ΜΕΤΡΗΣΗ ΤΟΥ ΔΙΟΞΕΙΔΙΟΥ ΤΟΥ ΘΕΙΟΥ (SO2) ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ, ΤΟ ΟΠΟΙΟ ΠΡΟΕΡΧΕΤΑΙ ΑΠΟ ΗΦΑΙΣΤΕΙΑΚΕΣ ΕΚΡΗΞΕΙΣ ΚΑΙ ΑΝΘΡΩΠΟΓΕΝΕΙΣ ΕΚΠΟΜΠΕΣ

Από RemoteSensing Wiki

ΠΡΩΤΟΤΥΠΟΣ ΤΙΤΛΟΣ: SATELLITE REMOTE SENSING OF ATMOSPHERIC SO2: VOLCANIC ERUPTIONS AND ANTHROPOGENIC EMISSIONS

ΣΥΓΓΡΑΦΕΙΣ: Muhammad Fahim Khokhar, C. Frankenberg, J. Hollwedel, S. Beirle, S. Kühl, M. Grzegorski, W. Wilms-Grabe, U. Platt and Thomas Wagner

ΠΗΓΗ: http://joseba.mpch-mainz.mpg.de/pdf_dateien/Salzburg_so2.pdf

ΣΤΟΧΟΣ

Το Διοξείδιο του Θείου (SO2) αποτελεί μια σημαντική παράμετρο ατμοσφαιρικής ρύπανσης. Απελευθερώνεται στην τροπόσφαιρα ως αποτέλεσμα φυσικών και ανθρωπογενών διεργασιών. Οι εκπομπές του διοξειδίου του θείου μπορούν να ευθύνονται για τις εναποθέσεις οξέων στην επιφανεία της γης, καθώς και για την εμφάνιση αιθαλομίχλης το χειμώνα. Επιπλέον, η οξείδωση του SO2 στην τροπόσφαιρα μπορεί να συμβάλει στη μείωση της όρασης. Οι κύριες ανθρωπογενείς πηγές διοξειδίου του θείου είναι η κατανάλωση ορυκτών καυσίμων, η καύση άνθρακα και η τήξη των θειούχων μετάλλων. Επίσης, τα ηφαίστεια είναι μια σημαντική φυσική πηγή παραγωγής διαφόρων ατμοσφαιρικών αερίων. Οι ηφαιστειακές εκρήξεις και οι εκπομπές τους είναι σποραδικές και ασυνεχείς και συχνά συμβαίνουν σε ακατοίκητες περιοχές. Ως εκ τούτου, η εκτίμηση της συγκέντρωσης και του όγκου των εκπεμπόμενων από τα ηφαίστεια αερίων είναι δύσκολη. Οι δορυφορικές τηλεπισκοπικές μετρήσεις βοηθούν για να ξεπεραστεί αυτή η δυσκολία. Σε αυτή τη μελέτη θα γίνει μια σύντομη επισκόπηση του οργάνου Παγκόσμιας παρακολούθησης Όζοντος (Global Ozone Monitoring Experiment, (GOME)), χρησιμοποιώντας μετρήσεις για το SO2 κατά την περίοδο 1996-2002, από διάφορες ηφαιστειακές εκρήξεις σε όλο τον κόσμο, καθώς και διάφορες ανθρωπογενής προέλευσης εκπομπές του SO2.

ΕΙΔΗ ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΩΝ ΚΑΙ ΑΕΡΟΜΕΤΑΦΕΡΟΜΕΝΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ, ΔΕΚΤΩΝ ΚΑΙ ΚΑΝΑΛΙΩΝ

Το GOME είναι ένα φασματοφωτόμετρο σάρωσης της ορατής και της υπεριώδους ακτινοβολίας σε φασματική περιοχή 240-790 nm. Ξεκίνησε την λειτουργία του τον Απρίλιο του 1995 έχοντας μια σχεδόν πολική τροχιά συγχρονισμένη προς τον ήλιο και σε μέσο υψόμετρο 790 χιλιομέτρων, ενώ επιτυγχάνει παγκόσμια κάλυψη σε 3 ημέρες. Για τις μετρήσεις που παρουσιάζονται στην εργασία, το μέγεθος του κάθε ιχνοστοιχείου είναι 40 (κατά μήκος της τροχιάς) * 320 (εγκάρσια της τροχιάς) km2. Ένα βασικό χαρακτηριστικό του εγραλείου GOME είναι η ικανότητά του να ανιχνεύει διάφορα ενεργά χημικά ατμοσφαιρικά ίχνη αερίων, όπως τα SO2, NO2, BrO, OClO και CH2O κλπ.

