ΤΡΥΠΑ ΤΟΥ ΟΖΟΝΤΟΣ

Από RemoteSensing Wiki

Αναθεώρηση της 13:21, 18 Ιουνίου 2009

Τηλεπισκόπηση και “Τρύπα του Όζοντος”

1. Ανάλυση του φαινομένου της “Τρύπας του Όζοντος”

Ένα από τα αέρια που υπάρχουν στην ατμόσφαιρα είναι το όζον (Ο3), το οποίο είναι ζωτικής σημασίας για τη ζωή πάνω στη Γη. Το όζον είναι τοξικό λόγω της μεγάλης χημικής δραστικότητάς του και για το λόγο αυτό μπορεί να απολυμάνει το νερό, να εξαλείψει οσμές, ακόμα και να καταστρέψει τη δομή του ελαστικού. Όμως, η συγκέντρωσή του σε χαμηλό ύψος είναι συνήθως πολλή χαμηλή και έτσι δεν παρατηρούνται αυτά τα αποτελέσματα. Το όζον είναι σημαντικό για την ύπαρξη της ζωής στη Γη, καθώς απορροφά την υπεριώδη ακτινοβολία που εκπέμπει ο ήλιος και η οποία μπορεί να προκαλέσει βλάβες στους ζωντανούς οργανισμούς. Η μείωση του όζοντος έχει ως συνέπεια την αύξηση της ακτινοβολίας UVB που φθάνει στην επιφάνεια της Γης. Η UVB ακτινοβολία μπορεί να προκαλέσει εγκαύματα στο δέρμα και να μεταλλάξει το DNA του ανθρώπου αυξάνοντας με τον τρόπο αυτό τις πιθανότητες δημιουργίας καρκίνου του δέρματος.

Σχήμα 1: Απεικόνιση ατμόσφαιρας. Πηγή: NASA, 2003.

Η μεγαλύτερη ποσότητα όζοντος βρίσκεται σε ύψος περίπου 10-40 km από την επιφάνεια του εδάφους, στην περιοχή της ατμόσφαιρας που ονομάζεται στρατόσφαιρα σχηματίζοντας εκεί τη λεγόμενη στοιβάδα του όζοντος. Η συγκέντρωση της κατακόρυφης κατανομής του στη στρατόσφαιρα παρουσιάζει ένα τοπικό μέγιστο περίπου στα 20-26 km ανάλογα με το γεωγραφικό πλάτος και την εποχή του χρόνου. Σύμφωνα με δορυφορικές μετρήσεις και μετρήσεις τηλεπισκόπησης lidar, υπάρχουν μικρότερες συγκεντρώσεις όζοντος στην περιοχή 40-50 km. Το πάχος του στρώματος του όζοντος είναι μεταβλητό και εξαρτάται από το γεωγραφικό πλάτος, τις μετεωρολογικές συνθήκες και παρουσιάζει εποχιακή διακύμανση. Επίσης, ένα μικρό ποσοστό της τάξης του 10% της συνολικής ποσότητας του όζοντος βρίσκεται στην τροπόσφαιρα. Η τροπόσφαιρα είναι η περιοχή της ατμόσφαιρας που βρίσκεται πλησιέστερα στη Γη σε ύψος μέχρι 10 km από το έδαφος. Σημειώνεται πως στην τροπόσφαιρα βρίσκεται το 90% των αερίων που συνθέτουν την ατμόσφαιρα, το σύνολο των υδρατμών, ενώ αναπτύσσονται σε αυτή όλα τα μετεωρολογικά φαινόμενα.

Το όζον που υπάρχει στην τροπόσφαιρα, παρόλο που απορροφά μέρος της υπεριώδους ακτινοβολίας, δεν είναι επιθυμητό λόγω της τοξικότητάς του. Έτσι, αν η συγκέντρωσή του αυξηθεί σε επίπεδα των 100 ppb και άνω, τότε παρατηρούνται βλάβες στα φυτά, ερεθισμός στα μάτια, καθώς και άλλα συμπτώματα. Στη σημερινή εποχή, τα επίπεδα του όζοντος στην τροπόσφαιρα έχουν αυξηθεί λόγω και της ρύπανσης στις μεγαλουπόλεις.

