Aerosol typing based on active/passive remote sensing technique
Authors: Μυλωνάκη Μαρία 
Published: February 2023

Τα αιωρούμενα σωματίδια, γνωστά και ως αερολύματα, επηρεάζουν το ατμοσφαιρικό ισοζύγιο ακτινοβολίας της Γης απορροφώντας και σκεδάζοντας την ηλιακή (μικρού μήκους κύματος), αλλά και τη γήινη (θερμική) ακτινοβολία. Για παράδειγμα, τα αερολύματα που έχουν σκεδαστικές ικανότητες περιλαμβάνουν τα θειικά, τα νιτρικά και τα αμμωνιακά άλατα και τα θαλάσσια σωματίδια, ενώ τα αερολύματα τα οποία συνήθως απορροφούν την ηλιακή ακτινοβολία είναι κυρίως ο μαύρος άνθρακας. Επιπροσθέτως, τα αερολύματα επηρεάζουν το σχηματισμό νεφών και τη συμπεριφορά τους, λειτουργώντας ως πυρήνες συμπύκνωσης αυτών και ως πυρήνες πάγου, μέσω των οποίων σχηματίζονται σταγονίδια νεφών και κρύσταλλοι πάγου, επηρεάζοντας με αυτό τον τρόπο την σκεδαστικότητα και απορροφητικότητα των νεφών, και επομένως, με έμμεσο τρόπο το κλίμα. Οι διαδικασίες αλληλεπίδρασης αερολύματος-ακτινοβολίας και αερολύματος-νεφών εξαρτώνται από τα γεωμετρικά χαρακτηρισκά των αερολυμάτων και τις οπτικές, μικροφυσικές και χημικές ιδιότητές τους. Επομένως, η γνώση αυτών των χαρακτηριστηκών και ιδιοτήτων είναι σημαντική για τη μοντελοποίηση των επιπτώσεων των αερολυμάτων στο κλίμα. Λαμβάνοντας, επίσης, υπόψη ότι η περιοχή της Μεσογείου χαρακτηρίζεται από μεγάλη ηλιακή δραστηριότητα και ατμοσφαιρική μεταβλητότητα και, η μεταφορά αερολυμάτων που συνοδεύεται από διαδικασίες ατμοσφαιρικής γήρανσης και ανάμειξης, καθιστούν αυτήν την περιοχή ιδανική για τη μελέτη των επιπτώσεων των διάφορων ειδών αερολυμάτων στο ατμοσφαιρικό ισοζύγιο ακτινοβολίας στην περιοχή.Τα αιωρούμενα σωματίδια εκπέμπονται είτε απευθείας από διάφορες επίγειες πηγές (πρωτογενή αερολύματα), είτε έμμεσα στην ατμόσφαιρα μέσω διαδικασιών μετατροπής αερίου σε σωματίδιο (δευτερογενή αερολύματα). Τα πρωτογενή αερολύματα προέρχονται είτε από φυσικές πηγές (π.χ. έρημοι, θάλασσες, δασικές πυρκαγιές, ηφαίστεια, κλπ.), είτε από ανθρωπογενείς δραστηριότητες (καύση ορυκτών καυσίμων από βιομηχανικές δραστηριότητες, μεταφορές, οικιακή θέρμανση, κλπ.). Έτσι, η κατηγοριοποίηση των αερολυμάτων αναφέρεται στη διαδικασία με την οποία οι στρωματώσεις αερολυμάτων συσχετίζονται με έναν τύπο αερολύματος. Ένας τρόπος κατηγοριοποίησης των αιωρούμενων σωματιδίων αποτελεί η παρακολούθηση της πορείας της αέριας μάζας στο άμεσο παρελθόν της (κάποιες ημέρες) με σκοπό την εξακρίβωση των επίγειων πηγών από τις οποίες προήλθε αρχικά και ακολούθως επηρεάστηκε κατά την πορεία της προς την περιοχη μελέτης. Η διαδικασία αυτή μπορεί να γίνει με χρήση οπισθοτροχιών των αερίων μαζών από ατμοσφαιρικά μοντέλα και με τη χρήση δορυφορικών και επίγειων φωτομετρικών δεδομένων. Η τεχνική light detection and ranging (lidar), έχει προσελκύσει μεγάλο ενδιαφέρον τις τελευταίες δεκαετίες σε ό,τι αφορά την ανίχνευση και τον χαρακτηρισμό των αερολυμάτων. Σε ό,τι αφορά την εφαρμογή της τεχνικής lidar στην παρούσα διδακτορική διατριβή, μελετάται η οπισθοσκεδαζόμενη ακτινοβολία laser από τα ατμοσφαιρικά αερολύματα, επιτυγχάνοντας με αυτόν τον τρόπο την ενεργητική τηλεπισκόπηση της ατμόσφαιρας. Η ένταση