ΨΗΦΙΑΚΕΣ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΕΣ

Από την αναλογία της γήινης εκπεμπόμενης ακτινοβολίας ως προς την ηλιακή, μπορούν να προκύψουν με την εφαρμογή της τεχνικής της διαφορικής φασματοσκοπίας απορρόφησης στο ορατό μήκος κύματος (differential optical absorption spectroscopy, DOAS) οι κλίσεις πυκνοτήτων των στηλών (slant column densities, SCDs) των αντίστοιχων απορροφητών. Δείγματα δομών απορρόφησης του SO2 στην UV φασματική περιοχή, σε εύρος μήκους κύματος μεταξύ 312,5 και 327,6 nm (GOME, 2b κανάλι) χρησιμοποιούνται για την ανάκτηση. Σε αυτή την φασματική περιοχή, οι ισχυροί οζοντικοί δεσμοί Huggins επικαλύπτουν την αδύναμη απορρόφηση του SO2. Έτσι, είναι απαραίτητη η ακριβής γνώση της λειτουργίας του οργάνου, το οποίο επεξεργάζεται την περιέλιξη του εισερχόμενου ιδιαίτερα αναλυμένου σήματος. Μικρές αβεβαιότητες στη φασματική δομή ισχυρών απορροφητών μπορούν να οδηγήσουν σε υπολείμματα που να είναι μεγαλύτερα από την ίδια την ασθενή απορρόφηση του SO2. Η χρήση των Στενών γραμμών Fraunhofer (Narrow Fraunhofer lines) είναι κατάλληλη για να αντλήσει πληροφορίες σχετικά με την λειτουργία του οργάνου. Σύμφωνα την εργασία του Van Roozendael et al., με την εφαρμογή μιας μη γραμμικής σχέσης ελαχίστων τετραγώνων προκύπτει η βέλτιστη κλίση της συνάρτησης, με την τοποθέτηση ηλιακού φάσματος υψηλής ανάλυσης στην μέτρηση της ηλιακής ακτινοβολίας της GOME. Στην εργασία, η κλίση της συνάρτησης βρέθηκε να είναι μια μη συμμετρική γραμμή Voigt. Το πλάτος και η ασυμμετρία της συνάρτησης εξαρτώνται έντονα από το μήκος κύματος. Χρησιμοποιήσαμε την ασυμμετρία και την κλίση της συνάρτησης για να συνδιάσουμε το υψηλής ανάλυσης φάσμα του SO2, με δύο φάσματα όζοντος σε διαφορετικές θερμοκρασίες και ένα φάσμα Ring, δημιουργώντας έτσι ένα βέλτιστο σετ φασμάτων αναφοράς κατά την ανάλυση του οργάνου. Η ανάκτηση των SCDs του SO2 στην περιοχή του UV φάσματος εξαρτάται επίσης έντονα από την φασματική παρεμβολή που οφείλεται στις δομές που επηρεάζονται από την πλάκα διάχυσης, η οποία χρησιμοποιείται για τις μετρήσεις ηλιακής ακτινοβολίας. Οι δομές αυτές ποικίλλουν ανάλογα με τη θέση του ήλιου, παρουσιάζοντας έτσι μια εποχιακή εξάρτηση.

Εικόνα 1: Μηνιαίες μέσες τιμές των SCDs του SO2 για τον Απρίλιο του 1996. Η περιοχή που υποδεικνύεται από την κόκκινη γραμμή επιλέχθηκε για τον υπολογισμό των τιμών μετατόπισης σε κάθε γεωγραφικό πλάτος.

Εκτός από αυτό το εποχικό πρότυπο των SCDs του SO2, βρέθηκε μια εξάρτηση που συσχετιζόταν με το γεωγραφικό πλάτος, η οποία κατά πάσα πιθανότητα προκλήθηκε από την ανάμειξη με ισχυρή απορρόφηση O3, ειδικά για τις μεγαλύτερες ηλιακές γωνίες ζενίθ (larger solar zenith angles, SZA). Για τον υπολογισμό των τιμών μετατόπισης εξαιτίας γεωγραφικού πλάτους, θα κανονικοποιήσουμε τις στήλες που έχουμε ανακτήσει με τη μέθοδο του τομέα αναφοράς (reference sector method ,RSM ). Αυτή η μέθοδος χρησιμοποιεί ένα υποθετικό τομέα χωρίς αναφορά για το SO2 σε μια απομακρυσμένη περιοχή (Κόκκινη γραμμή στην Εικόνα 1), προκειμένου να υπολογίσει τις τιμές μετατόπισης των στηλών του SO2 σε κάθε γεωγραφικό πλάτος. Εν συντομία, η μέθοδος αυτή εφαρμόζει μια διόρθωση για κάθε γεωγραφικό πλάτος, έτσι ώστε το RSM να έχει τιμή μηδέν για το SCD μετά τη διόρθωση.

