Μεταβολές αιωρούμενων σωματιδίων σε τοπική και παγκόσμια κλίμακα
Από RemoteSensing Wiki
Αμοιρίδη Β. Π. (2005).
Μεταβολές αιωρούμενων σωματιδίων σε τοπική και παγκόσμια κλίμακα.
Διδακτορική Διατριβή Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης Τμήμα Φυσικής Εργαστήριο Φυσικής της Ατμόσφαιρας
Αντικείμενο της Διατριβής
Το αντικείμενο της διατριβής αυτής είναι η μελέτη των οπτικών ιδιοτήτων των αιωρούμενων σωματιδίων με την χρήση μεθόδων τηλεπισκόπησης lidar (light detection and ranging). Η διατριβή επικεντρώνεται στην μελέτη των ιδιοτήτων των αιωρούμενων σωματιδίων στην περιοχή της Θεσσαλονίκης. Τα αποτελέσματα των μελετών μας συσχετίζονται με αντίστοιχες μετρήσεις που έχουν γίνει από Ευρωπαϊκά και Παγκόσμια Δίκτυα με στόχο τον καθορισμό και την αξιολόγηση της σωματιδιακής ρύπανσης στην περιοχή.
Στόχος της διατριβής
Τα αιωρούμενα σωματίδια είναι από τις πιο σημαντικές παραμέτρους στην Ατμοσφαιρική Φυσική, αλλά υπάρχουν μεγάλα ερωτηματικά στην επιστημονική κοινότητα σχετικά με τις ιδιότητές τους και την επίδραση που προκαλούν στο κλίμα. Μεγάλα κενά υπάρχουν κυρίως για την κατακόρυφη κατανομή των αιωρούμενων σωματιδίων. Οι επίγειες μετρήσεις μας δίνουν πληροφορίες για τις φυσικές και οπτικές ιδιότητες των αιωρούμενων σωματιδίων που αφορούν την ατμοσφαιρική στήλη, αλλά δεν μπορούν να εκτιμήσουν την μεταβολή τους με το ύψος. Η πληροφορία αυτή είναι ουσιώδης όσον αφορά την επίδραση των αιωρημάτων στο ισοζύγιο της ακτινοβολίας. Οι μετρήσεις lidar μας δίνουν την πλήρη πληροφορία για την κατακόρυφη κατανομή των οπτικών ιδιοτήτων των αιωρούμενων σωματιδίων με μεγάλη χωρική και χρονική ανάλυση. Με τις μεθόδους lidar είναι δυνατόν να υπολογιστούν οι οπτικές ιδιότητες των αιωρούμενων σωματιδίων ξεχωριστά στο οριακό στρώμα όπου τα αιωρήματα εκπέμπονται κατά κύριο λόγο από τοπικές πηγές και στην ελεύθερη τροπόσφαιρα όπου συχνά έχουμε μεταφορά μέσης και μεγάλης κλίμακας. Οι μετρήσεις lidar των οπτικών ιδιοτήτων των αιωρούμενων σωματιδίων, με την μεγάλη χωρική και χρονική ανάλυση δίνουν λεπτομερείς πληροφορίες για την παρουσία, την έκταση και την ανάπτυξη των κατακόρυφων δομών και στρωματώσεων.
Είδη δορυφορικών ή αερομεταφερόμενων συστημάτων
• Lidar οπισθοσκέδασης
• Raman lidar
Τα τελευταία χρόνια έχουν αναπτυχθεί διάφορες τεχνικές lidar για την τηλεπισκόπηση ατμοσφαιρικών παραμέτρων, οι οποίες βασίζονται σε διαφορετικές αλληλεπιδράσεις της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας και των διάφορων συστατικών της υπό μελέτη ατμόσφαιρας. Έτσι υπάρχουν διατάξεις lidar που βασίζονται στη σκέδαση της ακτινοβολίας laser από τα ατμοσφαιρικά μόρια (σκέδαση Rayleigh), στη σκέδαση από τα αερολύματα (σκέδαση Mie), στη σκέδαση Raman, στη σκέδαση συντονισμού, στο φθορισμό, στην απορρόφηση, καθώς και στη διαφορική σκέδαση / απορρόφηση από τα μόρια και τα αιωρούμενα σωματίδια της ατμόσφαιρας.
Ψηφιακές επεξεργασίες
Πραγματοποιήθηκαν συστηματικές μετρήσεις lidar στην Θεσσαλονίκη για την περίοδο Ιανουάριος 2001 – Δεκέμβριος 2004. Οι μετρήσεις πραγματοποιούνταν κάθε Δευτέρα μεσημέρι και βράδυ και κάθε Πέμπτη βράδυ, σύμφωνα με το πρόγραμμα μετρήσεων που θεσπίστηκε στα πλαίσια του EARLINET. Μετά την λήξη του EARLINET, μετρήσεις με το ίδιο χρονικό πρόγραμμα συνεχίζονται να πραγματοποιούνται στο ΕΦΑ. Στην χρονική περίοδο 2001-2004 έγιναν 236 μετρήσεις lidar που αφορούσαν είτε συστηματικές παρατηρήσεις, είτε μετρήσεις σε περιπτώσεις ειδικών επεισοδίων σωματιδιακής ρύπανσης (πχ σκόνη από την Σαχάρα, καύση βιομάζας).
