was made to estimate the most common rates for optical properties and statistical analysis for Sahara desert dust episodes. HYSPLIT model was used to observed backward trajectory direction and verify the source. In the end, a correlation took place to compare satellite data to ground based measurements from AERONET/NASA. 4

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ο ΑΙΩΡΟΥΜEΝΑ ΣΩΜΑΤΙΔΙΑ 1.1. Ορισμός.7 1.2. Κατανομή μεγέθους των αιωρούμενων σωματιδίων 7 1.3. Χημική σύσταση...8 1.4. Κατηγοριοποίηση των αιωρούμενων σωματιδίων 9 1.4.1. Ανάλογα με την πηγή προέλευσης τους 1.4.2. Ανάλογα με την θέση τους στην υδρόγειο 1.4.3. Ανάλογα με την χημική τους σύσταση 1.5. Απομάκρυνση των αιωρούμενων σωματιδίων 12 1.6. Ιδιότητες των αιωρούμενων σωματιδίων 14 1.6.1. Ταχύτητα πτώσης 1.6.2. Προσρόφηση 1.6.3. Οπτική συμπεριφορά 1.6.4. Σκέδαση και απορρόφηση της ακτινοβολίας από τα αιωρούμενα σωματίδια 1.6.5. Εκθέτης Angstrom 1.6.6. Οπτικό βάθος 1.7. Επιδράσεις των αιωρούμενων σωματιδίων 18 1.7.1. Στην βλάστηση και στα οικοσυστήματα 1.7.2. Στα υλικά 1.7.3. Στην ορατότητα 1.7.4. Στην ανθρώπινη υγεία 1.7.5. Επίδραση των αιωρούμενων σωματιδίων στο κλίμα : Άμεση και έμμεση επίδραση στην ακτινοβολία 1.7.5.1. Επίπεδο κατανόησης του Radiative Forcing των αιωρούμενων σωματιδίων (IPCC, 2007) 1.7.5.2. Άμεση επίδραση των αιωρούμενων σωματιδίων 1.7.5.3. Έμμεση επίδραση των αιωρούμενων σωματιδίων 1.7.5.4. Τα αερολύματα ως πυρήνες συμπύκνωσης νεφών (CCN) ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ο ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΑΙΩΡΟΥΜΕΝΩΝ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ ΑΠΟ ΤΗΝ ΕΡΗΜΟ ΣΑΧΑΡΑ 2.1 Εισαγωγή.27 2.2 Οι κυριότερες έρημοι..27 2.3 Η έρημος Σαχάρα 29 2.4 Τροχιές μεταφοράς σκόνης Σαχάρας..30 2.4.1 Τροχιές σκόνης Σαχάρας πάνω από το Βόρειο Ατλαντικό 2.4.2 Τροχιές σκόνης Σαχάρας προς την Ευρώπη 2.4.3 Τροχιές σκόνης Σαχάρας προς την Ανατολική Μεσόγειο 2.5 Μεταφορά της σκόνης πάνω από την Μεσόγειο.32 5

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο ΔΕΔΟΜΕΝΑ 3.1 Δεδομένα από τον αισθητήρα MODIS 33 3.1.1 Χαρακτηριστικά του αισθητήρα MODIS 3.1.2 Τα προϊόντα του MODIS 3.1.3.Διάθεση των προϊόντων του MODIS 3.2 Δεδομένα από το επίγειο δίκτυο μετρήσεων AERONET της NASA 37 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Ο ΤΟ ΜΟΝΤΕΛΟ HYSPLIT.39 4.1 Χαρακτηριστικά του μοντέλου 4.2 Περιορισμοί 4.3 Εφαρμογές του μοντέλου 4.4 Υπολογισμός της τροχιάς ΚΕΑΛΑΙΟ 5 Ο ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ 5.1 Η περιοχή μελέτης.40 5.2 Θέσπιση ορίων για τις μετρήσεις..41 5.3 Αποτελέσματα από το μοντέλο HYSPLIT 43 5.4 Διαγράμματα μέσων τιμών για ΑΟΤ (550 nm), Fine mode ratio (550nm) και Αngstrom ocean (550/865 nm)..46 5.5 Ιστογράμματα 50 5.6 Εποχιακά διαγράμματα.51 5.7 Στατιστικά στοιχεία μετρήσεων 52 5.8 Εφαρμογή κριτηρίων στις υπόλοιπες πόλεις.52 5.8.1 Ιστογράμματα 5.8.2 Εποχιακά διαγράμματα ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 Ο ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΩΝ ΚΑΙ ΕΠΙΓΕΙΩΝ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ 6.1 Γραμμική παλινδρόμηση...59 6.2 Συσχέτιση μετρήσεων σχετικά με το οπτικό βάθος.60 6.3 Συσχέτιση μετρήσεων σχετικά με τον συντελεστή Angstrom ocean 66 6.4 Συσχέτιση μετρήσεων σχετικά με Fine mode ratio... 69. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 ο ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ...74 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 6

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ο 1.1 Ορισμός Γενικά σαν αιωρούμενα σωματίδια εννοούμε κάθε σώμα (στερεό ή υγρό) που βρίσκεται σε διασπορά στην ατμόσφαιρα και έχει διάμετρο μεγαλύτερη από 2 10-4 μm και μικρότερη από 500 μm. Στον όρο αυτό εμπεριέχονται τα σωματίδια, αλλά και ο αέρας στον οποίο είναι διεσπαρμένα. Ωστόσο οφείλουμε να επισημάνουμε μια διαφορά ανάμεσα στα σωματίδια στην ατμόσφαιρα και στα αέρια. Αρχικά ένα αέριο αποτελείται από ξεχωριστά άτομα ή μόρια τα οποία είναι διασκορπισμένα ενώ ένα σωματίδιο αποτελείται από μια συνάθροιση μορίων και ατόμων δεσμευμένα μεταξύ τους. Κατά συνέπεια, τα σωματίδια έχουν μέγεθος μεγαλύτερο από τα άτομα και τα μόρια των αερίων. Συγχρόνως, τα σωματίδια σε αντίθεση με τα αέρια βρίσκονται σε υγρή ή στερεή φάση. Ο χρόνος ζωής τους μπορεί να κυμαίνεται από λίγα δευτερόλεπτα έως και μερικούς μήνες. 1.2 Κατανομή μεγέθους των αιωρούμενων σωματιδίων Τα αιωρούμενα σωματίδια διακρίνονται ανάλογα με το μέγεθος τους σε δύο βασικές κατηγορίες: λεπτόκοκκα και χονδρόκοκκα. Σαν λεπτόκοκκα σωματίδια (fine mode particles) χαρακτηρίζονται τα σωματίδια με ισοδύναμη διάμετρο μικρότερη από 2,5 μm, ενώ σαν χονδρόκοκκα τα σωματίδια με ισοδύναμη διάμετρο μεγαλύτερη από 2,5 μm. Μικρά (fine) D<2.5μm Μεγάλα (coarse) D>2.5μm Ο προσδιορισμός του μεγέθους τους γίνεται με την ισοδύναμη διάμετρο, που είναι η διάμετρος που έχει ένα σφαιρικό σωματίδιο που παρουσιάζει την ίδια αντίσταση στον αέρα κατά την κίνηση του με το προς εξέταση σωματίδιο (Λαζαρίδης, 2005). Ένας πιο περιγραφικός διαχωρισμός του μεγέθους των σωματιδίων που παρατηρούνται στην ατμόσφαιρα (Mather and Pyle, 2003) είναι ο εξής : 1. Κατάσταση πυρηνοποίησης (nucleation mode) (<0,1μm): είναι μόλις δημιουργούμενα σωματίδια που προέρχονται από μετατροπή αεριών ρύπων που εκλύονται στην ατμόσφαιρα, σε σωματίδια μέσω της διαδικασίας της πυρηνοποίησης, κάτω από υψηλές θερμοκρασίες. 2. Κατάσταση προσαύξησης (accumulation mode) (0,1μm-2μm): είναι προσαυξημένα σωματίδια που προέρχονται από συμπύκνωση υδρατμών πάνω σε σωματίδια που βρίσκονται στην κατάσταση πυρηνοποίησης, με αποτέλεσμα να μεγαλώσει το μέγεθός τους. 3. Τραχιά κατάσταση (coarse mode) (>2μm): τα σωματίδια αυτά δημιουργούνται κυρίως από μηχανικές διεργασίες, π.χ. σωματίδια εδαφικής σκόνης από δυνατούς ανέμους. Το φάσμα του μεγέθους των σωματιδίων είναι καθοριστικό για πολλές ιδιότητες των αιωρούμενων σωματιδίων, την τύχη τους και τον χρόνο ζωής τους 7

στην ατμόσφαιρα. Έτσι, τα μικρά σωματίδια λειτουργούν περισσότερο σαν αέρια και μεταφέρονται στις επιφάνειες με την διάχυση Brown. Τα μεγαλύτερα σωματίδια προσκρούουν στην επιφάνεια λόγω της αδράνειάς τους ενώ τα πολύ μεγάλα σωματίδια απομακρύνονται από την ατμόσφαιρα κάτω από την επίδραση της βαρύτητας (Mather and Pyle, 2003). Το μεγάλο εύρος μεγεθών των σωματιδίων στην ατμόσφαιρα έχει ως αποτέλεσμα η μελέτη τους να γίνεται με τη βοήθεια της στατιστικής ανάλυσης. Υπάρχουν πολλοί τρόποι για την περιγραφή της κατανομής των αιωρούμενων σωματιδίων στην ατμόσφαιρα. Η πιο διαδεδομένη μέθοδος βασίζεται στην λογαριθμική κατανομή λόγω του ότι τα σωματίδια έχουν διαμέτρους που κυμαίνονται σε πολλές τάξης μεγέθους (Λαζαρίδης, 2005). 1.3 Χημική σύσταση Η χημική σύσταση των αερολυμάτων αποτελεί σημαντικό χαρακτηριστικό τους εξαιτίας: Της επίδρασης των ρυπαντών στην ανθρώπινη υγεία αναλογικά με τη χημικής τους συμπεριφορά και ιδιότητες. Της αναγνώρισης της πηγής των αερολυμάτων από τη χημική τους σύσταση. Τα κυριότερα συστατικά του ατμοσφαιρικού αερολύματος είναι τα: 1. Ορυκτογενή μέταλλα από επαναιώρηση σκόνης 2. Καθαρός άνθρακας από διαδικασίες καύσης 3. Οργανικές ενώσεις από προϊόντα ημιτελών καύσεων 4. Άλατα του αμμωνίου, προϊόντα εξουδετέρωσης όξινων ουσιών στην ατμόσφαιρα από την αμμωνία 5. Άλατα από θαλασσινό νερό 6. Άλατα του ασβεστίου από οικοδομικά υλικά και σκόνη 7. Θεϊκά άλατα, προϊόντα αντιδράσεων του διοξειδίου του θείου 8. Νιτρικά άλατα, προϊόντα αντιδράσεων των οξειδίων του αζώτου Το μέγεθος και η σύσταση των σωματιδίων στον αέρα μπορεί να μετατραπεί λόγω: Συμπύκνωσης ατμών διαφόρων ουσιών Εξάτμισης ατμών Συσσωμάτωσης με άλλα σωματίδια Χημικών αντιδράσεων Δημιουργίας ομίχλης ή νεφοσταγονιδίων Οι κυριότερες μορφές ατμοσφαιρικών αιωρημάτων είναι: ΣΚΟΝΗ (dust): σχηματίζεται από διάβρωση ή κατακερματισμό στερεών υλικών, και είναι στερεά σωματίδια μεγάλου σχετικά μεγέθους (Dp>1μm). ΟΜΙΧΛΗ (fog): ορατά υδροσταγονίδια σε διασπορά στην ατμόσφαιρα,συνήθως κοντά στο έδαφος. ΚΑΠΝΑ (fume): σωματίδια που προκύπτουν από συμπύκνωση ατμών, κυρίως από πτητικές ουσίες, ή ως αποτέλεσμα οξειδωτικών αντιδράσεων (Dp<1μm). ΑXΛΥΣ (haze): μικρά σωματίδια (Dp<1μm), μείγμα υδροσταγονιδίων, ρύπων και σκόνης. Μειώνουν την ορατότητα. 8

ΝΕΦΟΣ (smog): συνδυασμός ομίχλης και καπνού. ΚΑΠΝΟΣ (smoke): μικρά (Dp>0.01μm) σωματίδια που προέρχονται από ατελή καύση κυρίως άνθρακα ή άλλων καυσίμων, σε ικανή συγκέντρωση ώστε να είναι ορατά. ΑΙΘΑΛΗ (soot): συσσώρευση σωματιδίων άνθρακα που δημιουργούνται από την ατελή καύση ανθρακικών ενώσεων. Εικόνα1 Τα κυριότερα είδη αιωρούμενων σωματιδίων σε ηλεκτρονική μεγέθυνση 1.4 Κατηγοριοποίηση των αιωρούμενων σωματιδίων Τα αιωρούμενα σωματίδια της ατμόσφαιρας μπορούν να διαχωριστούν μεταξύ τους και να καταταγούν σε διάφορες κατηγορίες με διάφορους τρόπους. Έτσι, μπορούμε να διακρίνουμε τύπους αιωρούμενων σωματιδίων ανάλογα με την πηγή προέλευσή τους, την γεωγραφική τους θέση και την χημική τους σύσταση. Κάθε ένα από αυτά τα είδη των αερολυμάτων παίζει τον δικό του ρόλο στην ισορροπία της ατμόσφαιρας, ενώ πολλές φορές λαμβάνουν χώρα αλληλεπιδράσεις μεταξύ των αιωρούμενων σωματιδίων οι οποίες οδηγούν σε περισσότερο πολύπλοκους μηχανισμούς δράσης. 1.4.1 Κατηγοριοποίηση των αιωρούμενων σωματιδίων ανάλογα με την πηγή προέλευσης τους Τα ατμοσφαιρικά αιωρήματα προέρχονται από διάφορες πηγές τόσο φυσικές (σκόνη από το έδαφος, ηφαιστειακή ύλη, σωματίδια χλωριούχου νατρίου (NaCl) από τις κορυφές των κυμάτων της θάλασσας κ.α.) όσο και ανθρωπογενείς (εκπομπές από τα αυτοκίνητα, σωματίδια αιθάλης και στάχτης από βιομηχανίες) (Λαζαρίδης, 2005). 9

Φυσικά αιωρούμενα σωματίδια Ένα ηφαίστειο που εκρήγνυται εκλύει σωματίδια ύλης. Οι εκλύσεις μιας έκρηξης μπορούν να είναι τέτοιου μεγέθους που να δημιουργήσουν διαταραχή στο περιβάλλον σε μεγάλη απόσταση από την ηφαιστειακή πηγή για πολύ μεγάλα χρονικά διαστήματα (Γεντεκάκης, 2003). Τα ηφαιστειακά αιωρούμενα σωματίδια είναι ένας ξεχωριστός τύπος αέριων ρύπων και οι ηφαιστειακές εκπομπές αποτελούν μια βασική φυσική πηγή εκπομπής αιωρούμενων σωματιδίων στην τροπόσφαιρα σε παγκόσμια κλίμακα (Mather and Pyle, 2003). Ανεξέλεγκτες φωτιές στα δάση και σε μεγάλες εκτάσεις κατατάσσονται στις φυσικές πηγές, παρότι μπορεί να πυροδοτήθηκαν αρχικά από ανθρώπινη αμέλεια και ασυνειδησία. Τέτοιες φωτιές εκλύουν μεγάλες ποσότητες ρύπων με μορφή καπνού, άκαυστων υδρογονανθράκων και ιπτάμενης τέφρας. Οι εκτεταμένες πυρκαγιές μπορούν να δημιουργήσουν νέφος το οποίο να προκαλέσει μείωση της ορατότητας και επίδραση στο ηλιακό φώς σε πολύ μεγάλες αποστάσεις από το σημείο της φωτιάς. Δυνατοί άνεμοι που συχνά συμβαίνουν σε πολλά μέρη του κόσμου, οι οποίοι μετακινούν μεγάλες ποσότητες σωματιδιακής ύλης, είναι μια συνηθισμένη πηγή ατμοσφαιρικής ρύπανσης με φυσικό τρόπο. Ακόμα και μια σχετικά μικρή καταιγίδα μπορεί να προκαλέσει τον διασκορπισμό σωματιδίων ύλης σε επίπεδα αρκετά υψηλά. Η σωματιδιακή ύλη που μεταφέρεται μέσω ανέμων από τις ερήμους προκαλεί σοβαρά προβλήματα. Οι ωκεανοί και οι θάλασσες είναι μία τεράστια πηγή φυσικών ρύπων. Ο ωκεανός εκλύει συνεχώς αιωρούμενα σωματίδια στην ατμόσφαιρα με την μορφή σωματιδίων άλατος, τα οποία είναι διαβρωτικά για τα μέταλλα και τις κατασκευές. Τέλος μια εκτεταμένη πηγή φυσικών ρύπων είναι τα φυτά και τα δέντρα. Είναι η κύρια πηγή υδρογονανθράκων για τον πλανήτη (Γεντεκάκης, 2003). Τα πρωτογενή βιογενή αιωρούμενα σωματίδια αποτελούνται από θραύσματα φυτών, χουμικά υλικά και μικροβιακά σωματίδια. Η παρουσία χουμικών συστατικών κάνει τα αιωρούμενα σωματίδια αυτά απορροφητικά, ειδικά στην περιοχή UV-B και υπάρχουν αποδείξεις ότι μπορούν να δράσουν και σαν πυρήνες σταγονιδίων νεφών. Έτσι μπορούν να είναι σημαντικά και στην άμεση και στην έμμεση επίδραση στην ακτινοβολία (IPCC,2001). Επίσης, ένας ρύπος ο οποίος οφείλεται στην πανίδα, είναι η γύρη η οποία προκαλεί δύσπνοια και αλλεργία στους ανθρώπους (Γεντεκάκης, 2003). Ανθρωπογενή αιωρούμενα σωματίδια Ένα μεγάλο ποσοστό της βιομηχανικής ρύπανσης προέρχεται από την επεξεργασία πρώτων υλών (ορυκτά, ξυλεία, αργό πετρέλαιο) για παραγωγή εξειδικευμένων προϊόντων και ενέργειας. Οι διαδικασίες επεξεργασίας και χημικών μετατροπών παράγουν το επιθυμητό προϊόν αλλά και παραπροϊόντα, τα περισσότερα εκ των οποίων είναι έμμεσα ή άμεσα ρυπογόνοι παράγοντες για το περιβάλλον. Η βιομηχανική ρύπανση προκαλείται επίσης και από μεταποιητικές βιομηχανίες. Οι βιομηχανικές πηγές είναι στατικές και κάθε μια από αυτές εκλύει σχετικά σταθερή ποσότητα και ποιότητα (με την έννοια της γνωστής σύστασης) ρύπων (Γεντεκάκης, 2003).Οι μεταφορές, η καύση γαιανθράκων, η παρασκευή τσιμέντου, η μεταλλουργεία και η καύση στερεών αποβλήτων είναι ανάμεσα στις βιομηχανικές και τεχνικές δραστηριότητες που παράγουν πρωτογενή αιωρούμενα σωματίδια. Οι βιομηχανικές εκπομπές διαφυγούσας σκόνης είναι αποτέλεσμα της αποσάθρωσης από τον αέρα στις αποθηκευτικές στοίβες και στους δρόμους χωρίς τελική επίστρωση και από τις μετακινήσεις οχημάτων στους δρόμους των εγκαταστάσεων 10