Το πρόβλημα, όμως, με τη στοιβάδα του όζοντος σχετίζεται πάνω απ΄ όλα με τη μείωση της ποσότητας του όζοντος της στρατόσφαιρας εξαιτίας κυρίως των χλωροφθορανθράκων (CFCs), που παράγει ο άνθρωπος. Η ύπαρξη χλωροφθορανθράκων στην ατμόσφαιρα είναι ιδιαίτερα επικίνδυνη, καθώς παγιδεύουν 200 φορές περισσότερη θερμότητα σε σχέση με το διοξείδιο του άνθρακα, συμβάλλοντας έτσι στην υπερθέρμανση του πλανήτη, και παραμένουν στην ατμόσφαιρα για πάνω από 120 χρόνια, οπότε επηρεάζουν αρνητικά τη διαθεσιμότητα του όζοντος. Η μείωση αυτή έχει ως συνέπεια την αύξηση της ακτινοβολίας UVB που φθάνει στην επιφάνεια της Γης. Η υπεριώδης ακτινοβολία είναι ιδιαίτερα βλαβερή για τη ζωή, όπως έχουμε ήδη αναφέρει. Για το λόγο αυτό, η στοιβάδα του όζοντος είναι απαραίτητη, η οποία λειτουργεί σαν μια ασπίδα της Γης απέναντι στον ήλιο, που βρίσκεται 93 εκατομμύρια μίλια μακριά. Το γεγονός πως η μείωση του στρατοσφαιρικού όζοντος είναι εντονότερη στην Ανταρκτική σχετίζεται με την ασυνήθιστη φυσική και χημεία της στρατόσφαιράς της, η οποία επιτρέπει στις ανενεργές χλωρο-ενώσεις να μετατρέπονται σε καταστροφικές για το όζον ενώσεις. Την Άνοιξη, το χλώριο είναι σε τέτοια μορφή που μπορεί να καταστρέψει το όζον και επειδή δεν υπάρχει πουθενά τόσο χλώριο όσο στην Ανταρκτική, παρατηρείται εκεί μεγαλύτερη μείωση.

Το φαινόμενο, συνηθίζεται, να είναι γνωστό ως “τρύπα του όζοντος”. Στην πραγματικότητα, βέβαια, δεν υπάρχει τρύπα, αλλά εννοείται η μείωση που έχουμε περιγράψει παραπάνω.

Εύκολα κανείς διαπιστώνει πως η μείωση της στοιβάδας του όζοντος αποτελεί ένα από τα σοβαρότερα προβλήματα, οπότε είναι επιβεβλημένη η ανάγκη να παρακολουθείται η εξέλιξη του φαινομένου. Η τηλεπισκόπηση μπορεί να συμβάλλει αποτελεσματικά προς αυτήν την κατεύθυνση.

Στην ακόλουθη εικόνα παρουσιάζεται η κατανομή του τροποσφαιρικού όζοντος σε μονάδες Dobson για την περίοδο Ιουνίου, Ιουλίου και Αυγούστου για τα έτη 1997-2000, όπως υπολογίστηκε από δορυφορικές παρατηρήσεις:

Σχήμα 2: Κατανομή τροποσφαιρικού όζοντος σε μονάδες Dobson για την περίοδο Ιουνίου, Ιουλίου και Αυγούστου για τα έτη 1997-2000. Πηγή: Fishman, 2002, NASA.

Στην εικόνα αυτή παρατηρούμε ότι έχουμε υψηλότερα επίπεδα τροποσφαιρικού όζοντος στο Βόρειο Ημισφαίριο και αυτό οφείλεται κυρίως στη φωτοχημική ρύπανση. Σημειώνεται πως έχει διαπιστωθεί σημαντική αύξηση του τροποσφαιρικού όζοντος σε παγκόσμιο επίπεδο, δεδομένου πως ο χρόνος ζωής του όζοντος στην τροπόσφαιρα κυμαίνεται από μερικές ημέρες μέχρι μερικές εβδομάδες και έτσι μπορεί εύκολα να μεταφερθεί από ήπειρο σε ήπειρο.