της οπισθοσκεδαζόμενης ακτινοβολίας εξαρτάται από το μήκος κύματος της ακτινοβολίας αυτής καθώς και από το μέγεθος, το σχήμα και τη χημική σύσταση των σκεδάζοντων αερολυμάτων. Έτσι, με τη χρήση προηγμένων συστημάτων lidar, όπως η τεχνική Raman πολλαπλών μηκών κύματος και της αποπόλωσης, γίνεται δυνατή η ανάκτηση των εκτατικών (εξαρτώμενες από τη μάζα) και εντατικών (εξαρτώμενες από τον τύπο) οπτικών ιδιοτήτων των αερολυμάτων [συντελεστής οπισθοσκέδασης (βaer), συντελεστής εξασθένησης (αaer), λόγος lidar (LR), εκθέτης Ångström (AE) και συντελεστής αποπόλωσης (δaer)] με υψηλή χωρική (μερικά μέτρα) και χρονική (από δευτερόλεπτα έως λεπτά) ακρίβεια, σε σχεδόν πραγματικό χρόνο.Έχοντας ως αναφορά τις οπτικές ιδιότητες των αερολυμάτων που προκύπτουν από τη χρήση της τεχνικής lidar, έχουν αναπτυχθεί δύο αυτοματοποιημένες μέθοδοι για την ταξινόμηση των στρωματώσεων αερολυμάτων που μετρώνται από συστήματα Raman lidar πολλαπλών μηκών κύματος και αποπόλωσης: (1) ο αλγόριθμος Mahalanobis (MD) και (2) ένα νευρωνικό δίκτυο (NATALI). Αμφότερες τεχνικές, χρησιμοποιούν τις εντατικές οπτικές ιδιότητες αερολυμάτων, που ανακτώνται με την τεχνική lidar, για να ταξινομήσουν τις παρατηρούμενες στρωματώσεις αερολυμάτων. Ωστόσο, διαφορετικά είδη αερολυμάτων μπορεί να σχετίζονται με παρόμοιες τιμές των εντατικών οπτικών ιδιοτήτων τους (π.χ. ανθρωπογενή, καύσης βιομάζας, ηπειρωτικά καθαρά αερολύματα κλπ.), οι μέθοδοι κατηγοριοποίησης αερολυμάτων που βασίζονται σε αυτές υπόκεινται σε ορισμένους περιορισμούς. Οι περιορισμοί αυτοί οδήγησαν στην ανάγκη δημιουργίας ενός βελτιωμένου αλγορίθμου αυτοματοποιημένης κατηγοριοποίησης των στρωματώσεων αιωρούμενων σωματίδιων. Ο αλγόριθμος, που αναπτύχθηκε ονομάζεται SCAN και βασίζεται στο χρόνο που περνά η αέρια μάζα πάνω από μια ήδη χαρακτηρισμένη περιοχή πηγής αερολυμάτων και σε ορισμένα πρόσθετα κριτήρια. Όντας ανεξάρτητος από τις οπτικές ιδιότητες των αερολυμάτων, αυτός ο αλγόριθμος παρέχει το πλεονέκτημα ότι η διαδικασία ταξινόμησης τους είναι λειτουργική ακόμα και σε περιπτώσεις που αφορούν την ταξινόμηση μείξεων διαφόρων τύπων αιωρούμενων σωματιδίων.Στο Πρώτο Μέρος της παρούσας Διδακτορικής Εργασίας, συγκρίνονται τρεις ανεξάρτητες μέθοδοι ταξινόμησης αερολυμάτων, NATALI, MD και SCAN, παρουσιάζοντας τα δυνατά σημεία και τους περιορισμούς τους. Επιπλέον, μελετώνται οι οπτικές [συντελεστής οπισθοσκέδασης (βaer), συντελεστής εξασθένησης (αaer), λόγος lidar (LR), εκθέτης Ångström (AE) και συντελεστής αποπόλωσης (δaer)] και μικροφυσικές ιδιότητες [ενεργός ακτίνα (reff), συντελεστής μεμονωμένης σκέδασης (SSA), συγκέντρωση όγκου (Vc), δείκτης διάθλασης (n+ik)] μειγμάτων αερολυμάτων ελεύθερης τροπόσφαιρας όπως ανακτήθηκαν από μετρήσεις σε διάφορους Ευρωπαϊκούς σταθμούς lidar, συμπεριλαμβανομένης της ανατολικής Μεσογείου. Έτσι, δημιουργήθηκε μια ολοκληρωμένη βάση δεδομένων οπτικών ιδιοτήτων των πιο αντιπροσωπευτικών μειγμάτων αερολυμάτων που παρατηρούνται στην περιοχή της Ευρώπης και στην ευρύτερη περιοχή της ανατολικής Μεσογείου. Ιδιαίτερη έμφαση δόθηκε στη μελέτη στρωματώσεων αερολυμάτων που περιέχουν σωματίδια καύσης βιομάζας και μείξεις αυτών με άλλα