των βιομηχανιών. Τρείς μεγάλες κατηγορίες ευθύνονται για σχεδόν όλες τις διαδικασίες που είναι υπεύθυνες για τις διαφυγόντες εκπομπές παραγωγή ορυκτών, τρόφιμα και γεωργία και η εξόρυξη μετάλλων. Η μη βιομηχανικές εκπομπές διαφυγόντων σωματιδίων, συχνά αναφέρονται σαν διαφυγούσα σκόνη, προκαλούνται από σκόνη που παρασύρεται από τα οχήματα, αγροτικές δραστηριότητες, κατασκευές και φωτιές. Ενώ υπολογίζεται ότι οι εκπομπές διαφυγούσας σκόνης ξεπερνούν τις εκπομπές από σταθερές πηγές στις περισσότερες περιοχές, η επίπτωση τους είναι περιορισμένη γιατί τα εκπεμπόμενα σωματίδια είναι μεγάλου μεγέθους και καθιζάνουν σε μικρή απόσταση από την πηγή (Seinfeld and Pandis, 1998). 1.4.2 Κατηγοριοποίηση των αιωρούμενων σωματιδίων ανάλογα με την θέση τους στην υδρόγειο Επίσης τα αιωρούμενα σωματίδια χωρίζονται ανάλογα με την προέλευση τους, σε θαλάσσια (marine), ηπειρωτικά (continental), αστικά (urban), βιομηχανικά (industrial), πολικά (artic) και ερήμου (desertic) (http://irina.eas.gatech.edu/atoc5560_2002.htm). Θαλάσσια αιωρούμενα σωματίδια Τα σωματίδια πάνω από τους απομακρυσμένους ωκεανούς είναι κατά κύριο λόγο θαλάσσιας προέλευσης. Οι συγκεντρώσεις των θαλάσσιων ατμοσφαιρικών σωματιδίων είναι συνήθως μεταξύ 100 και 300 cm -3. Οι κατανομές των μεγεθών τους χαρακτηρίζονται από τρεις περιοχές: την περιοχή των πυρήνων (Dp<0,1μm), την περιοχή συσσώρευσης (0,1<Dp<2μm) και την περιοχή των χονδρόκοκκων (Dp>2μm). (Seinfeld and Pandis, 1998). Αγροτικά ηπειρωτικά αιωρούμενα σωματίδια Τα αιωρούμενα σωματίδια στις αγροτικές περιοχές είναι κυρίως φυσικής προέλευσης αλλά με κάποιες επιρροές από ανθρωπογενείς πηγές. Οι κατανομές του αριθμού των σωματιδίων τους έχουν συνήθως περιοχές δύο διαμέτρων περίπου 0,02 και 0,08 μm. (Seinfeld and Pandis, 1998). Απομακρυσμένα ηπειρωτικά αιωρούμενα σωματίδια Πρωτογενή σωματίδια και δευτερογενή προϊόντα είναι τα κύρια συστατικά των απομακρυσμένων ηπειρωτικών αιωρούμενων σωματιδίων. Ο μέσος όρος των αριθμητικών συγκεντρώσεων τους είναι μεταξύ 2.000 και 10.000 cm-3 και οι συγκεντρώσεις PM10 είναι περίπου 10 μg/m3. Τα σωματίδια που είναι μικρότερα από 2,5 μm σε διάμετρο αντιπροσωπεύουν το 40 με 80% της μάζας των PM10 και αποτελείται κυρίως από θειικά άλατα, αμμώνιο και οργανικά (Seinfeld and Pandis, 1998). Αστικά αιωρούμενα σωματίδια Τα αστικά αιωρούμενα σωματίδια είναι μείγματα πρωτογενών εκπομπών σωματιδίων από τις βιομηχανίες, τις μεταφορές, την παραγωγή ενέργειας και φυσικές πηγές, καθώς και δευτερογενή υλικά που σχηματίζονται από μηχανισμούς μετατροπής από αέρια σε σωματιδιακή μορφή. Οι αριθμητικές κατανομές αποτελούνται από σωματίδια μικρότερα από 1 μm. Η κατανομή μεγέθους στις αστικές περιοχές είναι πολύ μεταβλητή. Πολύ υψηλές συγκεντρώσεις λεπτόκοκκων 11

σωματιδίων βρίσκονται κοντά στις πηγές αλλά οι συγκεντρώσεις τους μειώνονται γρήγορα καθώς απομακρυνόμαστε από την πηγή (Seinfeld and Pandis, 1998). Πολικά αιωρούμενα σωματίδια Τα πολικά αιωρούμενα σωματίδια, που βρίσκονται κοντά στην επιφάνεια στην Αρκτική και στην Ανταρκτική, έχουν πολύ χαμηλές συγκεντρώσεις. Οι αριθμητικές κατανομές τους έχουν μια μέση διάμετρο περίπου 0,15 μm. Κατά την χειμερινή περίοδο και στις αρχές της άνοιξης τα Αρκτικά αιωρούμενα σωματίδια επηρεάζονται σημαντικά από ανθρωπογενείς πηγές. Τα πολικά αιωρούμενα σωματίδια περιέχουν ανθρακικά συστατικά προερχόμενα από μεσαία γεωγραφικά πλάτη, θαλάσσιο αλάτι από τους ωκεανούς που περιβάλουν τους πόλους και εδαφικά υλικά που προέρχονται από περιοχές του ανάλογου ημισφαιρίου. Οι συγκεντρώσεις PM10 των αιωρούμενων σωματιδίων στους πόλους είναι χαμηλότερες από 5 μg/m 3, με τα θειικά να είναι σχεδόν το 40% αυτών (Seinfeld and Pandis, 1998). Αιωρούμενα σωματίδια ερήμου Τα αιωρούμενα σωματίδια που βρίσκονται πάνω από περιοχές ερήμων συνήθως εκτείνονται και σε γειτονικές περιοχές όπως είναι οι ωκεανοί. Το σχήμα των αριθμητικών κατανομών τους μοιάζει με αυτό των απομακρυσμένων ηπειρωτικών περιοχών μόνο που εξαρτάται ισχυρά από την ένταση του ανέμου. Οι αριθμητικές τους κατανομές έχουν τρεις περιοχές με διαμέτρους 0,01 μm, 0,05 μm και 10 μm, αντίστοιχα. Καταιγίδες άμμου από την Σαχάρα φαίνεται ότι μεταφέρουν υλικά από την βορειοδυτική Αφρική, διασχίζοντας τον Ατλαντικό, στις Ανατολικές ακτές των ΗΠΑ. Πάντως, ενώ σωματίδια μεγάλου μεγέθους μέχρι και 100 μm σε διάμετρο βρίσκονται στις περιοχές των ερήμων, μόνο σωματίδια μικρότερα των 10 μm μεταφέρονται σε μεγάλες αποστάσεις, συχνά πάνω από 5.000 km (Seinfeld and Pandis, 1998). 1.4.3 Κατηγοριοποίηση των αιωρούμενων σωματιδίων ανάλογα με την χημική τους σύσταση Τέλος, ανάλογα με τη χημική τους σύσταση τα αιωρούμενα σωματίδια χωρίζονται σε μεμονωμένων χημικών τύπων όπως: Θαλάσσιο αλάτι Θειικά αιωρούμενα σωματίδια Ανθρακικά αιωρούμενα σωματίδια (οργανικά και μαύρος άνθρακας) Νιτρικά αιωρούμενα σωματίδια Αιωρούμενα σωματίδια εδαφικής σκόνης καθώς και σε αιωρούμενα σωματίδια που περιέχουν περισσότερα συστατικά (Multi-Component) που είναι πιο περίπλοκα και αποτελούνται από πολλές χημικές ενώσεις. (http://irina.eas.gatech.edu/atoc5560_2002.htm). 1.5 Απομάκρυνση των αιωρούμενων σωματιδίων Τα σωματίδια απομακρύνονται από την ατμόσφαιρα με δύο μηχανισμούς: εναπόθεση στην επιφάνεια του εδάφους (ξηρή εναπόθεση) ή ενσωμάτωση σε 12

σταγονίδια νεφών κατά την δημιουργία κατακρημνίσεων (υγρή εναπόθεση). H υγρή και ξηρή εναπόθεση οδηγούν σε μικρούς χρόνους παραμονής των αερολυμάτων στην τροπόσφαιρα και αυτό έχει σαν αποτέλεσμα να μεταβάλλεται η κατανομή του μεγέθους και της συγκέντρωσης των αιωρούμενων σωματιδίων (Seinfeld and Pandis, 1998). Ξηρή εναπόθεση Η ξηρή εναπόθεση είναι η μεταφορά αέριων και σωματιδιακών στοιχείων από την ατμόσφαιρα στην επιφάνεια του εδάφους χωρίς να υπάρχει κατακρήμνιση. Η ξηρή εναπόθεση των σωματιδίων περιέχει συστατικά όπως θειικά, νιτρικά και αμμωνιακά που συνεισφέρουν στον ευτροφισμό και στην όξυνση των οικοσυστημάτων, ραδιενεργά στοιχεία, κατιόντα όπως Na+, K+, Ca2+ και Mg2+ και τοξικά βαρέα μέταλλα όπως Pb, Cd και Zn (Petroff et al., 2008). Αυτό το είδος της εναπόθεσης εξαρτάται από την τύρβη της ατμόσφαιρας, τις χημικές ιδιότητες των εναποτιθέμενων σωματιδίων και από την φύση της επιφάνειας εναπόθεσης (Seinfeld and Pandis, 1998). Επίσης το μέγεθος, η πυκνότητα και το σχήμα των σωματιδίων καθώς και η επιφάνεια καθεαυτή είναι σημαντικά για το αν θα συγκρατηθούν τα σωματίδια από το έδαφος (Seinfeld and Pandis, 1998). Οι φυσικές επιφάνειες, όπως επιφάνειες με βλάστηση συνήθως ευνοούν την ξηρή εναπόθεση (Seinfeld and Pandis, 1998).Επίσης η γνώση της ροής της ξηρής εναπόθεσης των σωματιδίων σε επιφάνειες εξωτερικών χώρων σε μια πόλη είναι σημαντική για τον υπολογισμό της έκθεσης των ανθρώπων στα αιωρούμενα σωματίδια. Οι τοίχοι των κτιρίων και άλλες επιφάνειες επηρεάζονται από αυτό το είδος της εναπόθεσης, με αποτέλεσμα να είναι μαυρισμένα και σκονισμένα (Jonsson et al., 2007). Υγρή εναπόθεση Η υγρή εναπόθεση είναι η φυσική διαδικασία κατά την οποία ύλη αφαιρείται με τον υετό (βροχή, χιόνι, σταγόνες ομίχλης) από την ατμόσφαιρα και μεταφέρεται στην επιφάνεια της γης. Για αυτή την διαδικασία είναι απαραίτητα τρία βήματα. Πρώτα τα σωματίδια πρέπει να βρεθούν σε κατάσταση που να υπάρχει συμπυκνωμένο νερό, στην συνέχεια πρέπει να απομακρυνθούν με τον υετό και τέλος πρέπει να μεταφερθούν στην επιφάνεια της γης. Τα σωματίδια μπορεί να υποστούν χημικές μετατροπές σε κάθε ένα από αυτά τα στάδια. Πάντως όλες σχεδόν οι παραπάνω διαδικασίες είναι αναστρέψιμες. (Seinfeld and Pandis, 1998). Η υγρή εναπόθεση συμπεριλαμβάνει όλες τις διαδικασίες με τις οποίες σωματίδια μεταφέρονται στην επιφάνεια της γης με τον υετό, δηλαδή: (1) απομάκρυνση ατμοσφαιρικών σωματιδίων όταν αυτά λειτουργούν σαν πυρήνες συμπύκνωσης ατμοσφαιρικού νερού για τον σχηματισμό σταγονιδίων νεφών ή ομίχλης που συνεπώς ενσωματώνονται στα σταγονίδια και (2) απομάκρυνση ατμοσφαιρικών σωματιδίων όταν τα σωματίδια συγκρούονται με τα σταγονίδια, και μέσα αλλά και κάτω από τα νέφη (Chate and Pranesha, 2003). Επειδή η υγρή και η ξηρή εναπόθεση οδηγούν σε μικρούς χρόνους παραμονής στην τροπόσφαιρα, και επειδή η γεωγραφική κατανομή των σωματιδίων είναι πολύ ανομοιόμορφη, τα τροποσφαιρικά αιωρούμενα σωματίδια διαφέρουν ευρέως σε συγκέντρωση και σύνθεση σε διαφορετικά σημεία πάνω στον πλανήτη (Seinfeld and Pandis, 1998). 13

1.6 Ιδιότητες Αιωρούμενων Σωματιδίων H χημική σύσταση αλλοιώνεται από αλληλοεπιδράσεις των σωματιδίων μεταξύ τους ή με αέρια συστατικά της ατμόσφαιρας. Οι χημικές ιδιότητες των αιωρούμενων σωματιδίων ποικίλλουν ανάλογα με τη σύστασή τους. Γενικά, τα αιωρούμενα σωματίδια αποτελούνται από μία ανόργανη φάση (στερεό ανόργανο υλικό, υδατοδιαλυτά ανόργανα άλατα, στοιχειακός άνθρακας, κ.α.) και μια οργανική φάση (οργανικός άνθρακας). Η σχετική συνεισφορά οργανικού και ανόργανου υλικού στη συνολική μάζα των αιωρούμενων σωματιδίων εξαρτάται από διάφορους παράγοντες, όπως την προέλευσή τους, τις ατμοσφαιρικές συνθήκες και το μέγεθός τους. Έτσι, σε ρυπασμένες αστικές περιοχές, τα μικρά σωματίδια μπορεί να περιέχουν μέχρι και 40% άνθρακα, ενώ τα μεγάλα είναι κυρίως ανόργανα (πυριτικά άλατα, εδαφικής προέλευσης ενώσεις του Al και του Ca, κ.α.). Οι περισσότερες από τις φυσικές ιδιότητες των αιωρούμενων σωματιδίων ( π.χ. όγκος, επιφάνεια, ταχύτητα πτώσης, διάχυση Brown, κ.ά.) αποτελούν συνάρτηση του μεγέθους τους. 1.6.1 Ταχύτητα Πτώσης Η ταχύτητα πτώσης των αιωρούμενων σωματιδίων περιγράφεται από το νόμο του Stokes, ο οποίος ισχύει για σωματίδια με διάμετρο μεγαλύτερη από την ελεύθερη διαδρομή των αερίων. Σύμφωνα με το νόμο του Stokes, η οριακή ταχύτητα πτώσης των σωματιδίων στον αέρα είναι ανάλογη του τετραγώνου της ακτίνας τους: Όπου: g = επιτάχυνση της βαρύτητας d = πυκνότητα του σωματιδίου d = πυκνότητα του μέσου πτώσης (ατμόσφαιρα) n = συντελεστής ιξώδους του μέσου πτώσης r = ισοδύναμη αεροδυναμική ακτίνα του σωματιδίου Στην εικόνα 2 δίνεται η ταχύτητα πτώσης των σωματιδίων διαφόρων διαμέτρων σε σταθερές ατμοσφαιρικές συνθήκες. Παρατηρείται ότι τα αιωρούμενα σωματίδια με διάμετρο d 10 μm έχουν σημαντική ταχύτητα πτώσης σε σταθερές ατμοσφαιρικές συνθήκες. Τα σωματίδια αυτά αποτελούν ένα ξεχωριστό κλάσμα που ονομάζεται πίπτουσα σκόνη (dust fall) ή ξηρή απόθεση (dry deposition). Τα σωματίδια με διάμετρο d< 10 μm έχουν πολύ μικρή ταχύτητα πτώσης με αποτέλεσμα να παραμένουν εν αιωρήσει στην ατμόσφαιρα για μεγάλο χρονικό διάστημα. 14

Εικόνα 2 Ταχύτητα πτώσης αιωρούμενων σωματιδίων σε σχέση με τη διάμετρό τους (Σωματίδια πυκνότητας 1 g/cm3. Ατμόσφαιρα ήρεμη, θερμοκρασία 0οC, πίεση 760 mmhg). 1.6.2 Προσρόφηση Η σωματιδιακή ύλη που αιωρείται στην ατμόσφαιρα έχει πολύ μεγάλη ενεργό επιφάνεια ανά μονάδα μάζας, εξαιτίας του μικρού μεγέθους της πλειονότητας των σωματιδίων. Η επιφάνεια αυτή υπολογίζεται σε 10 6 m 2 /g σε σύγκριση με 500 2000 m 2 /g που έχει ο ενεργός άνθρακας. Τόσο μεγάλη επιφάνεια ευνοεί την προσρόφηση μορίων από την αέρια φάση, ιδιαίτερα για συστατικά με χαμηλή πτητικότητα. Γενικά, μία ουσία με τάση ατμών < 0.1 mmhg στους 25 0 C προσροφάτε ισχυρά στα ατμοσφαιρικά σωματίδια. Αυτό σημαίνει ότι και τα μέταλλα που εξατμίζονται από ηφαιστειακές ή βιολογικές διεργασίες καταλήγουν στα αιωρούμενα σωματίδια. Επίσης, ημιπτητικές οργανικές ενώσεις (πολυκυκλικοί αρωματικοί υδρογονάνθρακες, οργανοχλωριωμένες ενώσεις κ.α.) προσροφώνται σε μεγάλο βαθμό στα αιωρούμενα σωματίδια. Η προσρόφηση τοξικών ουσιών στα αιωρούμενα σωματίδια αυξάνει την τοξικότητα. 1.6.3 Οπτική Συμπεριφορά Τα αιωρούμενα σωματίδια της ατμόσφαιρας αποτελούν την κύρια αιτία μείωσης της ορατότητας σε πολλές περιοχές. Όταν το φως προσπίπτει στα σωματίδια, συμβαίνουν δύο διαφορετικά φαινόμενα: σκέδαση, δηλαδή επανεκπομπή του φωτός προς όλες τις κατευθύνσεις και απορρόφηση με μετατροπή της απορροφούμενης ενέργειας σε θερμότητα ή χημική ενέργεια. Τόσο η σκέδαση, όσο και η απορρόφηση του φωτός είναι συνάρτηση της σύστασης, της συγκέντρωσης και του μεγέθους των σωματιδίων. 1.6.4 Σκέδαση και απορρόφηση ακτινοβολίας από τα αιωρούμενα σωματίδια Ως ένταση ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας ορίζουμε την ενέργεια που προσπίπτει κάθετα σε μία επιφάνεια στην μονάδα χρόνου, προς την επιφάνεια αυτή. Οι μονάδες μέτρησης είναι W/m 2, και η ένταση της προσπίπτουσας ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας συμβολίζεται με F 0. Η ενέργεια που σκεδάζεται από ένα σωματίδιο είναι ανάλογη της έντασης της προσπίπτουσας σε αυτό ακτινοβολίας: 15