1.1 Ατμοσφαιρικό Όζον και Υπεριώδης Ακτινοβολία

Το ατμοσφαιρικό όζον απορροφά έντονα την υπεριώδη ηλιακή ακτινοβολία στη φασματική περιοχή από 200 ως 310 nm περίπου. Πιο συγκεκριμένα, το όζον απορροφά εντονότατα την Γ-υπεριώδη UVC (180-280 nm) και την Β-υπεριώδη UVB (280-320 nm) ηλιακή ακτινοβολία. Η λιγότερο βλαβερή Α-υπεριώδης ακτινοβολία UVA (320-400 nm) απορροφάται λιγότερο έντονα από το όζον και έτσι φθάνει στην επιφάνεια της Γης. Οπότε, το όζον παίζει πολύ σημαντικό ρόλο στη διατήρηση της έμβιας ζωής, διότι απορροφά – υπό κανονικές συνθήκες- αποτελεσματικά την επικίνδυνη υπεριώδη ακτινοβολία.

Επιπλέον, το όζον έχει την ιδιότητα να απορροφά και στη φασματική περιοχή των 9,1-9,6 μm, που είναι η περιοχή εκπομπής της γήινης ακτινοβολίας. Επομένως, και το όζον διαδραματίζει σημαντικό ρόλο στη διατήρηση της θερμικής ισορροπίας της Γης, στα πλαίσια του φαινομένου του θερμοκηπίου. Επίσης, το όζον συμβάλλει στη φωτοχημεία της τροπόσφαιρας, καθώς είναι η βασική πηγή ΟΗ- τα οποία καθορίζουν τη διάρκεια ζωής πολλών ρύπων στην ατμόσφαιρα.

Άρα, υπάρχει μεγάλο ενδιαφέρον για την παρακολούθηση της διαταραχής της κατακόρυφης κατανομής του όζοντος στην στρατόσφαιρα και τροπόσφαιρα, διότι υπάρχουν σημαντικές συνέπειες στη βιόσφαιρα και ατμόσφαιρα και κατ΄ επέκταση στην παγκόσμια κλιματική αλλαγή και στη φωτοχημεία της ατμόσφαιρας.

1.2 Μονάδες μέτρησης του όζοντος

Αν συμπιέζαμε μόνο το όζον, που βρίσκεται σε μια στήλη αέρα κάτω στο έδαφος σε κανονικές συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας, τότε το στρώμα αυτό θα είχε πάχος μόλις 3-5 mm. Το ολικό όζον μετράται με τη μονάδα Dobson Unit. Μία μονάδα Dobson Unit (D.U.) είναι ο αριθμός των μορίων του όζοντος που απαιτούνται για τη δημιουργία στρώματος όζοντος πάχους 0,01 mm σε πίεση 1 atm και θερμοκρασία 0 οC. Έτσι, ένα πάχος ολικού όζοντος 5 mm αντιστοιχεί σε 500 D.U.

Υπό κανονικές συνθήκες, ο αέρας περιέχει όζον που κυμαίνεται στα 300 Dobson και αυτό είναι ισοδύναμο με πάχος 3 mm του στρώματος όζοντος. Όταν το επίπεδο της στοιβάδας του όζοντος σε μια περιοχή είναι κάτω των 220 Dobson, τότε μιλάμε για την ύπαρξη “τρύπας του όζοντος”.

2. Τηλεπισκόπηση και “Τρύπα του Όζοντος”

Η σοβαρότητα των επιπτώσεων που μπορεί να έχει το φαινόμενο της “τρύπας του όζοντος”, έχει οδηγήσει τους επιστήμονες στην εξεύρεση τρόπων ελέγχου και παρατήρησής του. Επιστήμονες έχουν αναπτύξει αλγορίθμους για να αποδίδουν επαρκώς την κατανομή της ποσότητας του όζοντος της στρατόσφαιρας και της τροπόσφαιρας συνολικά στη Γη. Απαραίτητα δεδομένα αποτελούν μετρήσεις της υπεριώδους ακτινοβολίας και κρίνεται αναγκαία η συμβολή της τηλεπισκόπησης.

