Κλιματολογία των αερολυμάτων και μηχανισμοί τροποποίησης των αέριων μαζών στην περιοχή των Βαλκανίων με χρήση της τεχνικής LIDAR.

Από RemoteSensing Wiki

Αναθεώρηση της 19:14, 11 Φεβρουαρίου 2010

Κλιματολογία των αερολυμάτων και μηχανισμοί τροποποίησης των αέριων μαζών στην περιοχή των Βαλκανίων με χρήση της τεχνικής LIDAR.

ΔΕΛΤΙΟ ΤΕΛΙΚΗΣ ΕΚΘΕΣΗΣ ΕΡΓΟΥ ΔΙΑΚΡΑΤΙΚΗΣ Ε&Τ ΣΥΝΕΡΓΑΣΙΑΣ ΕΛΛΗΝΟ – ΡΟΥΜΑΝΙΚΗ Ε+Τ ΣΥΝΕΡΓΑΣΙΑ

Αντικείμενο της εφαρμογής είναι η κατακόρυφη κατανομή των αιωρούμενων σωματιδίων (αερολυμάτων) στην Αθήνα και το Βουκουρέστι. Στόχος της εφαρμογής είναι η δημιουργία μιας κλιματολογικής βάσης δεδομένων για την μελέτη της χωρο – χρονικής μεταβολής της κατακόρυφης κατανομής των αερολυμάτων στην Ελλάδα και τη Ρουμενία με χρήση της επίγειας τηλεπισκόπησης laser (τεχνική lidar).

Περισσότερο από 35 χρόνια η τεχνική της τηλεπισκόπησης laser χρησιμοποιείται για την μελέτη της γήινης ατμόσφαιρας (στρωματώσης, νέφη, βάθος ανάμειξης οριακού στρώματος κλπ. ), την μέτρηση της κατακόρυφης κατανομής της συγκέντρωσης διάφορων αέριων ρυπαντών (πχ O¬3 , NOx, SO¬2, Hg, τουλουένιο, βενζόλιο, κλπ.)καθώς και των οπτικών ιδιοτήτων των αερολυμάτων (οπτικό βάθος, συντελεστής εξασθένησης και οπισθοσκέδασης).

Η τεχνική lidar είναι μια μέθοδος της ενεργούς τηλεπισκόπησης που βασίζεται στην εκπομπή χρονικά στενών (διάρκειας ns ή fs) παλμών laser στην μελετούμενη ατμόσφαιρα. Ανάλογα με τον μελετούμενο αέριο ρύπο, επιλέγονται και τα κατάλληλα μήκη κύματος. Στην περίπτωση της μέτρησης της κατακόρυφης κατανομής των αιωρούμενων σωματιδίων διάφορα μήκη κύματος μπορούν να επιλεγούν από την υπεριώδη έως την υπέρυθρη περιοχή (0.355 με 12 μm). Η οπισθοσκεδαζόμενη ακτινοβολία από την μελετούμενη ατμόσφαιρα συλλέγεται από ένα οπτικό τηλεσκόπιο. Η επιλογή των μηκών κύματος των σημάτων lidar πραγματοποιείται με την βοήθεια στενών φασματικών φίλτρων συμβολης ή με τη βοήθεια ενός φασματόμετρου. Η ανίχνευση των σημάτων lidar πραγματοποιείται με την βοήθεια φωτοπολλαπλασιαστών (PMTs) ή φωτοδιόδων (ΑPDs). Ακολούθως, τα σήματα lidar ψηφιοποιούνται και καταγράφονται στον ηλεκτρονικό υπολογιστή.

Η ικανότητα της τεχνικής lidar να πραγματοποιεί μετρήσεις ατμοσφαιρικών παραμέτρων (σχετική υγρασία, πυκνότητα, ταχύτητα και διεύθυνση ανέμου, θερμοκρασία, κλπ.) και συγκεντρώσεων αέριων ρυπαντών με πολύ μεγάλη χωρική (περίπου 10-15 m) και χρονική ακρίβεια (μερικά δευτερόλεπτα έως μερικές δεκάδες λεπτά της ώρας) προκύπτει από την εκπομπή χρονικά στενών παλμών (διάρκειας ns ή fs) με μεγάλη επαναληπτικότητα (μερικές δεκάδες Hz έως kHz) σε συνδυασμό με γρήγορες τεχνικές ανίχνευσης και ψηφιοποίησης σημάτων (transient recorders). Μετρώντας την καθυστέρηση που προκύπτει μεταξύ του εκπεμπόμενου και του οπισθοσκεδαζόμενου παλμού είμαστε σε θέση να υπολογίσουμε την απόσταση του μελετούμενου ατμοσφαιρικού όγκου και να πετύχουμε την μέτρηση των επιθυμητών ατμοσφαιρικών ρυπαντών ή των παραμέτρων της ατμόσφαιρας.