Όπου Cscat είναι η ενεργός διατομή σκέδασης του σωματιδίου (m 2 ). Ανάλογα για την περίπτωση της απορρόφησης έχουμε: Όπου Cabs είναι η ενεργός διατομή απορρόφησης (m 2 ). Σύμφωνα με την αρχή διατήρησης της ενέργειας, η εξασθένιση της προσπίπτουσας ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας ισούται με το άθροισμα της ενέργειας απορρόφησης και της ενέργειας της σκεδαζόμενης από το σωματίδιο ακτινοβολίας προς όλες της διευθύνσεις. Ως ενεργός διατομή εξασθένισης Cext ορίζεται το άθροισμα των επιμέρους ενεργών διατομών απορρόφησης και σκεδασμού: Σύμφωνα με την Γεωμετρική Οπτική το σωματίδιο σκιάζει την ακτινοβολία κατά μία επιφάνεια ίση με την ενεργό διατομή εξασθένισης. Η σκιά αυτή μπορεί να είναι πολύ μεγαλύτερη ή πολύ μικρότερη από τη γεωμετρική διατομή του σωματιδίου. Ως ικανότητα σκέδασης ορίζεται ο λόγος της ενεργού διατομής σκέδασης προς τη γεωμετρική διατομή του σωματιδίου: Ομοίως ορίζεται και η ικανότητα απορρόφησης, οπότε από το άθροισμα των δύο ποσοτήτων προκύπτει και η ικανότητα εξασθένισης ενός σωματιδίου ως: Ο λόγος της ικανότητας σκεδασμού προς την ικανότητα εξασθένισης ονομάζεται ανακλαστικότητα μεμονωμένης σκέδασης: Έτσι, το κλάσμα της σκεδαζόμενης ακτινοβολίας είναι ίσο με ω, ενώ το κλάσμα της ακτινοβολίας που απορρόφησε το σωματίδιο είναι ίσο με 1-ω.Οι μηχανισμοί σκέδασης από τα σωματίδια μπορούν να χωριστούν σε τρεις κατηγορίες: 1. Ελαστική σκέδαση: το μήκος κύματος της σκεδαζόμενης ακτινοβολίας είναι ίδιο με το μήκος κύματος της προσπίπτουσας. 2. Ημιελαστική σκέδαση: το μήκος κύματος της σκεδαζόμενης ακτινοβολίας έχει μετατοπιστεί σε σχέση με το μήκος κύματος της προσπίπτουσας λόγω φαινομένου Doppler. 3. Ανελαστική σκέδαση: το μήκος κύματος της σκεδαζόμενης ακτινοβολίας είναι διαφορετικό από το μήκος κύματος της προσπίπτουσας. Οι κυριότερες παράμετροι που εμπλέκονται στο πρόβλημα της σκέδασης και της απορρόφησης του φωτός από ένα σωματίδιο είναι: 1. Το μήκος κύματος της προσπίπτουσας ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. 2. Το μέγεθος του σωματιδίου που συνήθως εκφράζεται με ένα αδιάστατο μέγεθος την παράμετρο μεγέθους α, η οποία ορίζεται ως ο λόγος της περιμέτρου του σφαιρικού σωματιδίου προς το μήκος κύματος της προσπίπτουσας ακτινοβολίας: 16

3. Ο δείκτης διάθλασης του σωματιδίου που χαρακτηρίζει της οπτικές ιδιότητες του σωματιδίου σε σχέση με το περιβάλλον οπτικό μέσο. Με βάση τις τιμές του παράγοντα α, η σκέδαση μπορεί να μελετηθεί σε τρεις περιοχές: α<<1, Σκέδαση Rayleigh (σωματίδια μικρά σε σχέση με το μήκος κύματος). α 1, Σκέδαση Mie (σωματίδια ίδιου περίπου μεγέθους με το μήκος κύματος). α<<1, Γεωμετρική σκέδαση (σωματίδια μεγάλα σε σχέση με το μήκος κύματος). 1.6.5 Εκθέτης Angstrom Πολλές φορές αποδεικνύεται χρήσιμο να παρασταθεί η εξάρτηση του συντελεστή εξασθένισης από το μήκος κύματος με μία σχέση της μορφής : Ο εκθέτης Angstrom α (Angstrom exponent) ορίστηκε από τον Angstrom το 1961 και εκφράζει το μέγεθος του σωματιδίου του αεροζόλ (Ignatov et al., 2002a). Ο εκθέτης Angstrom υπολογίζεται από μετρήσεις του συντελεστή εξασθένισης για διάφορα μήκη κύματος. Στην περίπτωση που γίνεται μέτρηση της εξασθένισης σε δύο μήκη κύματος λ1 και λ2, η σχέση με την οποία υπολογίζεται ο εκθέτης Angstrom είναι: Αν η κατανομή μεγεθών των σωματιδίων εκφράζεται από μία σχέση της μορφής: Τότε ο εκθέτης Angstrom δίνεται από τη σχέση: Στην εικόνα 3 φαίνεται ο εκθέτης Angstrom για μια λογαριθμική κατανομή μεγεθών υδροσταγονιδίων (σg=2.0) με δείκτη διάθλασης m=1.33-0i, συναρτήσει της διαμέτρου και στην περιοχή μηκών κύματος από 550 έως 700 nm. Στην περιοχή της σκέδασης Rayleigh (Dp 0.1 μm), ο εκθέτης Angstrom παίρνει τιμές από -3 έως -4, λόγω της συνεισφοράς των συνιστωσών σκέδασης και απορρόφησης στην περιοχή αυτή. Στην περιοχή σκέδασης μεγάλων σωματιδίων ο εκθέτης Angstrom (Dp λ) παίρνει τιμές από 0 έως 1, και αυτό δικαιολογείται και πάλι από την εξάρτηση των Qabs και Qscat από το μήκος κύματος στην περιοχή αυτή. 17

Εικόνα 3 Εκθέτης Angstrom για λογαριθμική κατανομή μεγεθών υδροσταγονιδίων (σ σg=2.0) με δείκτη διάθλασης m=1.33-0i και για μήκη κύματος από 550 έως 700 1.6.6 Οπτικό βάθος Οπτικό βάθος ή οπτική πυκνότητα ενός μέσου ανάμεσα σε δύο σημεία του s1 και s2 ορίζεται ως: Οπτικό βάθος μέσου Σύμφωνα και με τα προηγούμενα, το οπτικό βάθος μπορεί να εκφραστεί και με τους παρακάτω τρόπους. Αν για έναν όγκο έχουμε περισσότερα από ενός τύπου ενεργά οπτικά σωματίδια, το καθένα με δικό του β i e,λ τότε το οπτικό βάθος γράφεται: όπου ρi και Νi διαφορετικό για κάθε ένα από τα i είδη των σωματιδίων. 1.7 Επιδράσεις των αιωρούμενων σωματιδίων 1.7.1 Επίδραση των αιωρούμενων σωματιδίων στην βλάστηση και στα οικοσυστήματα Οι επιδράσεις των αιωρούμενων σωματιδίων στην βλάστηση, οι οποίες είναι αποτέλεσμα των φυσικών και χημικών ιδιοτήτων των σωματιδίων, προκαλούνται είτε άμεσα με την εναπόθεση τους στα φυτά είτε έμμεσα μέσω της εναπόθεσης τους στο έδαφος και το νερό επηρεάζοντας τα οικοσυστήματα. Τα σωματίδια που αποτίθενται απευθείας από την ατμόσφαιρα στις επιφάνειες των φυτών που βρίσκονται πάνω από το έδαφος μπορούν να αποτεθούν στα φύλλα ή σε άλλα μέρη 18

του φυτού για μεγάλες περιόδους ή να απομακρυνθούν από αυτό ξανά στην ατμόσφαιρα (επαναιώρηση). Πιο σημαντική φαίνεται να είναι η όξινη εναπόθεση κυρίως σωματιδίων που περιέχουν νιτρικά και θειικά. Ανάλογα με την ποσότητα και την σύνθεση της εναπόθεσης οι επιπτώσεις μπορεί να είναι φυσικές, χημικές ή και τα δύο. Οι φυσικές επιπτώσεις υφίστανται κυρίως σε περιοχές όπου ο ρυθμός εναπόθεσης χονδρόκοκκων σωματιδίων είναι υψηλός, όπως κοντά σε δρόμους, καλλιεργούμενες περιοχές ή βιομηχανικές περιοχές. Φυσικές επιπτώσεις που έχουν παρατηρηθεί σε τέτοιες περιοχές είναι η μείωση της φωτοσύνθεσης, πτώση φύλων και μειωμένη ανάπτυξη των φυτών. Ενώ σε περιοχές που δεν υπάρχει υψηλός ρυθμός απόθεσης επηρεάζει κυρίως η χημική σύνθεση των σωματιδίων και πιο πολύ η ομάδα των λεπτόκοκκων με συστατικά όπως νιτρικά, θειικά, μέταλλα και οργανικά (EPA,2001). Σε επίπεδο οικοσυστήματος επιπτώσεις θεωρείται ότι υπάρχουν όταν η εναπόθεση σωματιδίων σε βιολογικά και φυσικά συστατικά των οικοσυστημάτων γίνει αρκετά μεγάλη ώστε να έχει ως αποτέλεσμα την αλλαγή των κύκλων των θρεπτικών συστατικών αλλά και άλλων στοιχείων. Μακροχρόνιες αλλαγές στην δομή και στην σύνθεση των κοινωνιών των φυτών που εκτίθενται σε σωματίδια έχουν παρατηρηθεί, δείχνοντας ότι αυτή η έκθεση ευνοούσε την ανάπτυξη κάποιων φυτών ενώ εμπόδιζε την ανάπτυξη άλλων. Επίσης και τα χημικά συστατικά των αιωρούμενων σωματιδίων επηρεάζουν τα οικοσυστήματα είτε αλλάζοντας την χημική σύσταση του εδάφους είτε αλλάζοντας τους πληθυσμούς των βακτηρίων που συμμετέχουν στους κύκλους των θρεπτικών στοιχείων είτε τέλος επηρεάζοντας τους πληθυσμούς των μυκήτων που συνήθως είναι χρήσιμοι στην πρόσληψη των θρεπτικών από τα φυτά (EPA,2001). 1.7.2 Επίδραση των αιωρούμενων σωματιδίων στα υλικά Οι επιδράσεις της εναπόθεσης των αιωρούμενων σωματιδίων στα υλικά σχετίζονται τόσο με την φυσική φθορά όσο και με αισθητικά κριτήρια. Η εναπόθεση των σωματιδίων (ειδικότερα τα θειικά και τα νιτρικά) μπορούν να επηρεάσουν τα υλικά, προστιθέμενα στις επιδράσεις των καιρικών συνθηκών, αυξάνοντας ή επιταχύνοντας την διάβρωση των μετάλλων, υποβαθμίζοντας τα χρώματα και υποβαθμίζοντας την κατάσταση των δομικών υλικών όπως το σκυρόδεμα ή οι ασβεστόλιθοι. Η εναπόθεση σωματιδίων μπορεί να μειώσει την αισθητική αξία κτιρίων και σημαντικών πολιτιστικών μνημείων με την εναπόθεση σκόνης στην επιφάνεια τους. Τα σωματίδια που αποτελούνται συνήθως από ανθρακογενή συστατικά μπορούν να εναποτεθούν σε αγάλματα και γενικά σε έργα τέχνης. Πάντως τα υλικά μπορούν να επανέρθουν στην αρχική τους κατάσταση με καθάρισμα ή πλύσιμο και ανάλογα με το υλικό που είχε αποτεθεί πιθανώς και ξαναβάψιμο (EPA,2001). 1.7.3 Επίδραση των αιωρούμενων σωματιδίων στην ορατότητα Η ορατότητα αναφέρεται στην μέγιστη απόσταση από την οποία ένα μαύρο αντικείμενο με κατάλληλες διαστάσεις το οποίο βρίσκεται κοντά στο έδαφος, μπορεί να παρατηρηθεί και αναγνωριστεί κόντρα σε ένα σκεδαστικό φόντο, όπως ο ουρανός (WMO, 1983). Η μείωση της ορατότητας μπορεί εύκολα να παρατηρηθεί από το ανθρώπινο μάτι και είναι η πιο απλή ένδειξη που υποδηλώνει την παρουσία αιωρούμενων σωματιδίων στην ατμόσφαιρα ενώ η ορατότητα θεωρείται και ένας σημαντικός παράγοντας για την ποιότητα της ανθρώπινης ζωής (Horvath, 2006). Έτσι έχουν 19

θεσπιστεί νόμοι, όπως το US Clean Air Act, οι οποίοι απαγορεύουν την μείωση της ορατότητας. Η ορατότητα δέχεται ένα πλατύ εύρος τιμών το οποίο ξεκινά από λίγα μέτρα και φτάνει τα 260 χιλιόμετρα (Baumer et al., 2008). Πολλοί είναι οι παράγοντες που καθορίζουν το πόσο μακριά μπορεί να δει κάποιος μέσα από την ατμόσφαιρα (ορατότητα), συμπεριλαμβανομένου των οπτικών ιδιοτήτων της ατμόσφαιρας, της ποσότητας και της κατανομής του φωτός, των χαρακτηριστικών του παρατηρούμενου αντικειμένου και των ιδιοτήτων του ανθρώπινου ματιού. Η ικανότητα του ανθρώπινου ματιού να βλέπει μέσα από την ατμόσφαιρα εξαρτάται από τη συγκέντρωση των αιωρούμενων σωματιδίων και των αερίων, που έχουν την ικανότητα να ανακλούν και να απορροφούν το φως, προκαλώντας την εμφάνιση καταχνιάς, τη μείωση της αντίθεσης και την αλλαγή του χρώματος που το μάτι αντιλαμβάνεται για ένα αντικείμενο σε απόσταση (Seinfeld and Pandis, 1998). 1.7.4 Επίδραση των αιωρούμενων σωματιδίων στην ανθρώπινη υγεία Ιδιαίτερο ενδιαφέρον έχει εκδηλωθεί τα τελευταία χρόνια σε πολλές χώρες για την συσχέτιση των επιπέδων ατμοσφαιρικής ρύπανσης και της ανθρώπινης υγείας. Για το σκοπό αυτό έχουν πραγματοποιηθεί επιδημιολογικές μελέτες σε αρκετές περιοχές με αυξημένα επίπεδα ατμοσφαιρικής ρύπανσης (Pope, 1995 - Pope, 1996 - Goldberg et al, 2003), αλλά και σε χώρους εργασίας (Howard-Reed et al., 2000). Η πλειονότητα των μελετών που γίνονται για τις επιπτώσεις των σωματιδίων στην υγεία ανήκουν στην κατηγορία των μελετών οξείας έκθεσης. Αυτές οι μελέτες μπορούν να διαχωριστούν σε δυο ομάδες μελετών, αυτές που μελετούν την πρόωρη θνησιμότητα και αυτές που μελετούν την νοσηρότητα από έκθεση σε σωματίδια. Τα πιο κοινά σημεία θνησιμότητας που μελετούνται είναι (Pananacosit, 2000): Ολική θνησιμότητα Θνησιμότητα από αναπνευστικά προβλήματα Θνησιμότητα από καρδιοαγγειακά προβλήματα Θνησιμότητα από χρόνιες πνευμονικές παθήσεις Θνησιμότητα από χρόνιες καρδιακές παθήσεις Οι μελέτες αυτές έδειξαν ότι σε περιοχές με υψηλά επίπεδα σωματιδιακής ρύπανσης (αιωρούμενων σωματιδίων με μέγιστη διάμετρο 10 μm) υπάρχουν αρνητικές επιδράσεις στην ανθρώπινη υγεία (Pearce and Crowards, 1996). Σε πολλές αστικές περιοχές τα αιωρούμενων σωματιδίων θεωρούνται ο πιο σημαντικός ρύπος (El-Fadel and Massoud, 2000). Εξασθένιση της πνευμονικής λειτουργίας, αυξημένα αναπνευστικά προβλήματα (Acute Respiratory Infections, ARIs), χειροτέρευση των χρόνιων παρεμποδιστικών πνευμονικών ασθενειών (Chronic Obstructive Pulmonary Diseases, COPDs), πνευμονικές καρκινογενέσεις, αυξημένος αριθμός εισαγωγών σε νοσοκομεία καθώς επίσης και υπερβολικά αυξημένοι ρυθμοί εμφάνισης καρδιοαγγειακών και αναπνευστικών νόσων και θανάτων ενήλικων ατόμων φαίνεται να συνδέονται με παρατεταμένη έκθεση σε σχετικά χαμηλές συγκεντρώσεις αιωρούμενων σωματιδίων (Hoffmann, 2000). Στον πίνακα 1 παρατίθενται τα Ευρωπαϊκά πρότυπα για τα σωματίδια PM10 σύμφωνα με την Οδηγία 1999/30/ΕC για την προστασία της ανθρώπινης υγείας. 20

Πίνακας 1 Ευρωπαϊκά πρότυπα για τα σωματίδια PM10 σύμφωνα με την Οδηγία 1999/30/ΕC για την προστασία της ανθρώπινης υγείας Πρόσφατες μελέτες έδειξαν ότι τα αιωρούμενα σωματίδια που είναι υπεύθυνα για τις αρνητικές επιδράσεις στην υγεία είναι εκείνα με διάμετρο μικρότερη των 2,5 μm (Spurny, 1998) καθώς έχουν την ικανότητα να συσσωρεύονται και να φτάνουν στα χαμηλότερα τμήματα του αναπνευστικού συστήματος. Εκτός από το μέγεθος τους, οι ιδιότητες των αιωρούμενων σωματιδίων που είναι σημαντικές για την επίδραση τους στην υγεία είναι (Harrison and Yin, 2000): 1. Η χημική τους σύσταση 2. Η περιεχόμενη ποσότητα ιχνοστοιχείων 3. Η περιεχόμενη ποσότητα όξινων συστατικών 4. Η περιεχόμενη ποσότητα θειικών ενώσεων. 1.7.5 Επίδραση των αιωρούμενων σωματιδίων στο κλίμα : Άμεση και έμμεση επίδραση στην ακτινοβολία Τα τελευταία χρόνια υπάρχει ένα ιδιαίτερο ενδιαφέρον για την διερεύνηση των επιπτώσεων των αιωρούμενων σωματιδίων στο κλίμα μέσω της άμεσης αλλά και έμμεσης επίδρασης τους στην ακτινοβολία. Τα ατμοσφαιρικά αιωρούμενα σωματίδια επιδρούν άμεσα στην ακτινοβολία με την σκέδαση και απορρόφηση της ηλιακής και θερμικής ακτινοβολίας (Lyamani et al., 2008). Παράλληλα, επιδρούν με έμμεσο τρόπο στο ισοζύγιο ακτινοβολίας, αλλάζοντας τις ιδιότητες των νεφών και τον χρόνο ζωής αυτών με αποτέλεσμα να μεταβάλλουν το καθεστώς των κατακρημνίσεων. Επίσης, παίζουν σημαντικό ρόλο στη χημεία της ατμόσφαιρας, αλλάζοντας τις συγκεντρώσεις άλλων κύριων συστατικών της ατμόσφαιρας όπως το όζον. Έτσι, σε αντίθεση με τα αέρια του θερμοκηπίου που γνωρίζουμε ότι προκαλούν μόνο θέρμανση του πλανήτη, τα ατμοσφαιρικά αιωρούμενα σωματίδια ανάλογα με τις 21