2.1 Τι είναι η Τηλεπισκόπηση

Τηλεπισκόπηση είναι η επιστήμη και τεχνική, που ασχολείται με τις αρχές, τις μεθόδους και τα όργανα με τα οποία επιτυγχάνεται από μακριά η συλλογή, επεξεργασία και η ανάλυση πλήθους ποιοτικών και ποσοτικών πληροφοριών για τη Γη, τους ωκεανούς, την ατμόσφαιρα, το περιβάλλον γενικότερα, αλλά και για οποιοδήποτε αντικείμενο, φαινόμενο, γεγονός και συμβάν, ή και για οποιαδήποτε διαδικασία μεταβολής τους. (Ρόκος, “Φωτοερμηνεία – Τηλεπισκόπηση", Ε.Μ.Π., Αθήνα 1988)

Η παρατήρηση και μελέτη φαινομένων και χαρακτηριστικών της γήινης επιφάνειας από απόσταση βασίζεται στην αλληλεπίδραση των υλικών που βρίσκονται πάνω στη Γη με την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Στη διεθνή βιβλιογραφία, ο όρος τηλεπισκόπηση συναντάται με τον όρο Remote Sensing. Η έννοια της τηλεπισκόπησης περιλαμβάνει ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών. Η τηλεπισκόπηση είναι δυνατόν να αξιοποιηθεί στο κτηματολόγιο που υλοποιείται με πληροφορίες λαμβανόμενες από αεροφωτογραφίες και δορυφορικές εικόνες, στην καθημερινή πρόγνωση του καιρού με χρήση δεδομένων από μετεωρολογικούς δορυφόρους, αλλά και στα μεγάλα πλανητικά προβλήματα, όπως είναι η καταστροφή του όζοντος, η λειψυδρία, το φαινόμενο του θερμοκηπίου, η απόρριψη ρυπαντών σε υδάτινους αποδέκτες κ.ά..

Ακολούθως, παρουσιάζεται εικόνα από τον Ινδικό Ωκεανό μέσω του δορυφόρου TOMS. Το χρώμα στην εικόνα αναπαριστά την κατανομή του όζοντος.

Σχήμα 3: Κατανομή του όζοντος στην περιοχή του Ινδικού Ωκεανού.. Πηγή:NASA.

Η παρατήρηση της επιφάνειας της Γης επιτυγχάνεται με τη χρήση ψηφιακών σαρωτών – τηλεπισκοπικών ανιχνευτών – που ανιχνεύουν την αντανάκλαση της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας της γήινης επιφάνειας και την αποδίδουν ως ψηφιακή εικόνα. Οι σαρωτές είτε είναι εγκατεστημένοι σε τεχνητούς δορυφόρους που κινούνται σε τροχιά γύρω από τη Γη είτε είναι τοποθετημένοι σε αερομεταφερόμενα μέσα.