Το 2000 δημιουργήθηκε το Ευρωπαϊκό Δίκτυο lidar (Πρόγραμμα EARLINET) με χρηματοδότηση της Ευρωπαϊκής Ένωσης και επέτρεψε την πραγματοποίηση των πρώτων μετρήσεων lidar στην Ευρωπαϊκή ήπειρο. Έτσι, στα πλαίσια του προγράμματος αυτού πραγματοποιήθηκαν οι πρώτες συστηματικές μετρήσεις της κατακόρυφης κατανομής των οπτικών παραμέτρων των αερολυμάτων, με βάση τις οποίες δημιουργήθηκε η πρώτη κλιματολογική βάση δεδομένων της κατακόρυφης κατανομής των οπτικών παραμέτρων των αερολυμάτων. Στην περιοχή της Ανατολικής Ευρώπης συστηματικές μετρήσεις lidar πραγματοποιούνται μόνον στην Ελλάδα, την Πολωνία και την Λευκορωσία.

Ενώ η περιοχή των Βαλκανίων θεωρείται σταυροδρόμι της διεθνούς ατμοσφαιρικής ρύπανσης δεν υπάρχουν διαθέσιμα δεδομένα για την κατακόρυφη κατανομή των αερολυμάτων σε πολλές χώρες των Βαλκανίων όπως Ρουμανία, Βουλγαρία, Αλβανία, Σερβία, είτε επειδή δεν υπάρχουν διαθέσιμα συστήματα lidar, είτε διότι τα υπάρχοντα συστήματα lidar είναι σχετικά παλαιάς τεχνολογίας και χρειάζονται αναβάθμιση στο hardware και στο λογισμικό ελέγχου του συστήματος και επεξεργασίας των δεδομένων.

Στην Ελλάδα, το Εθνικό Μετσόβειο Πολυτεχνείο (ΕΜΠ) και στην Ρουμανία το National Institute of R&D and for Optoelectronics (INOE) έχουν αναπτύξει τέτοια συστήματα lidar. Και τα δύο συστήματα lidar χρησιμοποιούν ένα Nd:YAG laser και έχουν παρόμοια τεχνικά χαρακτηριστικά αναφορικά με την εκπεμπόμενη δέσμη laser, τα οπτικά τηλεσκόπια λήψης, την χωρο-χρονική ακρίβεια και την εμβέλεια μέτρησης.

Στο ΕΜΠ στην Αθήνα (Τομέας Φυσικής, Εργαστήριο Εφαρμογών Lasers στο Περιβάλλον), το έτος 1999 αναπτύχθηκε η πρώτη διάταξη lidar ικανή να μετρά την κατακόρυφη κατανομή των αερολυμάτων στα 532 και 355 nm. Στο τέλος 2000 το σύστημα lidar του ΕΜΠ αναβαθμίσθηκε με την προσθήκη ενός καναλιού στα 387 nm και έκτοτε είναι ικανό μετρά ταυτόχρονα την κατακόρυφη κατανομή του συντελεστή οπισθοσκέδασης και εξασθένησης των αερολυμάτων στα 355 και 532 nm, χρησιμοποιώντας τεχνικές αντιστροφής σήματος Klett-Raman. Το σύστημα lidar του ΕΜΠ βαθμονομήθηκε και πιστοποιήθηκε στα πλαίσια του προγράμματος EARLINET, τόσο σε επίπεδο hardware, όσο και σε επίπεδο λογισμικού.

Εικόνα 1: Το σύστημα lidar του ΕΜΠ για την μέτρηση των αερολυμάτων στην ατμόσφαιρα.