ιδιότητες τους μπορούν να προκαλέσουν τόσο θέρμανση όσο και ψύξη της ατμόσφαιρας της Γης (Kaufman et al., 2005). Αν θεωρήσουμε την ηλιακή ακτινοβολία που έρχεται από τον Ήλιο στην κορυφή της ατμόσφαιρας (παγκόσμια) ίση με 100 μονάδες, τότε από αυτές οι 51 μονάδες διαπερνούν την ατμόσφαιρα και φτάνουν στην επιφάνεια. Από τις υπόλοιπες 49 μονάδες, οι 3 απορροφούνται από τα νέφη και οι 16 μονάδες απορροφούνται από τα αιωρούμενα σωματίδια τους υδρατμούς και το CO 2 μαζί. Από την άλλη, τα νέφη, η επιφάνεια της Γης και η ατμόσφαιρα που περιέχει τα αιωρούμενα σωματίδια αντανακλούν πίσω στο διάστημα 17, 6 και 7 μονάδες αντίστοιχα. Από τις 51 μονάδες που έφτασαν τελικά στη Γη, οι 23 μονάδες απελευθερώνονται σαν λανθάνουσα θερμότητα, οι 7 μονάδες εκπέμπουν στο ορατό και οι 21 μονάδες στο υπέρυθρο. Από τις 21 μονάδες υπέρυθρης ακτινοβολίας οι 15 απορροφούνται από τα αιωρούμενα σωματίδια τους υδρατμούς και το CO 2 (Satheesh and Moorthy, 2005). Στην εικόνα 4 φαίνεται ο ρόλος των αιωρούμενων σωματιδίων στο ισοζύγιο ακτινοβολίας καθώς και στο θερμικό ισοζύγιο της Γης. Εικόνα 4 Ο ρόλος των αιωρούμενων σωματιδίων στο ισοζύγιο ακτινοβολίας καθώς και στο θερμικό ισοζύγιο της Γης (Houghton et al.,1996) 1.7.5.1 Επίπεδο κατανόησης του Radiative Forcing των αιωρούμενων σωματιδίων (IPCC, 2007) Το IPCC 2007 Forth Assessment Report (Summary for Policymakers) μας υπενθυμίζει ότι τα αιωρούμενα σωματίδια παραμένουν τα λιγότερο κατανοητά συστατικά όσον αφορά την επίδραση στο κλίμα. Η εικόνα 5 παρουσιάζει το radiative forcing των αερίων του θερμοκηπίου και άλλων κλιματικών συντελεστών μαζί με την εκτίμηση του επιπέδου κατανόησης (Level Of Scientific Understanding LOSU ) για το κάθε συστατικό. 22

Εικόνα 5 Radiative forcing των αερίων του θερμοκηπίου και άλλων κλιματικών συντελεστών μαζί με την εκτίμηση του επιπέδου κατανόησης (Level Of Scientific Understanding LOSU ) για το κάθε συστατικό (από το IPCC 2007 Forth Assessment Report (Summary for Policymakers)). Στην εικόνα 5 φαίνεται καθαρά ότι ενώ τα αιωρούμενα σωματίδια συνεισφέρουν το μεγαλύτερο ποσοστό του αρνητικού radiative forcing (που συνεπάγεται ψύξη) το επίπεδο κατανόησης της κλιματικής τους επίδρασης κυμαίνεται από low έως medium-low. Οι επιδράσεις των αιωρούμενων σωματιδίων χωρίζονται σε δύο κατηγορίες: (1) άμεσες επιδράσεις, εννοώντας την σκέδαση ή την απορρόφηση της ακτινοβολίας από τα αιωρούμενα σωματίδια επηρεάζοντας το καθαρό ποσό της ενέργειας που φτάνει στην επιφάνεια της Γης και (2) έμμεσες επιδράσεις, όπως την επίδραση στην ανακλαστικότητα των νεφών, δηλαδή την αύξηση της ανακλαστικότητας των νεφών λόγω της παρουσίας των αιωρούμενων σωματιδίων και τελικά τη μείωση του ποσού ενέργειας που φτάνει στην επιφάνεια. Στην συγκεκριμένη αναφορά έχει γίνει ένα βήμα παραπάνω σε σχέση με την προηγούμενη στην οποία το επίπεδο κατανόησης (LOSU) για τα αιωρούμενα σωματίδια κυμαινόταν από very low έως low όπως επίσης δεν είχε προσδιοριστεί καμία πιθανή τιμή για το έμμεσο κομμάτι της επίδρασης. Το σχήμα αυτό επίσης μας αποκαλύπτει το λόγο για τον οποίο η κατανόηση του ρόλου των αιωρούμενων σωματιδίων στο κλίμα είναι τόσο σημαντική: ενώ το συνολικό radiative forcing είναι θετικό (θέρμανση), τα αιωρούμενα σωματίδια παρουσιάζουν αρνητικό radiative forcing (ψύξη). Ως εκ τούτου τα αιωρούμενα σωματίδια δρουν με τέτοιο τρόπο ώστε να καλύπτουν ένα ποσοστό της θέρμανσης του πλανήτη που οφείλεται στα θερμοκηπικά αέρια. Αυτό σημαίνει ότι καθώς δρούμε προς την κατεύθυνση της μείωσης της χρήσης στερεών καυσίμων με σκοπό τη βελτίωση της ποιότητας του αέρα και τον έλεγχο της παγκόσμιας θέρμανσης πρέπει να λαμβάνουμε υπόψη τον τρόπο με τον οποίο οι αλλαγές στις εκπομπές θα επηρεάσουν τις συγκεντρώσεις των αιωρούμενων σωματιδίων. 23

1.7.5.2 Άμεση επίδραση των αιωρούμενων σωματιδίων Η άμεση επίδραση των αιωρούμενων σωματιδίων στην ακτινοβολία γίνεται μέσω της σκέδασης και απορρόφησης από αυτά της ηλιακής και γήινης ακτινοβολίας. Υπάρχουν δύο είδη σκέδασης: Η σκέδαση Rayleigh, όταν τα σωματίδια που προκαλούν την σκέδαση έχουν διαστάσεις πολύ μικρότερες από το μήκος κύματος της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας και η σκέδαση Mie, που μας ενδιαφέρει στην περίπτωση των αιωρούμενων σωματιδίων, όταν τα σωματίδια έχουν διάμετρο μεταξύ 10-2 και 10 2 φορές το μήκος της ηλιακής ακτινοβολίας (Seinfeld & Pandis, 1998). Απορρόφηση είναι η διεργασία κατά την οποία τα αιωρούμενα σωματίδια της ατμόσφαιρας μετατρέπουν την ηλιακή ακτινοβολία σε θερμότητα. Το φάσμα της ηλιακής ακτινοβολίας βρίσκεται μεταξύ 0,1 και 20 μm και καλύπτει της περιοχές της υπεριώδους, της ορατής και της υπέρυθρης ακτινοβολίας. Γενικά, η απορρόφηση της ηλιακής ακτινοβολίας από τον αέρα στην ατμόσφαιρα αποτελεί την βασική διεργασία που καθορίζει το κλίμα στη Γη (Λαζαρίδης, 2005). Ο τρόπος με τον οποίο λειτουργούν αυτοί οι δύο μηχανισμοί και το πώς επιδρούν στο ισοζύγιο της ακτινοβολίας είναι ιδιαίτερα πολύπλοκος λόγω της χωρικής και χρονικής μεταβλητότητας που παρουσιάζουν τόσο οι συγκεντρώσεις όσο και οι φυσικές οπτικές και χημικές ιδιότητες των αιωρούμενων σωματιδίων (Lyamani et al.,2008). 1.7.5.3 Έμμεση επίδραση των αιωρούμενων σωματιδίων Εκτός από την άμεση επίδραση των αιωρούμενων σωματιδίων στο ισοζύγιο της ακτινοβολίας μέσω της σκέδασης και απορρόφηση, τα αερολύματα επηρεάζουν και με έμμεσο τρόπο την ηλιακή και θερμική ακτινοβολία προκαλώντας μεταβολές στις ποσότητες και ιδιότητες των νεφών και κατ επέκταση στις βροχοπτώσεις (Andreae, 2007). Τα νέφη παίζουν σημαντικό ρόλο στο κλίμα της Γης αφού επιδρούν στο ισοζύγιο ακτινοβολίας του πλανήτη και στην κατακόρυφη ψύξη και θέρμανση του ατμοσφαιρικού αέρα μέσω της ανάκλασης της ηλιακής ακτινοβολίας και της απορρόφησης της γήινης. Επίσης, είναι αυτά που παράγουν την βροχή και λαμβάνουν μέρος στον υδρολογικό κύκλο. Στην επίδραση των αιωρούμενων σωματιδίων στα νέφη, λαμβάνουν χώρα διάφοροι μηχανισμοί. Ο ένας μηχανισμός αναφέρεται στην επίδραση των αιωρούμενων σωματιδίων στην albedo των νεφών(cloud albedo effect) και ο δεύτερος αναφέρεται στην μεταβολή του χρόνου ζωής των νεφών (cloud lifetime effect) (IPCC, 2007). Στην εικόνα 6 φαίνονται οι επιδράσεις των νεφών στην ακτινοβολία με τις οποίες σχετίζεται η παρουσία αερολυμάτων στην ατμόσφαιρα. 24

Εικόνα 6 Σχηματικό διάγραμμα των διαφόρων μηχανισμών σχετικά με την επίδραση των νεφών στην ακτινοβολία, για τους οποίους έχει αναγνωρισθεί η σχέση των αιωρούμενων σωματιδίων. Τα μικρά μαύρα σημεία αντιπροσωπεύουν τα αιωρούμενα σωματίδια ενώ οι μεγαλύτεροι ανοιχτοί κύκλοι τα νεφοσταγονίδια. Οι ευθείες γραμμές αναπαριστούν την προσπίπτουσα και ανακλώμενη ακτινοβολία ενώ η κυματιστές την γήινη. Τα νέφη που έχουν σαν πυρήνες συμπύκνωσης φυσικά αιωρούμενα σωματίδια (unperturbed) περιέχουν μεγαλύτερα νεφοσταγονίδια, ενώ τα νέφη που έχουν σαν πυρήνες συμπύκνωσης φυσικά και ανθρωπογενή αιωρούμενα σωματίδια αποτελούνται από μεγαλύτερο αριθμό μικρότερων νεφοσταγονιδίων. Η κατακόρυφες διακεκομμένες γκρι γραμμές αναπαριστούν την βροχόπτωση και το LWC εκφράζει την περιεκτικότητα νερού σε υγρή σε υγρή φάση (IPCC, 2007). 1.7.5.3.1 Τα αερολύματα ως πυρήνες συμπύκνωσης νεφών (CCN) Τα νεφοσταγονίδια διαμορφώνονται στην ατμόσφαιρα μέσω της συμπύκνωσης κορεσμένων υδρατμών στα αιωρούμενα σωματίδια της ατμόσφαιρας. Αυτά τα σωματίδια που έχουν την δυνατότητα να λειτουργήσουν σαν πυρήνες νεφοσταγονιδίων καλούνται πυρήνες συμπύκνωσης νεφών (cloud condensation nuclei CCN). Η αποτελεσματικότητα ενός σωματιδίου της ατμόσφαιρας να δράσει σαν πυρήνας συμπύκνωσης, είναι συνάρτηση του μεγέθους, της χημικής σύνθεσης, της κατάστασης ανάμιξης και του φυσικού περιβάλλοντος (Andreae and Rosenfeld, 2008). Οι αντιδράσεις μεταξύ των αιωρούμενων σωματιδίων (φυσικής και ανθρωπογενούς προέλευσης) και των νεφών είναι πολύπλοκη και μπορεί να χαρακτηριστεί ως μη γραμμική (IPCC, 2001). Το μέγεθος και η χημική σύσταση των πρωτογενών πυρήνων (π.χ., θειικά ανθρωπογενή, νιτρικά, σκόνη, οργανικός και μαύρος άνθρακας) είναι σημαντικά για την ενεργοποίηση και γρήγορη ανάπτυξη των νεφοσταγονιδίων και ιδιαίτερα η παρουσία συστατικών που επηρεάζουν την επιφανειακή τάση (McFiggans et al., 2006). Οι οπτικές ιδιότητες των νεφών σχετίζονται με το μήκος κύματος της ακτινοβολίας και εξαρτώνται από την κατανομή του μεγέθους των σταγονιδίων, την συγκέντρωση κρυσταλλικού πάγου και την μορφολογία των διαφόρων τύπων νεφών (IPCC, 2007). Όταν είναι αυξημένο το επίπεδο των συγκεντρώσεων των CCN τότε τα νέφη περιέχουν υψηλές συγκεντρώσεις μικρότερων νεφοσταγονιδίων. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα να επικρατούν κυρίως βροχοπτώσεις από λεπτά και μικρού χρόνου ζωής νέφη. Τέτοιες βροχοπτώσεις συμβαίνουν κατά την διάρκεια του χειμώνα και έχουν 25

σαν αποτέλεσμα την μείωση των αποθεμάτων νερού σε ημιάγονες περιοχές (Rosenfeld, 2007). Αντίθετα, όταν οι συγκεντρώσεις των CCN είναι χαμηλές, οι κατακρημνίσεις συμβαίνουν πιο γρήγορα, χωρίς να είναι απαραίτητο να μεσολαβήσει στα νεφοσταγονίδια η φάση του πάγου. Τέτοια νέφη επικρατούν στους τροπικούς κατά την διάρκεια του καλοκαιριού σε μεσαία γεωγραφικά πλάτη. Στις υψηλές συγκεντρώσεις CCN, κυριαρχούν βροχές λόγω τον μικρότερων μόνο νεφοσταγονιδίων και αυτή η καθυστέρηση στις κατακρημνίσεις μπορεί να οδηγήσει τα νεφοσταγονίδια σε ιδιαίτερα ψυχρά επίπεδα (Adreae et al., 2004). Καθυστερώντας όμως η βροχή περαιτέρω, είναι δυνατόν να μορφοποιηθούν σε σωματίδια πάγου τα οποία απελευθερώνουν θερμότητα κατά την ψύξη τους και όταν αυτά λιώσουν την απορροφούν πίσω. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα την μεταφορά περισσότερης θερμότητας προς τα πάνω για την ίδια ποσότητα βροχής. Αλλά η κατανάλωση περισσότερης ενέργειας για την ίδια ποσότητα βροχής οδηγεί και σε εξίσου περισσότερη απελευθέρωση κινητικής ενέργειας για την ίδια ποσότητα βροχής. Αυτό μπορούσε να ενισχύσει την μεταφορά της θερμότητας και να οδηγήσει σε αύξηση των κατακρημνίσεων (Rosenfeld, 2006). Μία άλλη συνέπεια της επίδρασης των αιωρούμενων σωματιδίων στην διαμόρφωση των βροχοπτώσεων είναι ότι η υγρασία παραμένει στην ατμόσφαιρα, λόγω του ότι όταν τα αιωρούμενα σωματίδια έχουν μεγάλο αριθμό δεν μπορούν να προσλάβουν την επαρκή υγρασία για να γίνουν πυρήνες συμπύκνωσης νεφών, με αποτέλεσμα αυτή η παραμένουσα υγρασία στην ατμόσφαιρα να μεταφέρεται με τους ανέμους και να συμβαίνουν κατακρημνίσεις σε καθυστερημένο χρόνο. Αυτό σημαίνει μεταβολή στον κύκλο των βροχοπτώσεων αλλά και της υγρασίας και ξηρασίας σε παγκόσμια κλίμακα (Bell, 2008). Επιπρόσθετα, η μείωση στην θέρμανση της επιφάνειας της Γης, εξαιτίας της εξασθένισης της ηλιακής ακτινοβολίας από τα αιωρούμενα σωματίδια της ατμόσφαιρας, σε συνδυασμό με την θέρμανση της ατμόσφαιρας λόγω των απορροφητικών αιωρούμενων σωματιδίων, μπορεί να οδηγήσει σε μείωση των βροχοπτώσεων. Επίσης, σε μεγάλη κλίμακα μπορεί να προκαλέσει αλλαγές στην κυκλοφορία των ανέμων και κατά συνέπεια στις ιδιότητες των νεφών, στην διαμόρφωση των βροχοπτώσεων και στην κατανομή των αερολυμάτων (Bell, 2008). 26