2.1.1 Αρχή Λειτουργίας Τηλεπισκοπικών Ανιχνευτών

Κατά την παρατήρηση της γήινης επιφάνειας, οι τηλεπισκοπικοί δέκτες ανιχνεύουν, καταγράφουν και μετρούν το ποσοστό της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας που αντανακλάται από τα διάφορα υλικά. Κάθε υλικό – αντικείμενο – επιφάνεια αντανακλά την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία σε διαφορετικά μήκη κύματος και αυτό είναι που τα ξεχωρίζει. Η χλωροφύλλη, παραδείγματος χάρη, έχει την ιδιότητα να αντανακλά σε μεγάλο βαθμό την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία στο πράσινο τμήμα του ορατού ηλεκτρομαγνητικού φάσματος και να την απορροφά στο μπλε και κόκκινο τμήμα του. Κατ΄ επέκταση μπορούμε χάρη στην ιδιότητα αυτή να αντιλαμβανόμαστε σε μια ψηφιακή εικόνα τα φυτά και κατά πόσο η βλάστηση είναι υγιής. Με παρόμοιο τρόπο μπορούν να μελετηθούν, να εντοπιστούν και να απεικονιστούν όλα τα υλικά αξιοποιώντας την αντανακλαστική τους συμπεριφορά. Επιπλέον, η πληρότητα των πληροφοριών που λαμβάνουμε από έναν τηλεπισκοπικό δέκτη μπορεί να εμπλουτιστεί από στοιχεία για την ικανότητα μετάδοσης και την ικανότητα απορρόφησης της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας από ένα σώμα.

2.2 Συστήματα Παρακολούθησης της Στοιβάδας του Όζοντος

Η μέτρηση του όζοντος στην ατμόσφαιρα –τροπόσφαιρα και στρατόσφαιρα- πραγματοποιείται με διάφορα επίγεια και αερομεταφερόμενα όργανα. Γενικά, υπάρχουν δύο κατηγορίες τεχνικών μέτρησης, οι άμεσες (επιτόπιες) και οι τεχνικές τηλεπισκόπησης. Οι τεχνικές αυτές είναι αποτελεσματικές στην παρακολούθηση του ατμοσφαιρικού όζοντος και ειδικότερα για το στρατοσφαιρικό όζον.

Οι τεχνικές τηλεπισκόπησης καταγράφουν την εξ αποστάσεως συγκέντρωση του όζοντος και στηρίζονται κυρίως στην υπεριώδη διαφορική απορρόφηση. Σε αυτήν την περίπτωση, σαν πηγή υπεριώδους φωτός χρησιμοποιείται ο ήλιος (παθητική τηλεπισκόπηση), είτε έχουμε μια τεχνητή πηγή (ενεργητική τηλεπισκόπηση) υπεριώδους ακτινοβολίας (λυχνία Xe για το σύστημα DOAS ή σύστημα laser για τα συστήματα lidar).

Οι δορυφορικές μετρήσεις στηρίζονται στην παθητική τηλεπισκόπηση και τα συστήματα αυτά μετρούν την απορρόφηση από το ατμοσφαιρικό όζον της υπεριώδους, αλλά και της υπέρυθρης ακτινοβολίας σε διάφορα μήκη κύματος. Έτσι, έχουμε το δορυφόρο TOMS και τα συστήματα DOBSON.

Η τεχνική lidar αξιοποιείται για την καταγραφή της κατακόρυφης κατανομής του όζοντος στην ατμόσφαιρα με μεγάλη χρονική –από μερικά λεπτά ως μερικές ώρες- και χωρική –από μερικά μέτρα ως μερικές δεκάδες μέτρα- ακρίβεια. Το πλεονέκτημα της τεχνικής lidar είναι πως μπορεί να λειτουργεί συνεχώς ως και μερικές μέρες και έτσι δίνεται η δυνατότητα να παρακολουθούνται με μεγάλη ακρίβεια σημαντικά ατμοσφαιρικά φαινόμενα, όπως είναι οι διανταλλαγές όζοντος μεταξύ στρατόσφαιρας και τροπόσφαιρας. Η τεχνική αυτή εφαρμόζεται και στην Ελλάδα από το 1999 για τη μέτρηση του τροποσφαιρικού όζοντος.

2.3 Συμβολή της Παθητικής Τηλεπισκόπησης στην Παρακολούθηση της Στοιβάδας του Όζοντος

Οι ποσότητες του στρατοσφαιρικού όζοντος μετρώνται τακτικά από τα μέσα του 1950. Αρχικά, οι μετρήσεις γίνονταν με τη βοήθεια οργάνων εγκατεστημένων στη Γη, ενώ από το 1979 άρχισε να αξιοποιείται η τηλεπισκόπηση με τη συμβολή των δορυφόρων. Έτσι, εξηγείται το γεγονός πως η NASA έχει καταγεγραμμένες τιμές για το όζον από εκείνη την εποχή μέσω δορυφόρων εξοπλισμένων με τηλεπισκοπικούς δέκτες. Επίσης, έχουν συλλεχθεί δεδομένα για τη συγκέντρωση του όζοντος στην ατμόσφαιρα της Γης από τον δορυφόρο TIROS της ΝΟΑΑ (National Oceanic and Atmospheric Administration).