Για την στατιστική ανάλυση χρησιμοποιήθηκαν 88 κατακόρυφες κατανομές των συντελεστών εξασθένισης, οπισθοσκέδασης και λόγου lidar. Οι μέσες οπτικές ιδιότητες υπολογίστηκαν τόσο για το οριακό στρώμα όσο και για την ελεύθερη τροπόσφαιρα. Για τα τέσσερα χρόνια των μετρήσεων βρέθηκε ότι το μέσο οπτικό βάθος στα ήταν 355nm. ίσο με0.63±0.27, ενώ το μέσο οπτικό βάθος για το ατμοσφαιρικό οριακό στρώμα (ΑΟΣ) βρέθηκε ίσο με0.44±0.18. Τα αιωρούμενα σωματίδια της ελεύθερης τροπόσφαιρας βρέθηκε ότι συνεισφέρουν στο μέσο οπτικό βάθος 30% κατά μέσο όρο. Η τροποσφαιρική συνεισφορά κυμαινόταν από 5% (καθαρή ελεύθερη τροπόσφαιρα) μέχρι 55% (κυρίως επεισόδια ρύπανσης σωματιδιακής σκόνης από την Σαχάρα). Για τις ημέρες που εξετάστηκαν, οι εκτιμήσεις του οπτικού βάθους με την καθ’ ύψος ο-λοκλήρωση του συντελεστή εξασθένισης βρέθηκαν να συμφωνούν με τις μετρήσεις του οπτικού βάθους στα με την χρήση του φασματοφωτομέτρου Brewer του ΕΦΑ. Ο μέσος λόγος lidar για την περίοδο των μετρήσεών μας βρέθηκε ίσος με 40sr, ενώ η τυπική απόκλιση ήταν 21sr.
Σημαντικά αποτελέσματα
Αποτελέσματα της στατιστικής επεξεργασίας των μετρήσεων Raman lidar
Τα οπτικά βάθη που υπολογίστηκαν με την μέθοδο lidar για την ατμοσφαιρική στήλη, ήταν σε καλή συμφωνία με τα οπτικά βάθη των αντίστοιχων ημερών που υπολογίστηκαν με το φασματοφωτόμετρο Brewer του ΕΦΑ.
• Στην χρονοσειρά των οπτικών βαθών βρέθηκε μία εποχική διακύμανση με μέγιστα που παρουσιάστηκαν, κυρίως, κατά τους πρώτους ανοιξιάτικους μήνες και το καλοκαίρι. Η εποχικότητα αυτή αποδόθηκε στον αυξημένο σωματιδιακό φόρτο που παρατηρείται στην ελεύθερη τροπόσφαιρα τις συγκεκριμένες χρονικές περιόδους λόγω μεταφοράς σκόνης από την Σαχάρα.
• Η χρονοσειρά για τους μέσους λόγους lidar έδειξε μία ασθενέστερη εποχική διακύμανση με μέγιστες τιμές της τάξης των 42sr να παρατηρούνται το καλοκαίρι.
• Στα μέσα προφίλ των συντελεστών εξασθένισης και οπισθοσκέδασης όπως και του λόγου lidar για τα 4 χρόνια των μετρήσεων, παρατηρήθηκε μία μέση στρωμάτωση στα 6000m, η οποία αποδίδεται στην μεταφορά σκόνης από την Σαχάρα.
• Η στατιστική ανάλυση των δεδομένων σε σχέση με την προέλευση των αερίων μαζών στην ελεύθερη τροπόσφαιρα κατέδειξε ότι:
1. Τα μεγαλύτερα οπτικά βάθη στην Θεσσαλονίκη (0.7) παρουσιάζονται όταν έχουμε ΒΑ ρεύμα. Ο μέσος λόγος lidar για την περί-πτωση αυτή είναι ίσος με 47sr. Οι μετρήσεις αποδόθηκαν στα μεγάλα επίπεδα ρύπανσης που έχουν καταμετρηθεί στα Βαλκάνια και την Ανατολική Ευρώπη.
2. Για τις ημέρες που παρατηρήθηκε μεταφορά σωματιδίων από τα Δυτικά το μέσο οπτικό βάθος βρέθηκε ίσο με 0.5 και ο μέσος λόγος lidar ίσος με 28sr. Οι τιμές αυτές καταδεικνύουν καθαρές αέριες μάζες που προέρχονται από μεγάλα τροποσφαιρικά ύψη όπου δεν έχουμε ιδιαίτερη σωματιδιακή ρύπανση. Η καταβατική κίνηση των αερίων μαζών δικαιολογεί το γεγονός ότι οι αέριες μάζες δεν επηρεάζονται από την ρύπανση της Κεντρικής Ευρώπης.
3. Οι μέγιστες τιμές οπτικού βάθους (0.9) και λόγου lidar 60sr παρουσιάστηκαν όταν υπήρχε μεταφορά αερίων μαζών από την έρημο της Σαχάρα, ή σωματιδιακή ρύπανση από τοπικές πηγές.
Η μεταβλητότητα του λόγου lidar με την εποχή του έτους και τις πηγές προέ-λευσης της σωματιδιακής ρύπανσης στην Θεσσαλονίκη κατέδειξε την αναγκαιότητα για περισσότερες μετρήσεις αυτής της οπτικής ιδιότητας των αιωρούμενων σωματιδίων. Η κλιματολογία για τον λόγο lidar είναι απαραίτητη για εφαρμογές όπως τα lidar οπισθοσκέδασης εδάφους αλλά και δορυφόρων