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2ο ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΑΙΩΡΟΥΜΕΝΩΝ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ ΑΠΟ ΤΗΝ ΕΡΗΜΟ ΣΑΧΑΡΑ 2.1 Εισαγωγή Οι μετεωρολόγοι, καθώς επίσης και οι επιστήμονες που μελετούν τη γήινη ατμόσφαιρα, αντιμετωπίζουν τη μεταφερόμενη σκόνη βάση των επιδράσεων που έχει στο ενεργειακό ισοζύγιο της ακτινοβολίας και στη συμπύκνωση των υδρατμών και στο σχηματισμό νεφών. Από περιβαλλοντικής απόψεως, η αιωρούμενη σκόνη επιβαρύνει την ανθρώπινη υγεία (αναλόγως της αεροδυναμικής διαμέτρου των σωματιδίων) και γενικότερα στην ποιότητα της ζωής. Δεδομένα από σχετικές μελέτες που αφορούν τη μεταφερόμενη σκόνη εντοπίζονται από το 1800. Οι μελέτες αυτές πραγματοποιήθηκαν από γεωλόγους και γεωπόνους εκείνης της εποχής. Σήμερα πλέον με την ανάπτυξη της τεχνολογίας, μέσω της τηλεπισκόπισης της ατμόσφαιρας μπορούμε και έχουμε ένα ανεπτυγμένο παγκόσμιο σύστημα παρακολούθησης των εκπομπών και της μεταφοράς σκόνης. Έτσι μπορούμε να προβούμε σε χωρική και χρονική ανάλυση της μεταφερόμενης σκόνης με τη βοήθεια επιχειρησιακών μοντέλων που πληροφορούν για την πρόβλεψη και εξέλιξη των επεισοδίων μεταφοράς σκόνης. 2.2 Οι κυριότερες έρημοι Το ζήτημα της παγκόσμιας μεταφοράς σκόνης της ατμόσφαιρας απασχόλησε τους επιστήμονες από το 17ο αιώνα. Μέσα από έντονες συζητήσεις, στα τέλη του 19 ου αιώνα, αποφάνθηκε ότι οι εκπομπές σκόνης στην ατμόσφαιρα οφείλονται στους δυνατούς ανέμους που πνέουν πάνω από ξηρές και αμμώδεις περιοχές. Νεότερες έρευνες έδειξαν ότι η έρημος της Σαχάρα στην Αφρική, και η έρημος Γκόμπι στην ανατολική Ασία είναι οι δύο κύριες παγκόσμιες πηγές που τροφοδοτούν με σκόνη την ατμόσφαιρα. Μια από τις κυριότερες φυσικές πηγές των ατμοσφαιρικών αιωρημάτων είναι η ανόργανη σκόνη, η οποία συναντάται σε ποσοστό 37% των συνολικών αιωρημάτων που εκπέμπονται στην ατμόσφαιρα από τις ανθρωπογενείς και φυσικές δραστηριότητες. Στις περιπτώσεις που οι καιρικές συνθήκες ευνοούν την μεταφορά στην ατμόσφαιρα, η σκόνη ανέρχεται στην ελεύθερη τροπόσφαιρα όπου και μεταφέρεται με τη βοήθεια της γενικής κυκλοφορίας της ατμόσφαιρας, σε πολύ μεγάλες αποστάσεις. Οι κυριότερες πηγές αιωρούμενων σωματιδίων όπως προαναφέραμε είναι οι έρημοι του πλανήτη, στις οποίες αποδίδεται το 35% των πρωτογενών εκπομπών σωματιδίων. Το μισό του ποσοστού αυτού οφείλεται στην έρημο Σαχάρα. Οι εκπομπές της Σαχάρας επηρεάζουν το συνολικό φόρτο αιωρούμενων σωματιδίων της ατμόσφαιρας της Αφρικής, του Ατλαντικού ωκεανού, της νότιας Αμερικής, της ανατολικής ακτής των Η.Π.Α. και φυσικά της Ευρώπης. 27

Εικόνα 7 Μεγαλύτερες έρημοι του κόσμου Εικόνα 8 Κυριότερες έρημοι του κόσμου (Πηγή: www.geology.com) 28

2.3 Η έρημος Σαχάρα Είναι έρημος και βρίσκεται στην Β. Αφρική. Διασχίζει την Αφρική από τον Ατλαντικό Ωκεανό στην Ερυθρά θάλασσα και συνεχίζεται στα ανατολικά με την αραβική έρημο. Εκτείνεται σε 4.000 Km από τον Ατλαντικό στην κοιλάδα του Νείλου και σε 1.500 ως 1.800 Km από Βορρά προς Νότο. Η Σαχάρα βρίσκεται στη ζώνη του ΒΑ αληγούς, που εμποδίζει την πτώση βροχών. Μόνο στην περιοχή της Μεσογείου ή του Σουδάν πέφτουν βροχές, όχι πολλές, και υπάρχει μια σχετική βλάστηση. Υπάρχουν και μέρη με συνθήκες σχετικά καλές για διαβίωση, όπου υπάρχουν πόλεις. Γενικά όμως, η Σαχάρα είναι μια έκταση όπου, οι βροχές σπάνια κάνουν την εμφάνισή τους. Επίσης η ξηρασία του αέρα είναι πολύ μεγάλη κι αυτό γιατί υπάρχει μεγάλη εξάτμιση. Υπάρχουν περιπτώσεις, κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού, που ενώ τη μέρα η θερμοκρασία ανεβαίνει στους 50 C, το βράδυ κατεβαίνει κάτω από το μηδέν. Οι άνεμοι που είναι αρκετά δυνατοί και συχνοί, δημιουργούν ανεμοστρόβιλους. Αλλά εκτός από την επίπεδη αμμώδη έκταση, η Σαχάρα έχει και αρκετά βουνά. Σε άλλες περιοχές της Σαχάρας, εξαιτίας της διαβρωτικής ενέργειας του ανέμου, σχηματίζονται κοιλώματα με μεγάλο και απότομο βάθος. Συνολικά, η έκτασή της αντιστοιχεί σε κάτι παραπάνω από το ένα τέταρτο της αφρικανικής ηπείρου, καλύπτοντας τμήματα από δέκα διαφορετικά κράτη, ενώ ο πληθυσμός της δεν ξεπερνά τα 2 εκατομμύρια. Είναι η περιοχή με τη μεγαλύτερη ηλιοφάνεια στον κόσμο (περίπου 4.300 ώρες το χρόνο), και είναι σχεδόν μόνιμα ξερή. Εικόνα 9 Σύνηθες τοπίο της ερήμου της Σαχάρας Τα πενήντα τελευταία χρόνια οι αμμοθύελλες με προέλευση τη Σαχάρα έχουν δεκαπλασιαστεί. Όμως, οι αμμοθύελλες που μεταφέρουν σκόνη χιλιάδες χιλιόμετρα μακριά δεν προέρχονται μόνο από τη Σαχάρα. Σε έκθεση για τις ξηρές περιοχές του πλανήτη η οποία ολοκληρώθηκε τον Ιούνιο 2005 αναφέρεται ότι αμμοθύελλες από την έρημο Gobi στην Ασία επηρεάζουν την Κίνα, την Κορέα και την Ιαπωνία, ακόμα και την ποιότητα της ατμόσφαιρας στη Βόρεια Αμερική. Καταστρέφει επίσης τους κοραλλιογενείς υφάλους στην Καραϊβική αφού η σκόνη κλείνει τους πόρους τους. Η μεγαλύτερη όμως πηγή σκόνης στον κόσμο είναι η κοιλότητα Bodilee στο Τσάντ, η οποία βρίσκεται μεταξύ της διαρκώς συρρικνωμένης λίμνης Τσαντ (σήμερα στο 1/20 του μεγέθους που είχε το 1960) και της Σαχάρας, φαίνεται στην εικόνα 10. Από την κοιλότητα απελευθερώνονται 1.270 εκατομμύρια τόνοι σκόνης το χρόνο, 10 φορές περισσότερη από όταν άρχισαν οι μετρήσεις το 1947. Συνολικά υπολογίζεται ότι παγκοσμίως η σκόνη που κυκλοφορεί στην ατμόσφαιρα φτάνει τα 2-3 δισεκατομμύρια τόνους το χρόνο. Η κατάσταση επιδεινώνεται με την αποψίλωση των δασών και τη θέρμανση του πλανήτη που επιφέρουν τις κλιματικές αλλαγές, με αποτέλεσμα τη μείωση των βροχών σε πολλές περιοχές του πλανήτη. 29

Εικόνα 10.Έντονη συρρίκνωση της λίμνης Τσάντ της Αφρικής. Η περιοχή αυτή ευθύνεται για τη μεγαλύτερη εκπομπή σκόνης στην ατμόσφαιρα του πλανήτη. (Πηγή: http://visibleearth.nasa.gov/) 2.4 Τροχιές μεταφοράς σκόνης Σαχάρας Η σκόνη της Σαχάρας μεταφέρεται συνήθως από τις πηγές της κατά μήκος τριών διευθύνσεων: Προς τα δυτικά πάνω από το Βόρειο Ατλαντικό Ωκεανό (Carlson and Prospero, 1972; Moulin et al., 1997), με προορισμό τη Βόρεια (Perry et al., 1997) και τη Νότια (Swap et al., 1992) Αμερική Προς Βορρά πάνω από τη Μεσόγειο Θάλασσα (Loye-Pilot et al., 1986), με προορισμό τη Νότια Ευρώπη (Avila et al., 1997; Rodriguez et al., 2001) και μερικές φορές έως τη Σκανδιναβία (Franzen et al., 1994) Κατά μήκος ανατολικών τροχιών πάνω από την Aνατολική Μεσόγειο (Herut and Krom, 1996; Kubilay et al., 2000) και φτάνοντας έως τη Μέση Ανατολή (Ganor et al., 1991) 2.4.1 Τροχιές σκόνης Σαχάρας πάνω από το Βόρειο Ατλαντικό Κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού σε γεωγραφικά πλάτη 15-20 Ο Ν πάνω από τη Δυτική Αφρική, ξεσπούν θερμικές καταιγίδες με έντονα ανοδικά ρεύματα, λόγω πολύ μεγάλης θέρμανσης του εδάφους, μεταφέροντας πλούμια σκόνης, που φτάνει και το 50% του συνολικού όγκου των αιωρούμενων σωματιδίων (Schutz et al., 1981; D;Almeida, 1986), πάνω από το Βόρειο Ατλαντικό. Σημαντικό ρόλο παίζει και ο αντικυκλώνας των Αζόρων, ο οποίος κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού είναι αρκετά εκτεταμένος και μεταφέρει αιωρούμενα από τροπικές σε υποτροπικές περιοχές του Βόρειου Ατλαντικού, δικαιολογώντας έως ένα βαθμό και την εποχικότητα της υπερατλαντικής μεταφοράς αιωρούμενων. Λόγω της πολύπλοκης δομής της ατμοσφαιρικής κυκλοφορίας, τροχιές αιωρούμενων κινούμενες προς Βορρά μπορεί να μεταφερθούν έως τις δυτικές ακτές της Ευρώπης. 2.4.2 Τροχιές σκόνης Σαχάρας προς την Ευρώπη Αρκετά συχνή είναι η εναπόθεση σκόνης Σαχάρας, μέσω υγρής εναπόθεσης, πάνω από τη νότια Ευρώπη, γεγονός καταγεγραμμένο από την αρχαιότητα (Bucher 30

and Lucas, 1984), ενώ λιγότερο συχνή είναι η εναπόθεση αιωρούμενων σε βορειότερα γεωγραφικά πλάτη, όπως στη Μεγάλη Βρετανία (Wheeler, 1986), στην Ολλανδία (Reiff et al., 1986), στη Γερμανία (Littmann, 1991b) και στη Σκανδιναβία (Franzen et al., 1994). Μεμονωμένα επεισόδια βροχοπτώσεων που μεταφέρουν μεγάλη ποσότητα σκόνης Σαχάρας είναι δυνατό να συμβούν σε αρκετά μεγάλη έκταση, όπως αυτό που καταγράφηκε το Μάρτιο του 1991, το οποίο κάλυψε μία επιφάνεια το λιγότερο 320.000 Km2, από την περιοχή της Σικελίας έως τη Σουηδία και Φιλανδία (Burt, 1991a; Bucher and Dessens, 1992; Franzen et al., 1995). Στις αρχές της δεκαετίας του 1980 έγιναν εκτιμήσεις της ποσότητας αιωρούμενων που μεταφέρεται προς την Ευρώπη, με βάση φωτομετρικά δεδομένα της ηλιακής ακτινοβολίας (D Almeida et al., 1986). Υπολογίστηκε ότι 80-120 εκατομμύρια τόνοι το χρόνο αιωρούμενων, μεταφέρονται από τη Νότια Αλγερία και τη Δυτική Σαχάρα- Νότιο Μαρόκο (Molinaroli et al., 1996), προς τη Δυτική Ευρώπη. 2.4.3 Τροχιές σκόνης Σαχάρας προς την Ανατολική Μεσόγειο Μεταφορά αιωρούμενων από τη Βόρεια Αφρική προς την Ανατολική Μεσόγειο παρατηρείται κυρίως την άνοιξη και σχετίζεται άμεσα με την ανατολική κυκλοφορία των βαρομετρικών χαμηλών και των μετώπων που τα συνοδεύουν, σε μικρά εν γένει γεωγραφικά πλάτη την συγκεκριμένη εποχή του έτους. Αντίθετα η μεταφορά αιωρούμενων το φθινόπωρο προς τη Μεσόγειο από περιοχές της Μέσης Ανατολής (Dayan, 1986; Kubilay et al., 2000). Η μεταφορά αιωρούμενων προς την κεντρική Μεσόγειο χαρακτηρίζεται από επεισόδια τα οποία διαρκούν από 2 έως 4 ημέρες, σε αντίθεση με τη μέση διάρκεια των επεισοδίων που συμβαίνουν στην Ανατολική Μεσόγειο από την έρημο της Αραβίας και διαρκούν μία ημέρα (Dayan et al., 1991). Η Κεντρική Αλγερία είναι η πιο συχνή περιοχή-πηγή αιωρούμενων τα οποία φτάνουν στο Ισραήλ (Ganor et al., 1991), καθώς επίσης άλλες πιθανές πήγες είναι τα βουνά Hoggar Massif και Tibesti στο βόρειο Chad (Ganor and Foner, 1996). Εικόνα 11 Επεισόδιο καταιγίδας σκόνης Σαχάρας πάνω από τη κεντρική Μεσόγειο και τη νότια Ευρώπη, στις 18 Ιουλίου του 2000 (SeaWiFS Project, NASA/Goddard Space Flight Center and ORBIMAGE) Εικόνα 12 Επεισόδιο καταιγίδας σκόνης Σαχάρας πάνω από την ανατολική Μεσόγειο, στις 4 Απριλίου του 2003 (SeaWiFS Project, NASA/Goddard Space Flight Center and ORBIMAGE) 31

2.5 Μεταφορά της σκόνης πάνω από τη Μεσόγειο Από επιστημονικές μελέτες εντοπίστηκαν τρία αίτια για την μεταφορά της σκόνης από τη Σαχάρα προς τη Μεσόγειο, ανάλογα με την εκάστοτε εποχή του έτους. Την περίοδο της άνοιξης, οι κυκλώνες Sharav που κινούνται προς τα ανατολικά, κατά μήκος της βόρειας αφρικάνικης ακτογραμμής, μεταφέρουν σκόνη στην ανατολική Μεσόγειο. Κατά το καλοκαίρι οι υψηλές πιέσεις πάνω από τη Λιβύη εμποδίζουν την περαιτέρω ανατολική διάδοση των κυκλώνων αυτών και η μεταφορά πραγματοποιείται στην κεντρική Μεσόγειο. Προς το πέρας του καλοκαιριού οι χαμηλές πιέσεις κοντά στις Βαλεαρίδες νήσους έχουν ως αποτέλεσμα η μεταφορά σκόνης να συντελείται κυρίως στη δυτική Μεσόγειο. Στην εικόνα 13 φαίνονται οι κυριότερες πηγές και διαδρομές της σκόνης. Παρατηρείτε ότι την άνοιξη η σκόνη μεταφέρεται από το Τσαντ κατά μήκος της βόρειας αφρικανικής ακτής προς την ανατολική μεσόγειο. Η μεταφορά αυτή όπως προαναφέραμε συνδέεται με τους κυκλώνες Sharav. Το καλοκαίρι οι πηγές σκόνης εντοπίζονται και στις δύο πλευρές της Ερυθράς θάλασσας. Για το φθινόπωρο, είναι δύσκολο να προσδιορίσουμε την προέλευση της σκόνης. Ωστόσο φαίνεται ότι η κύρια μεταφορά είναι από τις Λιβυκές ακτές προς τα ανατολικά, όμως η σκόνη που αιωρείται στις Λιβυκές ακτές προέρχεται από το Τσαντ, από πηγές κοντινές στην ερυθρά θάλασσα και από τη Λιβύη. Εικόνα 13 Οι διαδρομές της σκόνης. Οι μαυρισμένες περιοχές απεικονίζουν τις κύριες πηγές σκόνης στη Β. Αφρική, ενώ τα βέλη δείχνουν τη μεταφορά που συντελείται ανά εποχή έτους. (Πηγή: www.nasa.org) 32

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο ΔΕΔΟΜΕΝΑ 3.1 Δεδομένα από τον αισθητήρα MODIS Από το 1983 η NASA (National Aeronautics and Space Administration) έχει αναλάβει το πρόγραμμα της μακροπρόθεσμης παρατήρησης, έρευνας και ανάλυσης της ξηράς, της ατμόσφαιρας και του ωκεανού, καθώς και των αλληλεπιδράσεών τους από το σύστημα Earth Observing System (EOS) που αναφέρεται στη μελέτη της Γης ως σύστημα (C.O. Justice et al., 2002). Ο αισθητήρας Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) είναι ένας από αυτούς που αναπτύχθηκαν για να συμπληρώσουν το σύστημα EOS και αποτελεί πλέον ένα σημαντικό εργαλείο στα χέρια του κάθε χρήστη στα πλαίσια της μελέτης του περιβάλλοντος και της διαχείρισής του. Την άνοιξη του 1984, η NASA διαμόρφωσε επιτροπές οργάνων, ώστε να αναπτυχθούν και να υλοποιηθούν οι επιστημονικές απαιτήσεις και έννοιες για τον κάθε αισθητήρα που θα συμπλήρωνε το σύστημα EOS. Ένας από τους δέκτες υπό εξέταση ήταν ο Moderate Resolution Imaging Spectrometer (MODIS), ο οποίος θα περιελάμβανε πολλές ιδιότητες από τους δέκτες CZCS, AVHRR και HIRS, καθώς επίσης, και σχετικά χαρακτηριστικά από τον Landsat Thematic Mapper (TM). Η επιτροπή για τον MODIS, αποτελείτο αρχικά από μία ομάδα δεκαεννέα επιστημόνων και τεχνικών τηλεπισκόπησης από κρατικά εργαστήρια και πανεπιστήμια, η οποία κατόπιν και εξέτασε τα τότε δεδομένα για την επιστήμη της τηλεπισκόπησης. Η διαχείριση και η ανάπτυξη του συστήματος του MODIS ανατέθηκε στο επιστημονικό κέντρο Goddard Space Flight Center της NASA. Ως βασικό όργανο του προγράμματος της NASA, EOS, ο MODIS εκτοξεύθηκε για να εφαρμοστεί στο δορυφόρο Terra στις 18 Δεκεμβρίου 1999, ώστε να επιτευχθεί παγκόσμια παρακολούθηση της ατμόσφαιρας, των εδαφικών οικοσυστημάτων και των ωκεανών. Εικόνα 14 Ο αισθητήρας MODIS προσαρτημένος στο δορυφόρο Terra (Πηγή: http://aqua.nasa.gov/about/instrument_modis.php) Έχοντας τα δεδομένα του MODIS (Level 1B) η επιστημονική ομάδα έκανε σημαντική πρόοδο όσον αφορά την απόδοση του αισθητήρα, ώστε να παραχθεί και να οριστεί η ποιότητα μιας υψηλότερης σειράς γεωφυσικών προϊόντων (Levels 2, 3, και 4) (C.O. Justice et al., 2002). 33