Εικόνα 2: Μηνιαίες μέσες τιμές των SCDs του SO2 (μετά τη διόρθωση από το RSM) για το μήνα Απρίλιο του 1996. Οι περιφέρειες που βελτιώθηκαν σημαντικά, ειδικά πάνω από την Ευρώπη, τις ΗΠΑ και τη Ρωσία φαίνονται καθαρά.

ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ

ΗΦΑΙΣΤΙΑΚΕΣ ΕΚΡΗΞΕΙΣ Οι ηφαιστειακές εκρήξεις εκλύουν αέρια και σωματίδια στην ατμόσφαιρα, με αποτέλεσμα το σχηματισμό αερολυμάτων στην στρατόσφαιρα και στην τροπόσφαιρα, τα οποία συμβάλλουν στην αλλαγή της έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας. Ακόμα, εξαιρετικά βίαιες ηφαιστειακές εκδηλώσεις, όπως αυτή του Pinatubo το 1991, επηρεάζουν το κλίμα σε χρονικές κλίμακες από μήνες έως χρόνια. Παρακάτω, παρουσιάζονται αποτελέσματα της GOME για τα SCDs του SO2 σε διάφορα ηφαιστειακά γεγονότα κατά το χρονικό διάστημα από το έτος 1996 έως το 2002.

Εικόνα 3: Μηνιαίες μέσες τιμές των SCDs του SO2. (Α) Δεκ. 1996, (Β) Οκτ. 1998, (Γ) Αύγουστος 2000 και (Δ) Οκτ 2002 για διαφορετικά ηφαίστεια, όπως φαίνονται στους χάρτες.

ΑΝΘΡΩΠΟΓΕΝΕΙΣ ΔΡΑΣΤΗΡΙΟΤΗΤΕΣ Η βιομηχανική επανάσταση αύξησε τις συγκεντρώσεις των αερίων του θερμοκηπίου, των αερολυμάτων και των αερίων αεροζόλ. Όλα αυτά μπορούν να αλλάξουν το κλίμα σε παγκόσμια κλίμακα. Οι ανθρωπογενείς εκλείσεις του SO2 είναι πιο δύσκολο να γίνουν αντιληπτές σε σύγκριση με τις ηφαιστειακές, επειδή βρίσκονται σε χαμηλά υψόμετρα, όπου η ικανότητα παρακολούθησης του οργάνου είναι μειωμένη. Στην εικόνα 4 παρουσιάζονται παραδείγματα ανθρωπογενών εκπομπών του SO2, ειδικότερα πάνω από την Κίνα, τις Ανατολικές ΗΠΑ, την Αραβική Χερσόνησο, την Ανατολική Ευρώπη, τη Νότια Αφρική και τη Ρωσία. Σε όλες τις περιπτώσεις, η καύση του άνθρακα και η τήξη μεταλλευμάτων είναι ίσως η πηγή των παρατηρούμενων SCD του SO2. Επίσης, οι εκπομπές τυ SO2 από την καύση βιομάζας στην κεντρική Αφρική, τη Νοτιοανατολική Ασία και την περιοχή του Αμαζονίου μπορούν να προσδιοριστούν με σαφήνεια. Η ικανότητα του GOME να εντοπίζει τις ανθρωπογενείς εκπομπές του SO2 ακόμη και σε υψηλότερο γεωγραφικό πλάτος, ιδιαίτερα πάνω από το Norilsk της Ρωσίας, το ξεχωρίζει από τα άλλα συμβατικά εργαλεία των άλλων διαστημικών σκαφών.

Εικόνα 4: Συγκεντρώσεις των SCD του SO2 για την επταετία 1996- 2002, που οφείλονται σε διάφορες ηφαιστειακές και ανθροπωπογενείς δραστηριότητες.

Εικόνα 5: Γραφική παράσταση των SCD του SO2 συναρτήσει του χρόνου για την επταετία 1996- 2002. Τα διαφορετικά χρώματα αντιστοιχούν στα αντίστοιχα έτη.

ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ

Η δορυφορική τηλεπισκόπηση είναι ένα ισχυρό εργαλείο για την παρακολούθηση των εκπομπών του SO2 από ανθρωπογενείς πηγές και ηφαιστειακές εκρήξεις. Το όργανο GOME επί του σκάφους ERS-2 μας έδωσε παρατηρήσεις για το ατμοσφαιρικό SO2 για περισσότερα από 7 χρόνια. Οι ηφαιστειακές εκπομπές είναι εξαιρετικά μεταβλητές στο χώρο και το χρόνο. Για τον καλύτερο προσδιορισμό των επιπτώσεων των ηφαιστειακών εκρήξεων στο κλίμα, υπάρχει ανάγκη να περιορισθούν οι εκπομπές του θείου. Το GOME συμβάλλει με την προσθήκη των δεδομένων εισόδου που απαιτούνται για την ακριβή μοντελοποίηση της παγκόσμιας ποσότητας του θείου.