είδη αερολυμάτων, όπως είναι τα ηπειρωτικά ρυπασμένα ή τα ερημικά σωματίδια. Αντλώντας πληροφορίες από τη βάση δεδομένων που δημιουργήσαμε για κάθε τύπο αερολυμάτων, υπολογίσθηκε για πρώτη φορά η επίδραση των επικρατέστερων μειγμάτων αερολυμάτων της ελευθερης τροπόσφαιρας στο ατμοσφαιρικό ενεργειακό ισοζύγιο στην περιοχή της ανατολικής Μεσογείου. Ταυτόχρονα, προτάθηκε ένας νέος τρόπος διαχωρισμού των αερολυμάτων που προέρχονται από καύση βιομάζας και ρυπασμένων ηπειρωτικών αερολυμάτων.Εκτός από τη διαταραχή που προκαλούν τα ατμοσφαιρικά αερολύματα στο ατμοσφαιρικό ισοζύγιο ακτινοβολίας, τα εισπνεόμενα αερολύματα θεωρούνται υπεύθυνα και για πολλά προβλήματα υγείας, που αφορούν βραχυπρόθεσμες αναπνευστικές ασθένειες έως και την πρόωρη θνησιμότητα. Ωστόσο, η σοβαρότητα των κινδύνων αυτών εξαρτάται από τις συγκεντρώσεις των εισπνεόμενων PM10 ή PM2.5 (αερολύματα με αεροδυναμική διάμετρο <10 μm ή <2,5 μm, αντίστοιχα) και από την περιοχή στην οποία αυτά εναποτίθενται εντός της αναπνευστικής οδού. Αυτή η περιοχή διαφέρει από άνθρωπο σε άνθρωπο λόγω των διαφορών στη γεωμετρία του αναπνευστικού συστήματος, στον τρόπο αναπνοής του κάθε ατόμου, καθώς και στο μέγεθος και το σχήμα των αερολυμάτων. Επιπλέον, πρόσφατες μελέτες υποδεικνύουν ότι τα PM με διαφορετική χημική σύνθεση συμπεριφέρονται διαφορετικά στο ανθρώπινο σώμα μετά την εισπνοή, ανάλογα με τη διαλυτότητα και την τοξικότητά τους. Πιο συγκεκριμένα, η εισπνοή PM που περιέχουν μέταλλα (όπως Fe, Cr, Cu, Co, Zn, Ni) ή οργανικές ενώσεις (συμπεριλαμβανομένων των κινονών, πολυκυκλικών αρωματικών υδρογονανθράκων (PAH)) μπορεί να προκαλέσει το σχηματισμό ελεύθερων ριζών οξυγόνου (Reactive Oxygen Species-ROS) in-vivo, ο οποίος οδηγεί στο λεγομενο οξειδωτικό στρες, σε φλεγμονές ή ακόμα και σε κυτταρικό θάνατο, προκαλώντας τελικά διάφορες ασθένειες. Με άλλα λόγια, οι βλάβες που προκαλούν τα PM στην ανθρώπινη υγεία δεν προσδιορίζονται εύκολα, λόγω της μεταβλητότητας της χημικής σύνθεσης των εισπνεόμενων PM και της χρονικής διάρκειας της έκθεσης του ανθρώπου σε αυτά.Ωστόσο, δεν υπάρχουν ακόμα επαρκείς πληροφορίες για να εξαχθούν σαφή συμπεράσματα σχετικά με τις επιπτώσεις στην ανθρώπινη υγεία διαφορετικών ειδών αερολυμάτων (θειικά άλατα, νιτρικά άλατα, οργανικός και μαύρος άνθρακας) και, ιδιαίτερα, του καπνού από την καύση βιομάζας, συμπεριλαμβανομένης της ικανότητάς τους να προκαλούν οξειδωτικό στρες στα ανθρωπινα κύτταρα. Ως εκ τούτου, απαιτείται η ανάγκη να πραγματοποιηθεί μια σύγκριση των διαθέσιμων υπολογιστικών μοντέλων εναπόθεσης αερολυμάτων στο ανθρώπινο αναπνευστικό σύστημα με χρήση πραγματικών δεδομένων συγκεντρώσεων και χημικής σύστασης αερολυμάτων, καθώς και ο υπολογισμός του οξειδωτικού δυναμικού τους.Έτσι, το τελευταίο μέρος της παρούσας Διδακτορικής Εργασίας στοχεύει: στην εκτίμηση της οξειδωτικής ικανότητας διαφορετικών τύπων αερολυμάτων και στην παροχή ποσοτικών εκτιμήσεων των επιπτώσεων που ενδέχεται να προκαλούν διαφορετικής προέλευσης αερολύματα στο ανθρώπινο αναπνευστικό σύστημα. Ταυτόχρονα, παρέχεται και η σύγκριση των τριών διαφορετικών μοντέλων δοσιμετρίας αερολυμάτων στο ανθρώπινο αναπνευστικό σύστημα.