Ως συνέπεια αυτής της προσπάθειας, στις 4 Μαΐου 2002, ένα παρόμοιο όργανο εκτοξεύθηκε για να εφαρμοστεί σε άλλο δορυφόρο του EOS, τον AQUA, με τον ίδιο σκοπό. 3.1.1 Χαρακτηριστικά του αισθητήρα MODIS Ο MODIS είναι ένα προηγμένης τεχνολογίας φασματοφωτόμετρο του οποίου η αποστολή (δορυφόροι Terra και Aqua της NASA) είναι η παροχή περιεκτικών καταγραφών παραμέτρων της επιφάνειας της γης, των ωκεανών, της ατμόσφαιρας σε μέση χωρική διακριτική ικανότητα αλλά με υψηλή φασματική διακριτική ικανότητα και επαναληψιμότητα λήψεων. Ο αισθητήρας MODIS διαγράφοντας μια τροχιά και για τους δύο δορυφόρους, Terra και Aqua, σαρώνει συνολικά περιοχή πλάτους 2330 km, παρέχοντας σχεδόν ολοκληρωμένη παγκόσμια κάλυψη σε μία ημέρα, έχοντας έτσι καλή επαναληπτικότητα βλέποντας κάθε σημείο του πλανήτη κάθε μία με δύο ημέρες. Η καταγραφή των δεδομένων επιτυγχάνεται σε 36 υψηλής ανάλυσης φασματικά κανάλια μεταξύ 0.415 και 14.235μm με χωρική ανάλυση 250m στα κανάλια 1 και 2, 500m στα κανάλια 3 έως 7 και 1000m στα κανάλια 8 έως 36. Αν και υπάρχουν αρκετές τεχνολογικές πρόοδοι που ενσωματώνονται και απαντώνται στο σχεδιασμό του MODIS, δύο από αυτές είναι μοναδικές. Η πρώτη αφορά τον αριθμό των φασματικών καναλιών και η δεύτερη στη ραδιομετρική ανάλυση των 12 bit. Η ενσωμάτωση 36 φασματικών καναλιών σε ένα ενιαίο αισθητήρα συμπεριλαμβανομένων 490 ανιχνευτών στοιχείων, κάθε ένας από τους οποίους είναι ένα ευδιάκριτο ηλεκτρονικό κανάλι που απαιτεί διαφορετική βαθμονόμηση, αποτελεί ένα σημαντικό πλεονέκτημα έναντι των δεκτών AVHRR, CZCS και HIRS. (C.O. Justice et al., 2002) Αυτό το ξεχωριστό χαρακτηριστικό στο σχεδιασμό του MODIS, σύμφωνα με τον Salomonson αποτέλεσε την επιτομή και ουσία της χρησιμότητας ενός τέτοιου αισθητήρα, ώστε να ικανοποιηθούν οι απαιτήσεις τριών διαφορετικών συνιστωσών που ορίζουν το περιβάλλον: της ατμόσφαιρας, του ωκεανού και της γης με τα φασματικά κανάλια και τη χωρική ανάλυση επιλεγμένα, ώστε να ανταπεξέρχονται των απαιτούμενων αναγκών για την καθημερινή παγκόσμια κάλυψη (Salomonson et al., 1989). 3.1.2. Τα προϊόντα του MODIS Ο αρχηγός της επιστημονικής ομάδας του MODIS, Dr. Vincent Salomonson Ήταν επίσης, ο αρμόδιος για εκείνο το κομμάτι των αλγόριθμων, στο οποίο γίνεται η μετατροπή των ακατέργαστων δεδομένων του MODIS σε ραδιομετρικά βαθμονομημένες και γεωμετρικά διορθωμένες εικόνες (γνωστό ως Level-1B ή L1B), τη λειτουργία τροχιάς των δύο δεκτών, την επαλήθευση και την ολοκλήρωση των αλγόριθμων που παρέχονται από την υπόλοιπη ομάδα, καθώς και τη διοικητική υποστήριξη των μελών της ομάδας. (Salomonson et al., 2005) Περίπου 40 προϊόντα παράγονται από τις παρατηρήσεις των αισθητήρων MODIS στους δορυφόρους Terra και Aqua, καλύπτοντας ένα ευρύ φάσμα μεταβλητών σχετικά με την ξηρά, τον ωκεανό και την ατμόσφαιρα, που είναι απαραίτητες, ώστε να μελετώνται οι διαδικασίες και οι τάσεις του δυναμικού συστήματος της Γης. (Salomonson et al., 2005) 34

Εικόνα 15 Τα προϊόντα του MODIS 35

3.1.3. Διάθεση των προϊόντων του MODIS Όπως συμβαίνει με τα προϊόντα από τους υπόλοιπους δέκτες που βρίσκονται πάνω στους δορυφόρους Terra και Aqua, έτσι και με τα προϊόντα του MODIS. Μεταφέρονται σε επίγειους σταθμούς στο White Sands, στου Νέο Μεξικό μέσω του Tracking and Data Relay Satellite System (TDRSS). Έπειτα τα δεδομένα αποστέλλονται στο EOS Data and Operations System (EDOS) στο Goddard Space Flight Center. Τα προϊόντα που υπάγονται στις κατηγορίες Level 1A, Level 1B, geolocation και cloud mask, καθώς και τα υψηλότερου επιπέδου (Higher-level) προϊόντα για την ξηρά και την ατμόσφαιρα παράγονται από το MODIS Adaptive Processing System (MODAPS), τα προϊόντα που αφορούν τον ωκεανό παράγονται από το Ocean Color Data Processing System (OCDPS) και τελικά όλα διανέμονται στην επιστημονική και όχι μόνο κοινότητα. Όσον αφορά τη διάθεση των προϊόντων, οι πηγές ποικίλουν, όπως ήδη περιγράφηκε από το στάδιο παραγωγής τους. Τα Level 1 και ατμοσφαιρικά προϊόντα διατίθενται μέσω του δικτύου LAADS (Level 1 and Atmosphere Archive and Distribution System) της NASA στην ιστοσελίδα http://ladsweb.nascom.nasa.gov/. Τα προϊόντα για την ξηρά είναι διαθέσιμα μέσω του Land Processes DAAC στο U. S. Geological Survey EROS Data Center (EDC) και στο διαδικτυακό τόπο http://edcdaac.usgs.gov/dataproducts.asp. Τα δεδομένα που αφορούν τα προϊόντα για την κρυόσφαιρα διατίθενται από το National Snow and Ice Data Center (NSIDC) στο Boulder του Colorado και διαδικτυακά στην ιστοσελίδα http://nsidc.org/daac/modis/index.html. Τέλος, τα προϊόντα που σχετίζονται με τον ωκεανό είναι διαθέσιμα από το Goddard Space Flight Center της NASA μέσω της διεύθυνσης http://oceancolor.gsfc.nasa.gov/. 36

3.2 Δεδομένα από το επίγειο δίκτυο μετρήσεων ΑΕRΟΝΕΤ της NASA Το σύστημα AERONET (AErosol RObotic NETwork) είναι μια προσπάθεια της NASA να βαθμονομήσει αποτελέσματα και δέκτες που επικεντρώνονται στην μελέτη των αεροζόλ στην ατμόσφαιρα. Αποτελείται ουσιαστικά από φωτόμετρα (CIMEL Electronique 318A) τα οποία μετρούν το σημειακό AOT ακριβώς στο ζενίθ της κάθε τοποθεσίας καθώς και τη συγκέντρωση υδρατμών. Τα μήκη κύματος στα οποία γίνονται οι μετρήσεις είναι στα 440, 670, 870 και 1020 nm. Οι τοποθεσίες στις οποίες εγκαθίστανται τα φωτόμετρα (Εικόνα 16) είναι προσεκτικά επιλεγμένες ώστε να παρουσιάζουν όσο το δυνατόν μεγαλύτερη γεωγραφική εξάπλωση αλλά και να δίνουν δεδομένα από ευαίσθητα ή μεγάλης σημασίας σημεία. Εικόνα 16 Σταθμοί Aeronet ανά την υφήλιο (μόνιμοι, εποχιακοί και προσωρινοί). Ορισμένοι από τους σταθμούς λήψης δεδομένων είναι μόνιμοι ενώ άλλοι λειτουργούν εποχιακά ή προσωρινά. Οι τιμές που λαμβάνονται στέλνονται σε μία βάση δεδομένων η οποία τις επεξεργάζεται και στη συνέχεια προωθούνται σε ιστοσελίδες στο διαδίκτυο, οι οποίες είναι προσβάσιμες στο κοινό. Οι σταθμοί μπορούν ακόμα να εντοπίσουν τις ημέρες που υπήρχε νεφοκάλυψη πάνω από το φωτόμετρο και να προειδοποιήσουν τον χρήστη. Για κάθε ημέρα οι σταθμοί του AERONET δίνουν αρκετά δεδομένα σε διάφορες καταγεγραμμένες χρονικές στιγμές. Το δίκτυο AERONET προσφέρει τη δυνατότητα να καταγραφούν αερολύματα προερχόμενα από διαφορετικές πηγές. Η σχέση μεταξύ του παράγοντα Angstrom και του οπτικού βάθους των αερολυμάτων υποδηλώνει την παρουσία διαφόρων τύπων πάνω από την υπό μελέτη περιοχή, όπως: σκόνη, αστικάβιομηχανικά/καύση βιομάζας, θαλάσσιας προέλευσης, καθώς και μικτούς τύπους αερολυμάτων. Τα επεισόδια σκόνης χαρακτηρίζονται από δραστική αύξηση των τιμών του ΑΟΤ σε όλα τα μήκη κύματος η οποία συνοδεύεται από δραστική μείωση των τιμών του παράγοντα Angstrom. Τα δεδομένα του οπτικού βάθους του αεροζόλ υπολογίζονται σε 3 ποιοτικά επίπεδα: Επίπεδο 1.0 μη καλυμμένα (unscreened), Επίπεδο 1.5 καλυμμένα από σύννεφα (cloud-screened) και Επίπεδο 2.0 καλυμμένα από σύννεφα και εγγυημένα ποιοτικά (cloudscreened and quality assured). 37

Οι επεξεργαστικοί αλγόριθμοι έχουν εξελιχθεί από την Έκδοση 1 στην Έκδοση 2 και είναι διαθέσιμα από τις ιστοσελίδες του ΑΕRΟΝΕΤ και του PHOTONS. Νέα προϊόντα του ΑΕRΟΝΕΤ ανακοινώνονται όσο οι τεχνικές μετρήσεων και οι επεξεργαστικοί αλγόριθμοι αξιολογούνται και εξελίσσονται από την ερευνητική κοινότητα του ΑΕRΟΝΕΤ. Η ιστοσελίδα του ΑΕRΟΝΕΤ περιέχει ακόμα σχετικά νέα, περιγραφές επιχειρησιακών και ερευνητικών δραστηριοτήτων καθώς και σχετικό οργανόγραμμα της διεύθυνσης του προγράμματος. 38

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο ΤΟ ΜΟΝΤΕΛΟ HYSPLIT Το μοντέλο Hysplit (HYbrid Single Particle Langrangian Integrated Trajectory)έχει σχεδιαστεί για να υποστηρίζει έναν μεγάλο αριθμό προσομοιώσεων που σχετίζονται με μακράς διάρκειας μεταφορά, διάχυση και απόθεση ρύπων. Η μέθοδος υπολογισμού των τροχιών είναι ένα υβρίδιο ανάμεσα στην προσέγγιση Euler και Lagrange. Η κίνηση της αέριας μάζας και η διάχυση υπολογίζονται στο πλαίσιο της προσέγγισης Lagrange. Η μεταφορά και η διάχυση ενός ρύπου υπολογίζονται με την βοήθεια της κατανομής του Gauss. 4.1 Χαρακτηριστικά του μοντέλου Απλές ή σύνθετες ταυτόχρονες τροχιές Επιλογή πλέγματος συντεταγμένων της αρχικής τοποθεσίας Υπολογισμός εμπρόσθιων τροχιών και οπισθοτροχιών Άλλες επιλογές : ισεντροπικές και ισοβαρείς τροχιές 4.2 Περιορισμοί Οι τροχιές πρέπει κυρίως να χρησιμοποιούνται σαν εργαλεία αποτίμησης του πεδίου ροής σε διάφορα επίπεδα της ατμόσφαιρας και να συγκρίνει πεδία διαφορετικών μετεωρολογικών μοντέλων Τα λάθη στον υπολογισμό των τροχιών οφείλονται στο ότι τα μετεωρολογικά πεδία (που συνεχώς μεταβάλλονται σε χώρο και χρόνο) απεικονίζονται φτωχά από πεδία σε καθορισμένη τοποθεσία και χρονικό διάστημα. 4.3 Εφαρμογές του μοντέλου Μετεωρολογία : ερευνούν την ροή των αέριων μαζών γύρω από όρη Κλιματολογία : προσδιορίζουν τις διαδρομές μεταφοράς υδρατμών ή σκόνης (ερήμου) Περιβαλλοντικές Επιστήμες : για να αποδείξουν την σχέση πηγής-αισθητήρα στην αέρια ρύπανση 4.4 Υπολογισμός της τροχιάς Η τροχιά ενός πακέτου αέρα μπορεί να καθοριστεί από την εξίσωση τροχιάς : dx X [ X ( t)] dt διαφορική Αν γνωρίζουμε την αρχική θέση Xo στην χρονική στιγμή to του πακέτου, η διαδρομή του μπορεί να καθοριστεί από την παραπάνω εξίσωση. 39

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ Είναι γνωστό πως τα αιωρούμενα σωματίδια ερήμου ανήκουν στην κατηγορία των χονδρόκκοκων σωματιδίων ( coarse particles) D p 2.5 μm. Είναι δυνατόν να θεσπιστούν όρια και να εφαρμοστούν στις μετρήσεις από τον αισθητήρα MODIS σε σχέση με το οπτικό βάθος,το λόγο fine mode ratio και τον συντελεστή Αngstrom coefficient. Τα επεισόδια σκόνης χαρακτηρίζονται από χαμηλές τιμές του συντελεστή Αngstrom coefficient και αύξηση των τιμών του οπτικού βάθους. Επίσης ο λόγος του οπτικού βάθους των μικρών σωματιδίων προς το οπτικό βάθος των ολικών σωματιδίων χαρακτηρίζεται επίσης από χαμηλές τιμές. 5.1 Η περιοχή μελέτης Στα πλαίσια του παγκόσμιου συστήματος παρακολούθησης της Γης, EOS, ο αισθητήρας MODIS καταγράφει γεωφυσικές παραμέτρους. Τα δεδομένα για την παρούσα εργασία είναι προϊόντα του αισθητήρα MODIS. Οι μετρήσεις του οπτικού βάθους πραγματοποιούνται τόσο πάνω από την επιφάνεια των ωκεανών όσο και πάνω από την ξηρά, μέσω δύο ανεξάρτητων αλγορίθμων. Τα δεδομένα για την παρούσα εργασία αφορούν 15 πόλεις περιμετρικά της Μεσογείου, παράκτιες ή νησιά, για τις οποίες υπάρχουν και δεδομένα από επίγειους σταθμούς μέτρησης. Το χρονικό διάστημα μελέτης είναι από τον Ιανουάριο του 2000 μέχρι και τον Δεκέμβριο του 2010. Αρχικά, επιλέχτηκαν 3 πόλεις- σταθμοί, η Lampedusa στην Ιταλία, τα Χανιά στην Κρήτη και η Λεμεσός στην Κύπρο με κριτήριο την υπάρχουσα γνώση πως οι συγκεκριμένες πόλεις πλήττονται συχνά από επεισόδια σκόνης από Σαχάρα. Συνολικά οι 16 πόλεις που επιλέχτηκαν περιμετρικά της μεσογείου φαίνονται στην εικόνα 17 και στην εικόνα 18 φαίνεται η γεωγραφική τους θέση περιμετρικά της Μεσογείου. Εικόνα 17 Επιλεγμένες πόλεις 40

Εικόνα 18 Επιλεγμένες πόλεις περιμετρικά της Μεσογείου. 5.2 Θέσπιση ορίων για τις μετρήσεις Βάση διεθνής βιβλιογραφίας, για επεισόδια σκόνης από ερήμους ο συντελεστής Angstrom Ocean και ο λόγος Fine mode ratio ή ( Fine Mode Fraction) παίνουν πολύ χαμηλές τιμές( SOARS, 2004). Για την συγκεκριμένη εργασία ως όρια τέθηκαν ο συντελεστής Angstrom Ocean να παίρνει τιμές από 0 έως και ο,5.(πίνακας 2). Πίνακας 2 MODIS Observations of Desert Dust, Forest Fire Smoke and Anthropogenic Aerosols, Andro Ríos, Academic Affiliation, Fall 2004: Junior: California State University, Sacramento, SOARS Summer 2004 41

O Fine Mode Ratio είναι ο λόγος του οπτικού βάθους των μικρών σωματιδίων προς το οπτικό βάθος των ολικών σωματιδίων. Όταν ο fine mode ratio ισούτε με 1,0 όλα τα αιωρούμενα ανήκουν στην κατηγορία των λεπτόκκοκων. Ο fine mode ratio σε συνδιασμό με τον συντελεστή Angstrom είναι χρήσιμοι παράμετροι για τον προσδιορισμό του μεγέθους των σωματιδίων. Για επεισόδια σκόνης ο fine mode ratio κυμαίνεται σε τιμές από 0 έως 0,5. Όπως φαίνεται και στον πίνακα 2 για μεγαλύτερες τιμές του fine mode ratio δεν έχουμε σαφή αποτελέσματα. Διάγραμμα1 Διάγραμμα2 Διάγραμμα3 Διάγραμμα4 42

Διάγραμμα5 Διάγραμμα6 Τα διαγράμματα ισουψών 1,3 και 4 δείχνουν τιμές για τον συντελεστή Αngstrom ocean (Fine mode ratio- AOT) ενώ τα διαγράμματα 2,4 και 6 δίνουν τιμές για για Fine Mode Ratio (angstrom ocean-aot). 5.3 Αποτελέσματα από το μοντέλο HYSPLIT Από μελέτη ανάστροφων τροχιών με το μοντέλο HYSPLIT για ύψη 500, 1500 και 3000 Km, έγινε επαλήθευση της πηγής προέλευσης των αιωρούμενων σωματιδίων. Σε πολλές περιπτώσεις, αν και πληρούνταν τα κριτήρια, το επεισόδιο οφείλονταν σε άλλες πηγές. Στις εικόνες 19, 21 και 23 δίνονται ενδεικτικά για κάθε πόλη μία περίπτωση επεισοδίου από σκόνη Σαχάρας και στις εικόνες 20, 22 και 24 μία περίπτωση επεισοδίου από άλλες πηγές. Εικόνα 19 Εικόνα 20 43