Στην Εικόνα 2 παρουσιάζεται μια τυπική ημερήσια μεταβολή της κατακόρυφης κατανομής των αερολυμάτων [συντελεστής οπισθοσκέδασης: (m*sr)-1] στην περιοχή της Αθήνας κατά τη διάρκεια ενός επεισοδίου μεταφοράς σκόνης από την έρημο της Σαχάρα (π.χ. στις 26 Ιανουαρίου 2007). Το σύστημα lidar του ΕΜΠ αναβαθμίσθηκε με την προσθήκη ενός επιπλέον καναλιού Raman (408 nm) για την ταυτόχρονη μέτρηση και της ατμοσφαιρικής υγρασίας στην κατώτερη τροπόσφαιρα. Στη Ρουμανία, η δραστηριότητα στην περιοχή των lidar ξεκίνησε το 1993 όταν αναπτύχθηκε το πρώτο σύστημα lidar με χρήση ενός laser ατμών Cu:Br που κατασκευάσθηκε στο National Institute of R&D for Optoelectronics INOE, για την ανίχνευση των αερολυμάτων στην τροπόσφαιρα (Εικόνα 3). Το σύστημα αυτό χρησιμοποιείτο για την παρακολούθηση της ατμοσφαιρικής ρύπανσης σε μια βιομηχανική περιοχή νότια της πόλης του Βουκουρεστίου. Τελευταία, σχεδιάσθηκε και αναπτύχθηκε ένα μικρότερο και πιο ευέλικτο σύστημα lidar για την μελέτη της δομής της κατώτερης ατμόσφαιρας και για την καταγραφή της κατακόρυφης κατανομής των αερολυμάτων στην ατμόσφαιρα (σύστημα LiSA). Το σύστημα αυτό βασίζεται και πάλι σε ένα laser Nd:YAG που λειτουργεί στα 1064 and 532 nm και παρέχει χωρική ακρίβεια μετρήσεων 6 m, ενώ το εύρος μετρήσεων φθάνει τα 10 km. Το σύστημα αυτό θα αναβαθμισθεί με την προσθήκη 2 καναλιών (πόλωσης και αποπόλωσης) και ενός καναλιού Raman για την μέτρηση του συντελεστή εξασθένησης των αερολυμάτων στα 532 nm.

Εικόνα 2: Τυπική ημερήσια μεταβολή της κατακόρυφης κατανομής των αερολυμάτων στην περιοχή της Αθήνας κατά τη διάρκεια ενός επεισοδίου μεταφοράς σκόνης από την έρημο της Σαχάρα.

Εικόνα 3: Το σύστημα lidar του INOE (Ρουμανία) για την μέτρηση των αερολυμάτων στην ατμόσφαιρα.

Εικόνα 4: Σύστημα GIS με χρήση δεδομένων lidar (αερολύματα).

Στόχος-τελικά αποτελέσματα έργου Στόχος ήταν η παροχή δεδομένων για την κατακόρυφη κατανομή των οπτικών ιδιοτήτων των αερολυμάτων στην περιοχή αυτή, με τα οποία, και σε συνδυασμό με μετεωρολογικά δεδομένα, ακολούθως μελετήθηκε η διασυνοριακή αερομεταφερόμενη ρύπανση, οι μηχανισμοί μεταφοράς ρύπων και εντοπίσθηκαν οι βασικές πηγές αερολυμάτων που επιδρούν στην ποιότητα της ατμόσφαιρας στην περιοχή των Βαλκανίων.

Για την επίτευξη των παραπάνω στόχων ακολουθήθηκαν οι παρακάτω φάσεις:

Φάση 1: Έλεγχος αξιοπιστίας λογισμικού ανάλυσης και επεξεργασίας σημάτων lidar. O έλεγχος της αξιοπιστίας του λογισμικού ανάλυσης και επεξεργασίας σημάτων lidar , βασίζεται σε ένα λογισμικό προσομοίωσης των μετρήσεων lidar με χρήση συνθετικών δεδομένων (synthetic data). Η προσομοίωση αυτή βασίζεται στη διάδοση ακτινοβολίας laser σε μια ατμόσφαιρα μοντέλο, στην οποία έχουν προστεθεί και τα αιωρούμενα σωματίδια. Η διάδοση της ακτινοβολίας λαμβάνει υπόψη της την σκέδαση και την απορρόφηση από τα μόρια και τα αιωρούμενα σωματίδια της ατμόσφαιρας. Με τον τρόπο αυτόν είναι εφικτή η παραγωγή προσομοιωμένων σημάτων lidar σε διάφορα μήκη κύματος (355 nm, 532 nm και 1064 nm) τα οποία προσεγγίζουν σε πολύ μεγάλο βαθμό τα πραγματικά σήματα.

Φάση 2: Πραγματοποίηση συστηματικών μετρήσεων lidar για τα αιωρούμενα Σωματίδια - Πραγματοποίηση ειδικών μετρήσεων lidar, Δημιουργία μιας στατιστικής βάσης δεδομένων για την κατακόρυφη κατανομή των οπτικών ιδιοτήτων των αερολυμάτων στα Βαλκάνια, Δημιουργία μιας κλιματολογικής βάσης δεδομένων για την μεταφορά σκόνης από την έρημο Σαχάρα. Εφαρμόσθηκε ένα συστηματικό πρόγραμμα μετρήσεων lidar για την παρακολούθηση των οπτικών ιδιοτήτων των αερολυμάτων στην τροπόσφαιρα, στην Αθήνα και το Βουκουρέστι σε απλές ημέρες αλλά και σε ημέρες που παρουσιαζόταν ειδικό φαινόμενο (δασικές πυρκαγιές, ηφαιστειακές εκρήξεις, μεταφορά σκόνης από την έρημο Σαχάρα, κλπ.). Οι συστηματικές και ειδικές μετρήσεις lidar, πραγματοποιούνταν τουλάχιστον μία ή δύο φορές την εβδομάδα (Δευτέρα στις 13:00 UT και 19:00 UT και Πέμπτη στις 19:00 UT), για μια χρονική περίοδο τουλάχιστον 2 ωρών και από τις δύο ερευνητικές ομάδες.