2.3.1 Τηλεπισκοπικός δέκτης TOMS

Αρχικά, ο τηλεπισκοπικός δέκτης TOMS (Total Ozone Mapping Spectrometer) είχε τοποθετηθεί στον δορυφόρο Nimbus -7. Από την 1/11/78 μέχρι 6/5/93, ο δορυφόρος αυτός ήταν η μόνη πηγή για λήψη πληροφοριών μεγάλης πληρότητας για το όζον σε παγκόσμιο επίπεδο. Επίσης, ο δορυφόρος Meteor-3 , που ήταν ρωσικής προέλευσης, διέθετε τον δέκτη TOMS, αν και σταμάτησε να λειτουργεί στις 27/12/94. Μέχρι και τις 12/9/96 δεν υπήρχαν δεδομένα, ώσπου λειτούργησαν οι δορυφόροι ADEOS TOMS και Earth Probe TOMS.

Σχήμα 4: Κατανομή ολικής συγκέντρωσης όζοντος σύμφωνα με δορυφόρο Nimbus-7/TOMS. Πηγή:NASA, 1979.

Ο τηλεπισκοπικός δέκτης TOMS αναλύει το ποσό της υπεριώδους ακτινοβολίας που αντανακλάται πίσω στο δορυφόρο. Με βάση αυτά τα δεδομένα, είναι δυνατό να υπολογιστεί η ολική ποσότητα όζοντος σε διαφορετικά ύψη και περιοχές. Επειδή η διεργασία αυτή εξαρτάται από τη σκέδαση της ηλιακής ακτινοβολίας, ο TOMS δε λειτουργεί τη νύχτα.

Ο δορυφόρος ADEOS (Advanced Earth Observation Satellite) εκτοξεύθηκε στις 17 Αυγούστου του 1996 και ήταν ιαπωνικής προέλευσης. Αργότερα, μετονομάστηκε σε MIDORI και διεξήγαγε μελέτες για τη ξηρά, τη θάλασσα και την ατμόσφαιρα. Ο δορυφόρος αυτός, δυστυχώς, έπεσε στις 12 Σεπτεμβρίου το 1996 πριν προλάβει να μεταδώσει κάποιες πολύ αξιόλογες εικόνες. Ακολούθως, παρουσιάζεται μια από τις λίγες εικόνες που λάβαμε από τον δορυφόρο ADEOS TOMS:

Σχήμα 5: : Κατανομή ολικής συγκέντρωσης όζοντος σύμφωνα με δορυφόρο ADEOS TOMS το Σεπτέμβριο του 1996. Πηγή:NASA, 1996.

Παρατηρούμε στην εικόνα αυτή πως η “τρύπα του όζοντος” είναι εμφανής στην περιοχή της Ανταρκτικής. Οι περιοχές με χρώματα γκρι ως μωβ, όπως φαίνεται στην παλέτα, αναδεικνύουν την ύπαρξη του προβλήματος. Υπενθυμίζουμε πως η “τρύπα του όζοντος” προκύπτει για τιμές μικρότερες των 220 Dobson.

Ευτυχώς, αμέσως μετά, το 1996, εκτοξεύθηκε ο δορυφόρος Earth Probe (TOMS), και έτσι εξασφαλίστηκε η συνέχεια στα δεδομένα που σχετίζονται με τη στοιβάδα του όζοντος.

Σχήμα 6: : Κατανομή ολικής συγκέντρωσης όζοντος σύμφωνα με δορυφόρο ADEOS TOMS το Σεπτέμβριο του 1996. Πηγή:NASA, 1996.