Εικόνα 21 Εικόνα 22 Εικόνα 23 Εικόνα 24 44

Η μελέτη έγινε για όλες της πόλεις που επιλέχτηκαν, τις ημερομηνίες όπου ο συντελεστής Angstrom ocean και ο Fine mode ratio κυμαίνονταν από 0 έως 0,5 και οι μετρήσεις παρουσίαζαν χρονική συνέχεια τριών ημερών και άνω. Όλες οι περιπτώσεις μελετήθηκαν με το μοντέλο HYSPLIT, σε 3 διαφορετικά ύψη. Βρέθηκε πως για όλες τις περιπτώσεις, όταν υπήρχε επισόδιο από σκόνη Σαχάρα, η μέγιστη τιμή του οπτικού βάθους ήταν 1. Εύρημα που συνάδει και με αποτελέσματα από την διεθνή βιβλιογραφία. (πίνακας 3). Πίνακας 3 Πίνακας μέσων οπτικών ιδιοτήτων από κάθε είδους πηγή αιωρούμενων σωματιδίων (E. Giannakaki et al, 2009) 5.4 Διαγράμματα μέσων τιμών για AOT(550nm), Fine Mode Ratio(550nm) και Angstrom Ocean(550/865nm) Τα διαγράμματα 7, 8 και 9 απεικονίζουν τις αρχικές μετρήσεις από το MODIS(unitial measurements) και ποιες από αυτές αντιστοιχούν σε επεισόδια σκόνης από Σαχάρα (desert dust episodes). Επίσης δίνεται η μέση τιμή των αρχικών μετρήσεων και η μέση τιμή των επεισοδίων σκόνης. Η επαλήθευση πως τα επεισόδια προέρχονται από σκόνη Σαχάρας έγινε όπως έχει ήδη αναφερθεί με το μοντέλο HYSPLIT. Διάγραμμα 7 Διάγραμμα 8 45

Διάγραμμα 9 Παρατηρούμε πως για το AOT(550nm) η μέση τιμή των αρχικών μετρήσεων είναι μικρότερη από την μέση τιμή των επεισοδίων. Η μέση τιμή των αρχικών μετρήσεων κυμαίνεται από 0,2 έως 0,3. Η μέση τιμή των επεισοδίων κυμαίνεται μεταξύ 0,3 και 0,4.Συγκεκριμένα για την Κρήτη, 0,32±0,2 για την Lampedusa 0.36±0,2 και για την Λεμεσό 0,38±0,2.Σε περίπτωση επεισοδίου υπάρχει μεγαλύτερη ποσότητα σκόνης, μεγαλύτερη συγκέντρωση σωματιδίων και ήταν αναμενόμενο η μέση τιμή των επεισοδίων σκόνης να είναι υψηλότερη των αρχικών μετρήσεων. Διάγραμμα 10 Διάγραμμα 11 46

Διάγραμμα 12 Τα διαγράμματα 10, 11 και 12 απεικονίζουν αρχικές μετρήσεις από τον ΜΟDIS και μετρήσεις που αντιστοιχούν σε επεισόδια σκόνης από Σαχάρα για το Fine Mode Ratio(550nm). Παρατηρούμε πως η μέση τιμή των αρχικών μετρήσεων είναι και στις τρείς περιπτώσεις μεγαλύτερη από την μέση τιμή των επεισοδίων. Η μέση τιμή των αρχικών κυμαίνεται για την Κρήτη και την Λεμεσό μεταξύ 0,4 και 0,5 και για την Lampedusa μεταξύ 0,5 και 0,6 ενώ η μέση τιμή των επεισοδίων για την Κρήτη 0,3 έως 0,4, για την Λεμεσό 0,4 έως 0,5 και την Lampedusa 0,5 έως 0,6. Συγκεκριμένα για την Κρήτη, 0,29±0,1 για την Lampedusa 0.32±0,1 και για την Λεμεσό 0,34±0,1. Ο Fine Mode Ratio, όπως έχουμε ήδη αναφέρει, είναι ο λόγος του οπτικού βάθους των μικρών σωματιδίων προς τα ολικά σωματίδια. Τα επεισόδια σκόνης από Σαχάρα χαρακτηρίζονται από την ύπαρξη σωματιδίων με μεγάλη διάμετρο και έτσι ήταν αναμενόμενο η μέση τιμή του Fine Mode Ratio των επεισοδίων να είναι μικρότερη από την μέση τιμή των αρχικών. 47

Διάγραμμα 13 Διάγραμμα 14 Διάγραμμα 15 Τέλος, τα διαγράμματα 13, 14 και 15 απεικονίζουν τις αρχικές μετρήσεις από τον ΜΟDIS και τις μετρήσεις που αντιστοιχούν σε επεισόδια σκόνης από Σαχάρα για τον συντελεστή Angstrom ocean (550/865nm). Παρατηρούμε πως η μέση τιμή των αρχικών τιμών για τον συντελεστή angstrom ocean είναι μεγαλύτερη για τις αρχικές μετρήσεις από τα επεισόδια. Η μέση τιμή των αρχικών κυμαίνεται για Κρήτη και Λεμεσό μεταξύ 0,8 έως 0,9 και για Lampedusa 0,7 έως 0,8. Η μέση τιμή των επεισοδίων κυμαίνεται από 0,3 έως 0,4. Συγκεκριμένα για την Κρήτη, 0,32±0,1 για την Lampedusa 0.34±0,1 και για την Λεμεσό 0,32±0,1. Στα επεισόδια σκόνης από Σαχάρα, τα αιωρούμενα σωματίδια χαρακτηρίζονται από μεγάλη διάμετρο και ο συντελεστής παίρνει μικρές τιμές. Έτσι λοιπόν η μέση τιμή των επεισοδίων είναι μικρότερη από την μέση τιμή των αρχικών μετρήσεων. 48

5.5 Ιστογράμματα Τα διαγράμματα 16, 17 και 18 είναι ιστογράμματα σχετικής συχνότητας και απεικονίζουν για τις αρχικές μετρήσεις AOT 550 nm,που κυμαίνεται το μεγαλύτερο εύρος τιμών. Το μεγαλύτερο εύρος τιμών παρατηρείται για τιμές 0,1 έως 0,2 και 0,2 έως 0,3. Τα διαγράμματα 19, 20 και 21 δείχνουν το μεγαλύτερο εύρος τιμών σχετικά με τα επεισόδια σκόνης. Παρατηρούμε πως ο εύρος τιμών δεν αλλάζει. Διάγραμμα 16 Διάγραμμα 17 Διάγραμμα 18 Διάγραμμα 19 Διάγραμμα 20 Διάγραμμα 21 Από τα διαγράμματα 22, 23 και 24 συμπεραίνουμε πως για τον συντελεστή Αngstrom ocean 550/865nm το μεγαλύτερο εύρος τιμών για επεισόδια σκόνης κυμαίνεται για τιμές 0,3 έως 0,4 για την Κρήτη και την Lampedusa και 0,4 έως 0,5 για την Λεμεσό. Για το Fine Mode Ratio το μεγαλύτερο εύρος τιμών για επεισόδια σκόνης είναι για τιμές 0,3 έως 0,4 και για τις τρείς πόλεις, όπως συμπεραίνεται από τα διαγράμματα 25,26 και 27. 49

Διάγραμμα 22 Διάγραμμα 23 Διάγραμμα24 Διάγραμμα 25 Διάγραμμα 26 Διάγραμμα 27 5.6 Εποχιακά διαγράμματα Στα διαγράμματα 28, 29 και 30 δίνεται το ποσοστό που αντιστοιχεί σε κάθε εποχή βάση των μετρήσεων από τα επεισόδια σκόνης. Διάγραμμα 28 Διάγραμμα 29 Διάγραμμα 30 50

Στην Κρήτη το μεγαλύτερο ποσοστό είναι την άνοιξη και συγκεκριμένα τον μήνα Μάιο. Στην Lampedusa είναι το φθινόπωρο, τον μήνα Οκτώβριο και στην Λεμεσό τον χειμώνα, τον Φεβρουάριο. Στα διαγράμματα 31, 32 και 33 δίνεται το μηνιαίο ποσοστό. Διάγραμμα 31 Διάγραμμα 32 Διάγραμμα 33 5.7 Στατιστικά στοιχεία των μετρήσεων Οι πίνακες 4, 5 και 6 δίνουν στατιστικά στοιχεία που αφορούν το AOT(550nm), Fine Mode Ratio(550nm) τον Angstrom Ocean(550/865nm) CRETE Number of values 178 AOT(550nm) FINE MODE RATIO (550nm) ANGSTROM OCEAN (550/865nm) Minimum 0.1 0.038 0.000007 Maximum 1 0.481 0.5 Mean 0.320 0.285 0.319 Standard Deviation 0.185 0.09 0.117 51

Πίνακας 4 Στατιστικά στοιχεία μετρήσεων για την Κρήτη LIMASSOL Number of values 140 AOT(550nm) FINE MODE RATIO (550nm) ANGSTROM OCEAN (550/865nm) Minimum 0.104 0.032 0.038 Maximum 0.981 0.468 0.499 Mean 0.358 0.324 0.336 Standard Deviation 0.181 0.091 0.123 Πίνακας 5 Στατιστικά στοιχεία μετρήσεων για την Λεμεσό LAMPEDUSA Number of values 349 AOT(550nm) FINE MODE RATIO (550nm) ANGSTROM OCEAN (550/865nm) Minimum 0.1 0.092 0.031 Maximum 0.974 0.491 0.498 Mean 0.376 0.342 0.315 Standard Deviation 0.208 0.083 0.114 Πίνακας 6 Στατιστικά στοιχεία μετρήσεων για την Lampedusa 5.8 Eφαρμογή κριτηρίων στις υπόλοιπες πόλεις Η ίδια διαδικασία εφαρμόστηκε και για τις 16 πόλεις περιμετρικά της Μεσογείου. Ο πίνακας 7 δείχνει τις πόλεις για τις οποίες δεν υπήρχαν αρχικές μετρήσεις για τον συντελεστή Αngstrom Οcean (550/865nm) από τον MODIS. Έγινε προσπάθεια επεξεργασίας δεδομένων με τον συντελεστή Angstrom Land (470/660nm) αλλά και πάλι οι αρχικές μετρήσεις ήταν περιορισμένες και τα αποτελέσματα δεν έδειξαν επεισόδια από σκόνη Σαχάρας. ΧΩΡΑ ΠΟΛΕΙΣ ΑΙΓΥΠΤΟΣ ΠΟΡΤΟΓΑΛΙΑ ΙΤΑΛΙΑ ΙΣΠΑΝΙΑ CAIRO EVORA ISPRA PALENCIA 52

Πίνακας 7 Πόλεις χωρίς μετρήσεις για τον συντελεστή Angstrom Ocean(550/865nm). Για την περιοχή Sede Boker δεν υπήρχαν περιπτώσεις από τα δεδομένα του MODIS, στην Palencia και στην Evora τα επεισόδια που μελετήθηκαν δεν ήταν από σκόνη Σαχάρας και τέλος, στο Cairo και στην Ispra υπήρχαν μόνο 3 περιπτώσεις που δίνονται στις εικόνες 25, 26 και 27. Εικόνα 25 Εικόνα 26 Εικόνα 27 53

Για τις εννέα πόλεις που φαίνονται στον πίνακα 8, έγινε μελέτη των ανάδρομων τροχιών σε 3 ύψη, 500, 1500 και 3000 m στις 12 UTC χρησιμοποιώντας το μοντέλο HYSPLIT. ΧΩΡΑ ΕΛΛΑΔΑ ΤΟΥΡΚΙΑ ΙΣΡΑΗΛ ΑΛΓΕΡΙΑ ΙΣΠΑΝΙΑ ΓΑΛΛΙΑ ΙΤΑΛΙΑ Πίνακας 8 ΠΟΛΕΙΣ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ ERDEMLI NES ZIONA BLIDA EL ARENOSSILO AVIGON TOULOUSE LECCE UNIVERSITY VENICE Για όλες τι πόλεις του Πίνακα 8 έγιναν ιστογράμματα σχετικής συχνότητας για AOT(550nm), διαγράμματα 34 εως 41,για Fine Mode Ratio(550nm), διαγράμματα 42 εως 49 και για Angstrom Ocean(550/865nm), διαγράμματα 50 έως 57. 5.8.1 Ιστογράμματα Διάγραμμα 34 Διάγραμμα 35 Διάγραμμα 36 54

Διάγραμμα 37 Διάγραμμα 38 Διάγραμμα 39 Διάγραμμα 40 Διάγραμμα 41 Διάγραμμα 42 Διάγραμμα 43 Διάγραμμα 44 Διάγραμμα 45 55

Διάγραμμα 46 Διάγραμμα 47 Διάγραμμα 48 Διάγραμμα 49 Διάγραμμα 50 Διάγραμμα 51 Διάγραμμα 52 Διάγραμμα 53 Διάγραμμα 54 56

Διάγραμμα 55 Διάγραμμα 56 Διάγραμμα 57 5.8.2 Εποχιακά διαγράμματα Στα διαγράμματα 58 έως 65 φαίνεται το ποσοστό για τις εποχές. Διάγραμμα 58 Διάγραμμα 59 Διάγραμμα 60 Διάγραμμα 61 Διάγραμμα 62 Διάγραμμα 63 Διάγραμμα 64 Διάγραμμα 65 57

Τα αποτελέσματα από τα εποχιακά διαγράμματα για όλες τις πόλεις δίνουν μεγαλύτερη συχνότητα εμφάνισης επεισοδίων σκόνης το φθινόπωρο και τον χειμώνα, τους μήνες Οκτώβριο και Νοέμβριο. Δεν δίνουν μεγάλη συχνότητα εμφάνισης κατά την περίοδο της Άνοιξης όπως ήταν αναμενόμενο. Ο αισθητήρας MODIS εμφανίζει κάποια σφάλματα στις μετρήσεις για ερημικά αερολύματα σε παράκτιες περιοχές που πιθανότατα οφείλονται σε προβλήματα στους αλγόριθμους που χρησιμοποιούνται πάνω από στεριά και θάλασσα (Chu et al (2003)). Επίσης, ο MODIS υπερεκτιμά τον fine mode ratio για αιωρούμενα σωματίδια (Kleidman et al., 2005) και οι μετρήσεις δεν είναι αξιόπιστες σε χαρακτηριστικά αιωρούμενων σωματιδίων όταν το AOD<0.1 λόγω επιπτώσεων από λάθη βαθμονόμησης και λάθη παραδοχών σχετικά με την ανακλαστικότητα της επιφάνειας (Kleidman et al., 2005) 58

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ο ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΩΝ ΚΑΙ ΕΠΙΓΕΙΩΝ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ 6.1 Γραμμική παλινδρόμηση Στην πλειονότητα των εφαρμογών που ασχολούμαστε, αυτό που μας ενδιαφέρει να μελετήσουμε είναι, εκτός από τις μεταβολές κατά μήκος μιας ακολουθίας, είναι και το πώς εμφανίζονται αυτές μέσα στην ακολουθία, δηλαδή μας ενδιαφέρει η γενικότερη τάση των δεδομένων αυτών. Η τάση αυτή μας δηλώνει αν η ακολουθία παρουσιάζει κάποια συγκεκριμένη κλίση, αλλά και τους λόγους που την οδηγούν σε αυτή. Οι στατιστικές δοκιμασίες και παραδοχές που χρησιμοποιούμε για να πραγματοποιήσουμε την παραπάνω ανάλυση ονομάζονται αναλύσεις παλινδρόμησης (regression analysis). Έτσι με τις μεθόδους παλινδρόμησης μπορούμε να επεξεργαστούμε δεδομένα διατεταγμένα σε σειρά στο χρόνο και στο χώρο, αλλά και να αναλύσουμε σύνολα διμεταβλητών (bivariate) δεδομένων, όταν αποφασίζουμε να θεωρήσουμε την μια μεταβλητή σαν συνάρτηση της άλλης. Η μεταβλητή που εξετάζουμε είναι η εξαρτημένη (dependent) ή παλινδρομούμενη (regressed) και συμβολίζεται με Υι. Η άλλη μεταβλητή είναι η ανεξάρτητη (independent) ή παλινδρομούσα (regressor) και συμβολίζεται με Χι. Στόχος της ανάλυσης παλινδρόμησης είναι να βρεθεί ένα μοντέλο, δηλαδή μια μαθηματική σχέση η οποία να εκφράζει αυτή την εξάρτηση της μεταβλητής Υ από τη μεταβλητή Χ, ελαχιστοποιώντας κατά το μέγιστο δυνατό τα σφάλματα. Όταν λοιπόν υπάρχουν θεωρητικοί λόγοι να πιστεύουμε ότι η σχέση μεταξύ των μεταβλητών είναι γραμμική, ο στόχος είναι να κατασκευάσουμε μια ευθεία γύρω από την οποία η διακύμανση να είναι ελάχιστη. Αν οι τιμές αυτής της γραμμής αφαιρεθούν από τις αντίστοιχες παρατηρήσεις, οι αριθμοί που θα προκύψουν θα έχουν μέση τιμή ίση με μηδέν και διακύμανση μικρότερη από το σύνολο των αποκλίσεων που θα μπορούσαν να υπολογιστούν από την οποιαδήποτε άλλη γραμμή που θα μπορούσε να σχεδιαστεί με βάση τα δεδομένα. Στην περίπτωση αυτή η μέθοδος ονομάζεται γραμμική παλινδρόμηση (linear regression analysis), η προσαρμοσμένη γραμμή, ευθεία παλινδρόμησης (regression line) και η εξίσωσή της εξίσωση παλινδρόμησης (regression equation). Η εξίσωση αυτής της ευθείας θα είναι της μορφής : Y=b*X+α Η κλίση b αναφέρεται σαν συντελεστής παλινδρόμησης ή b συντελεστής και το a σαν τεταγμένη (intercept). Καθώς ο στόχος είναι η ελαχιστοποίηση των τετραγωνικών αποκλίσεων από τη γραμμή, η διαδικασία εκτίμησης της ευθείας παλινδρόμησης, αναφέρεται και ως μέθοδος ελαχίστων τετραγώνων (least square estimation). Στην περίπτωση που οι ανεξάρτητες μεταβλητές είναι περισσότερες από μια, η ευθεία παλινδρόμησης παρόλο που δεν μπορεί να αναπαρασταθεί στο δισδιάστατο χώρο, μπορεί να υπολογιστεί και θα είναι της μορφής : Y=a+b1*X1+b2*X2+ bp*xp Οι συντελεστές b αντιπροσωπεύουν τη συμβολή κάθε μιας από τις ανεξάρτητες μεταβλητές, στην πρόβλεψη που αφορά στην εξαρτημένη μεταβλητή Y. Το είδος της συσχέτισης κάθε μιας από τις ανεξάρτητες μεταβλητές με την εξαρτημένη μεταβλητή, αναφέρεται σαν μερική συσχέτιση (partial correlation). Η απόκλιση κάθε σημείου από την ευθεία παλινδρόμησης ονομάζεται τιμή υπολοίπου (residual value) ή σφάλμα. Ο συντελεστής προσδιορισμού (R Square) ορίζεται σαν : 59