Τέλος, δημιουργήθηκε μια στατιστική βάση δεδομένων για την κατακόρυφη κατανομή των οπτικών ιδιοτήτων των αερολυμάτων στην Αθήνα και στο Βουκουρέστι, κάτι που θα αποτελεί και μια τυπική βάση δεδομένων για όλη την περιοχή των Βαλκανίων. Επίσης δημιουργήθηκε μια κλιματολογική βάση δεδομένων μετρήσεων lidar στην περιοχή του Λεκανοπεδίου της Αθήνας και στην πόλη του Βουκουρεστίου, αναφορικά με τα επεισόδια μεταφοράς σκόνης από την έρημο Σαχάρα. Παράλληλα, αναλύθηκαν και όλες οι αεροτροχιές των αερίων μαζών που κατέληγαν στο Λεκανοπέδιο Αθηνών και στην πόλη του Βουκουρεστίου και είχαν προέλευση την έρημο Σαχάρα. Η κλιματολογική βάση δεδομένων αυτή προέκυψε ακριβώς από εκείνες τις μετρήσεις των οπτικών ιδιοτήτων των αερολυμάτων, για τα οποίες οι αεροτροχιές των αερίων μαζών που κατέληγαν στο Λεκανοπέδιο Αθηνών και στην πόλη.

ΦΑΣΗ 3: Ανάλυση επιλεγμένων περιπτώσεων διασυνοριακής ρύπανσης – Υπολογισμός αεροτροχιών- Εντοπισμός βασικών πηγών αέριας ρύπανσης – Χρήση δορυφορικών και επίγειων μετρήσεων αερολυμάτων.

Από την ανάλυση των αποτελεσμάτων που πραγματοποιήθηκε προέκυπταν οι αεροτροχιές που δείχνουν την προέλευση των αέριων μαζών που επηρεάζουν σημαντικά τις δύο περιοχές. Εντοπίστηκαν επίσης οι κύριες πηγές αέριων ρύπων και αναλύθηκαν οι επιλεγμένες περιπτώσεις διασυνοριακής ρύπανσης (δασικές πυρκαγιές στην περιοχή της Αθήνας τον Αύγουστο του 2007 και σκόνη με προέλευση τη Σαχάρα)

ΦΑΣΗ 4: Πραγματοποίηση ειδικών συντονισμένων μετρήσεων lidar για τα αιωρούμενα σωματίδια – Χρήση μετεωρολογικών δεδομένων.

Κατά τη διάρκεια της φάσης αυτής, εφαρμόσθηκε ένα συστηματικό πρόγραμμα συντονισμένων μετρήσεων lidar για τη μελέτη του ρόλου των τοπικών πηγών ρύπανσης στην τροποποίηση των οπτικών ιδιοτήτων των αερίων μαζών κατά τη διέλευσή τους υπεράνω της ευρύτερης περιοχής των Βαλκανίων. Στην Φάση αυτή επεξεργασθήκαμε τα δεδομένα lidar που καταγράψαμε και συσχετίσαμε τις μετρήσεις μας με δορυφορικά δεδομένα, καθώς και προγνώσεις μοντέλων σχετικά με την μετακίνηση των αερίων μαζών.

Φάση 5: Διάχυση των αποτελεσμάτων του έργου

ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑ Οι συγχρονισμένες και οι συστηματικές μετρήσεις των αερολυμάτων καθόλη την διάρκεια του έργου με την βοήθεια της τεχνικής lidar, στην Αθήνα και το Βουκουρέστι, επέτρεψαν, για πρώτη φορά, να μελετηθεί η τροποποίηση των αερίων μαζών (air mass modification) και να προβλεφθούν οι μελλοντικές τάσεις της συγκέντρωσης των αερολυμάτων στην ευρύτερη περιοχή των Βαλκανίων. Επομένως, επετεύχθησαν οι αρχικοί στόχοι του έργου το οποίο ολοκληρώθηκε κανονικά.