R Square=1- ratio of residual variability Παριστάνει το ποσοστό της συνολικής μεταβλητότητας που οφείλεται στο συνολικό σφάλμα. Όταν ο λόγο της πολυπλοκότητας των τιμών των υπολοίπων γύρω από την ευθεία παλινδρόμησης σε σχέση με τη συνολική πολυπλοκότητα είναι μικρή, οι προβλέψεις που παίρνουμε από την εξίσωση παλινδρόμησης είναι καλές, ενώ αν για παράδειγμα οι δύο μεταβλητές Χ, Υ δεν έχουν καμία σχέση μεταξύ τους, τότε αυτό το πηλίκο ισούται με τη μονάδα, οπότε έχουμε ότι R Square=0. Αντίθετα αν οι δύο μεταβλητές είναι απόλυτα συσχετισμένες, τότε το παραπάνω πηλίκο ισούται με το μηδέν, γιατί η διακύμανση των τιμών των υπολοίπων ισούται με το μηδέν. Άρα σε αυτή την περίπτωση R Square=1. Επειδή ο συντελεστής προσδιορισμού στην πράξη δείχνει πόση από τη συνολική διασπορά ερμηνεύει η εξίσωση παλινδρόμησης, αποτελεί ένα δείκτη του πόσο καλά το μοντέλο προσαρμόζεται στα δεδομένα. Για την διαδικασία της συσχέτισης των μετρήσεων από τον αισθητήρα MODIS με επίγειες μετρήσεις από το δίκτυο AERONET της NASA χρησιμοποιήθηκε η ιστοσελίδα http://aeronet.gsfc.nasa.gov/ όπου παρέχονται όλες οι μετρήσεις. Υπάρχει η δυνατότητα επιλογής του ποιοτικού επιπέδου των δεδομένων, όπου στη συγκεκριμένη περίπτωση ήταν το επίπεδο 2, καλυμμένα από σύννεφα και εγγυημένα ποιοτικά (cloud-screened and quality assured) εκτός από τις πόλεις Avignon, Toulouse και Cairo όπου το επίπεδο που επιλέχτηκε ήταν το 1.5, καλυμμένα από σύννεφα (cloud-screened) καθώς για το επίπεδο 2 δεν υπήρχαν δεδομένα. Για την Κύπρο, σταθμός (CUT_TERAK) δεν υπήρχαν μετρήσεις. Οι μετρήσεις που χρησιμοποιήθηκαν ήταν μετρήσεις κοινών ημερών του αισθητήρα MODIS και του επίγειου δικτύου AERONET της NASA, που πληρούσαν τα αρχικά κριτήρια, AOT<1, 0<Fine mode ratio<1 και 0<angstrom coefficient <1. Οι μετρήσεις από το AERONET αφορούσαν το AOT (500nm), fine mode ratio(500nm) και angstrom coefficient (550-865nm). 6.2 Συσχέτιση μετρήσεων σχετικά με το οπτικό βάθος Για όλες τις πόλεις έγιναν διαγράμματα συσχετίσεων (linear) για AOT, fine mode ratio και angstrom coefficient. Παρακάτω παρουσιάζονται ενδεικτικά 3 διαγράμματα. Διάγραμμα 66 Διάγραμμα 67 60

Διάγραμμα 68 Τα διαγράμματα 66, 67 και 68 δίνουν τη γραφική παράσταση του σμήνους των σημείων (διάγραμμα διασποράς), την προσαρμοσμένη γραμμή, ευθεία παλινδρόμησης, την εξίσωση παλινδρόμησης (regression equation) και τον συντελεστή συσχέτισης (R 2 ). Ο συντελεστής συσχέτισης παίρνει ικανοποιητικές τιμές και θα μπορούσαμε να θεωρήσουμε μια γραμμική εξάρτηση μεταξύ των μεταβλητών AOT 500nm (AERONET)/ AOT 550nm (MODIS). CRETE AOT(AERONET-MODIS) SPRING Equation Y = 0.924X + 0.059 Number of data points used = 441 R-squared = 0.653 SUMMER Equation Y = 0.887X + 0.051 Number of data points used = 597 R-squared = 0.647 AUTUMN Equation Y = 0.850X + 0.0415 Number of data points used = 377 R-squared = 0.603 WINTER Equation Y = 1.019X + 0.015 Number of data points used = 299 R-squared = 0.466 Διάγραμμα 69 61

THESSALONIKI AOT(AERONET-MODIS) SPRING Equation Y = 0.770 X + 0.052 Number of data points used = 97 R-squared = 0.585 SUMMER Equation Y = 0.956 X - 0.006 Number of data points used = 103 R-squared = 0.708 AUTUMN Equation Y = 0.729X + 0.028 Number of data points used = 165 R-squared = 0.558 WINTER Equation Y = 0.550X + 0.0366 Number of data points used = 115 R-squared = 0.349 Διάγραμμα 70 NES ZIONA AOT(AERONET-MODIS) SPRING Equation Y = 0.998X + 0.060 Number of data points used = 356 R-squared = 0.601 SUMMER Equation Y = 0.888X + 0.075 Number of data points used = 514 R-squared = 0.596 AUTUMN Equation Y = 0.804X + 0.062 Number of data points used = 417 R-squared = 0.553 WINTER Equation Y = 0.901X + 0.037 Number of data points used = 347 R-squared = 0.540 Διάγραμμα71 62

Τα διαγράμματα 69,70 και 71 απεικονίζουν με την μέθοδο της παλινδρόμησης, την εξίσωση παλινδρόμησης, των αριθμό των σημείων και τον συντελεστή συσχέτισης (R 2 ) ανάλογα με την εποχή για την Κρήτη, την Θεσσαλονίκη και την Nes Ziona. H ίδια διαδικασία ακολουθήθηκε για όλες τις πόλεις και στους παρακάτω πίνακες δίνονται τα στατιστικά στοιχεία. AVIGNON AOT(AERONET-MODIS) SPRING Equation Y = 0.240X +0.161 Number of data points used = 416 R-squared = 0.042 SUMMER Equation Y = 0.406X + 0.128 Number of data points used = 567 R-squared = 0.098 AUTUMN Equation Y = 0.304X + 0.092 Number of data points used = 429 R-squared = 0.080 WINTER Equation Y = 0.186X + 0.080 Number of data points used = 320 R-squared = 0.064 LECCE UNIVERSITY AOT(AERONET-MODIS) SPRING Equation Y = 0.827X + 0.034 Number of data points used = 347 R-squared = 0.497 SUMMER Equation Y = 0.876X + 0.0003 Number of data points used = 533 R-squared = 0.577 AUTUMN Equation Y = 0.566X + 0.067 Number of data points used = 338 R-squared = 0.481 WINTER Equation Y = 0.341X + 0.086 Number of data points used = 212 R-squared = 0.102 TOULOUSE AOT(AERONET-MODIS) SPRING Equation Y = 0.518X + 0.082 Number of data points used = 31 R-squared = 0.482 ISPRA AOT(AERONET-MODIS) SPRING Equation Y = 0.512X + 0.099 Number of data points used = 387 R-squared = 0.443254 SUMMER Equation Y = 0.513X + 0.128 Number of data points used = 434 R-squared = 0.36827 AUTUMN Equation Y = 0.505X + 0.075 Number of data points used = 417 R-squared = 0.454 WINTER Equation Y = 0.425X + 0.063 Number of data points used = 390 63

R-squared = 0.448 EL ARENOSILLO AOT(AERONET-MODIS) SPRING Equation Y = 0.918X + 0.021 Number of data points used = 70 R-squared = 0.390 SUMMER Equation Y = 0.743X + 0.009 Number of data points used = 89 R-squared = 0.464 AUTUMN Equation Y = 0.889X + 0.011 Number of data points used = 47 R-squared = 0.564 WINTER Equation Y = 0.707X - 0.002 Number of data points used = 85 R-squared = 0.542718 VENISE AOT(AERONET-MODIS) SPRING Equation Y = 0.528 X + 0.166 Number of data points used = 164 R-squared = 0.257 SUMMER Equation Y = 0.496X + 0.172 Number of data points used = 192 R-squared = 0.283 AUTUMN Equation Y = 0.488X + 0.129 Number of data points used = 92 R-squared = 0.407 WINTER Equation Y = 0.611X + 0.076 Number of data points used = 57 R-squared = 0.297 BLIDA AOT(AERONET-MODIS) SPRING Equation Y = 0.704X + 0.041 Number of data points used = 299 R-squared = 0.557 SUMMER Equation Y = 0.766X - 0.008 Number of data points used = 422 R-squared = 0.743981 AUTUMN Equation Y = 0.744X + 0.013 Number of data points used = 322 R-squared = 0.594 WINTER Equation Y = 0.534X + 0.031 Number of data points used = 320 R-squared = 0.315 CAIRO AOT(AERONET-MODIS) SPRING Equation Y = 0.338X + 0.229 Number of data points used = 46 R-squared = 0.169 SUMMER Equation Y = 0.108X + 0.304 Number of data points used = 71 R-squared = 0.023 AUTUMN Equation Y = 0.287X + 0.195 64

Number of data points used = 57 R-squared = 0.210 WINTER Equation Y = 0.210X + 0.142 Number of data points used = 50 R-squared = 0.182 PALENCIA AOT(AERONET-MODIS) SPRING Equation Y = 0.758X + 0.052 Number of data points used = 48 R-squared = 0.300 SUMMER Equation Y = 0.870X + 0.121 Number of data points used = 47 R-squared = 0.235 AUTUMN Equation Y = 1.100X + 0.049 Number of data points used = 48 R-squared = 0.576 WINTER Equation Y = 0.653X + 0.071 Number of data points used = 35 R-squared = 0.299 EVORA AOT(AERONET-MODIS) AUTUMN Equation Y = 0.871X + 0.004 Number of data points used = 35 R-squared = 0.579 WINTER Equation Y = 0.831X + 0.017 Number of data points used = 7 R-squared = 0.476 ERDEMLI AOT(AERONET-MODIS) SPRING Equation Y = 0.880X + 0.087 Number of data points used = 295 R-squared = 0.478624 SUMMER Equation Y = 0.672X + 0.065 Number of data points used = 358 R-squared = 0.455316 AUTUMN Equation Y = 0.745X + 0.069 Number of data points used = 312 R-squared = 0.398 WINTER Equation Y = 0.970X + 0.012 Number of data points used = 230 R-squared = 0.666 Βάση της εξίσωσης παλινδρόμησης, παρατηρούμε πως στις περισσότερες πόλεις τον χειμώνα έχουμε την μικρότερη κλίση ενώ το καλοκαίρι την μεγαλύτερη. Ο δορυφόρος λοιπόν επηρεάζεται από την ζενίθια γωνία τη ήλιου, που γνωρίζουμε από την θεωρία, πως το καλοκαίρι παίρνει χαμηλές τιμές και υψηλές τον χειμώνα. Το όργανο θεωρείτε αξιόπιστο αν και σε πολλές μελέτες φαίνεται να υποεκτιμά τον συντελεστή οπισθοσκέδασης σε σχέση με επίγειες μετρήσεις. 65

6.3 Συσχέτιση μετρήσεων σχετικά με τον συντελεστή Angstrom ocean Για τον συντελεστή Angstrom ocean, τα διαγράμματα με την μέθοδο της παλινδρόμισηης δεν μας δίνουν ικανοποιητικές τιμές του συντελεστή συσχέτισης εκτός από την πόλη Venise όπου έχουμε R 2 =0.414, όμως από πολύ μικρό αριθμό μετρήσεων Points:8. Διάγραμμα 72 Τα διαγράμματα 73 και 74 δίνουν μια ενδεικτική εικόνα των μετρήσεων στις επιλεγμένες πόλεις και τα διαγράμματα 75 και 76 δίνουν την εποχιακή τάση. Διάγραμμα 75 Διάγραμμα 76 66

CRETE ANGSTROM(AERONET-MODIS) SPRING Equation Y = 0.330X + 0.241 Number of data points used = 48 R-squared = 0.151 SUMMER Equation Y = 0.063X + 0.377 Number of data points used = 13 R-squared = 0.008 AUTUMN Equation Y = 0.005X + 0.330 Number of data points used = 32 R-squared = 3.57261E-005 WINTER Equation Y = 0.318X + 0.156 Number of data points used = 63 R-squared = 0.111 Διάγραμμα 77 BLIDA ANGSTROM(AERONET-MODIS) SPRING Equation Y = 0.498X + 0.180 Number of data points used = 25 R-squared = 0.157 SUMMER Equation Y = 0.344X + 0.237 Number of data points used = 57 R-squared = 0.115 AUTUMN Equation Y = 0.067X + 0.280 Number of data points used = 41 R-squared = 0.003 WINTER Equation Y = 0.129X + 0.179 Number of data points used = 30 R-squared = 0.016 Διάγραμμα 78 Όπως προκύπτει από στατιστικά στοιχεία και για τις υπόλοιπες πόλεις, ο συντελεστής συσχέτισης είναι πολύ μικρός, και για τις συγκεκριμένες περιοχές δεν μπορούμε να ισχυριστούμε πως υπάρχει γραμμική εξάρτηση μεταξύ των μεταβλητών angstrom ocean 500-870 nm(aeronet) / angstrom 550-865 nm (MODIS). 67

AVIGNON ANGSTROM(AERONET-MODIS) SPRING Equation Y = -0.512X + 0.563 Number of data points used = 6 R-squared = 0.264674 SUMMER Equation Y = -0.241X + 0.519 Number of data points used = 4 R-squared = 0.164 AUTUMN Equation Y = -0.022 X + 0.306 Number of data points used = 9 R-squared = 0.0002 WINTER Equation Y = -0.071X + 0.266 Number of data points used = 22 R-squared = 0.006 EL ARENOSILLO ANGSTROM(AERONET-MODIS) SPRING Equation Y = 0.259X + 0.249 Number of data points used = 7 R-squared = 0.038 SUMMER Equation Y = 0.475 X + 0.160 Number of data points used = 12 R-squared = 0.058 AUTUMN Equation Y = 0.099X + 0.303 Number of data points used = 9 R-squared = 0.013 WINTER Equation Y = -0.419X + 0.398 Number of data points used = 9 R-squared = 0.199 ERDEMLI ANGSTROM(AERONET-MODIS) SPRING Equation Y = 0.464 X + 0.211 Number of data points used = 39 R-squared = 0.250 AUTUMN Equation Y = 0.227X + 0.346 Number of data points used = 11 R-squared = 0.150 WINTER Equation Y = 0.290X + 0.183 Number of data points used = 12 R-squared = 0.062 LAMPEDUSA ANGSTROM(AERONET-MODIS) SPRING Equation Y = 0.308X + 0.280 Number of data points used = 32 R-squared = 0.075 SUMMER Equation Y = 0.123 X + 0.323 Number of data points used = 29 R-squared = 0.013 AUTUMN Equation Y = 0.381X + 0.212 Number of data points used = 36 R-squared = 0.155 WINTER Equation Y = 0.172X + 0.272 Number of data points used = 42 R-squared = 0.049 68

NES ZIONA ANGSTROM(AERONET-MODIS) SPRING Equation Y = 0.311X + 0.256 Number of data points used = 46 R-squared = 0.150 SUMMER Equation Y = -0.235X + 0.453 Number of data points used = 7 R-squared = 0.048 AUTUMN Equation Y = -0.019X + 0.395 Number of data points used = 15 R-squared = 0.0009 WINTER Equation Y = 0.139X + 0.249 Number of data points used = 41 R-squared = 0.022 6.4 Συσχέτιση μετρήσεων σχετικά με Fine Mode Ratio (FMF) Για τον συντελεστή Angstrom ocean, τα διαγράμματα με την μέθοδο της παλινδρόμησης δεν μας δίνουν ικανοποιητικές τιμές του συντελεστή συσχέτισης (R 2 ). Ενδεικτικά δίνονται παρακάτω κάποια διαγράμματα με την τάση των μετρήσεων γενικά. Για την περίπτωση της Θεσσαλονίκης ο συντελεστής συσχέτισης είναι ο μεγαλύτερος απ όλους (Διάγραμμα 79) όμως οι μετρήσεις είναι λίγες (Points:10) και όπως φαίνεται και από τι εποχιακές τιμές (Διάγραμμα 80) είναι μόνο για την περίοδο του καλοκαιριού. Διάγραμμα 79 Διάγραμμα 80 Ενδεικτικά δίνονται παρακάτω κάποια διαγράμματα με την τάση των μετρήσεων γενικά (Διαγράμματα 81, 82)και κάποια με την εποχιακή τάση ( Διαγράμματα 83, 84). 69

Διάγραμμα 81 Διάγραμμα 82 BLIDA FINE MODE RATIO(AERONET-MODIS) SPRING Equation Y = 0.066X Number of data points used = 64 R-squared = 0.183 SUMMER Equation Y = 0.472X +0.007 Number of data points used = 130 R-squared = 0.130 AUTUMN Equation Y = 0.0677X + 0.057 Number of data points used = 91 R-squared = 0.147 WINTER Equation Y = 0.354X + 0.152 Number of data points used = 80 R-squared = 0.066 Διάγραμμα 83 70

CRETE FINE MODE RATIO(AERONET-MODIS) SPRING Equation Y = 0.343X+0.17 Number of data points used = 120 R-squared = 0.055 SUMMER Equation Y = 0.343X +0.124 Number of data points used = 43 R-squared = 0.063 AUTUMN Equation Y = 0.297X + 0.203 Number of data points used = 77 R-squared = 0.05 WINTER Equation Y = 0.466X + 0.138 Number of data points used = 105 R-squared = 0.16 Διάγραμμα 84 Όπως προκύπτει από στατιστικά στοιχεία και για τις υπόλοιπες πόλεις, ο συντελεστής συσχέτισης είναι πολύ μικρός, και για τις συγκεκριμένες περιοχές δεν μπορούμε να ισχυριστούμε πως υπάρχει γραμμική εξάρτηση μεταξύ των μεταβλητών FMF 500 nm( AERONET) / FMF 550 (MODIS). AVIGNON FINE MODE RATIO(AERONET-MODIS) SPRING Equation Y = 0.174X + 0.226 Number of data points used = 163 R-squared = 0.028 SUMMER Equation Y = -0.381X +0.472 Number of data points used = 6 R-squared = 0.030 AUTUMN Equation Y = -0.087X + 0.381 Number of data points used = 15 R-squared = 0.001 WINTER Equation Y = 0.288 X + 0.112 Number of data points used = 74 R-squared = 0.120 71