Μελέτη επεισοδίων αερολυμάτων στην ευρύτερη περιοχή της λεκάνης της Μεσογείου με τη χρήση σύγχρονων δορυφορικών δεδομένων
Authors: Γκίκας Αντώνιος 
Published: August 2021

Στην παρούσα Διδακτορική Διατριβή, μελετάται το καθεστώς των επεισοδίων αερολυμάτων στην ευρύτερη περιοχή της λεκάνης της Μεσογείου, κατά την περίοδο 2000-2007. Πιο συγκεκριμένα, μελετώνται τα χωρικά και χρονικά χαρακτηριστικά της συχνότητας εμφάνισής τους, της έντασής τους και της διάρκειάς τους, ο ρόλος της ατμοσφαιρικής κυκλοφορίας που ευνοεί την εκδήλωσή τους, καθώς και η διαταραχή του ισοζυγίου της ηλιακής ακτινοβολίας που αυτά προκαλούν. Η ταυτοποίηση των επεισοδίων αερολυμάτων πραγματοποιείται με έναν αντικειμενικό και δυναμικό αλγόριθμο, ο οποίος αναπτύχθηκε στα πλαίσια της Διδακτορικής Διατριβής. Μέσω του αλγορίθμου, ορίζονται τα επίπεδα αποκοπής (threshold levels) και ταξινομούνται τα επεισόδια, με βάση την έντασή τους, σε ισχυρά και ακραία, καθώς και με βάση τον τύπο τους. Σε ό,τι αφορά στο δεύτερο διαχωρισμό, προέκυψαν οι εξής πέντε (5) τύποι επεισοδίων: (i) επεισόδια αερολυμάτων από αστικές/βιομηχανικές δραστηριότητες και καύση βιομάζας (Biomass Urban episodes, BU), (ii) επεισόδια αερολυμάτων ερημικής σκόνης (Desert Dust episodes, DD) (iii) επεισόδια αερολυμάτων θαλάσσιου τύπου (Sea-Salt-like episodes, SS-like), (iv) επεισόδια μίξης αερολυμάτων διαφορετικού τύπου (Mixed episodes, MX) και (v) επεισόδια τα οποία δεν κατατάσσονται σε κάποιον από τους προηγούμενους τύπους (Undetermined episodes, UN). Ως δεδομένα εισαγωγής στον αλγόριθμο χρησιμοποιούνται ημερήσιες δορυφορικές μετρήσεις, σε πλεγματική μορφή χωρικής ανάλυσης 1ox1o γεωγραφικού πλάτους και μήκους, για το οπτικό βάθος αερολυμάτων (Aerosol Optical Depth, AOD), τον εκθετικό παράγοντα Ångström (α) των αερολυμάτων, το δείκτη αερολυμάτων (Aerosol Index, ΑΙ), την αναλογία λεπτόκοκκων αερολυμάτων ως προς το σύνολό τους (Fine Fraction, FF) και τη μέση ενεργό ακτίνα (effective radius, reff). Τα δεδομένα αυτά ελήφθησαν από τους δορυφόρους MODIS (MODerate Resolution Imaging Spectroradiometer)-Terra, EP-TOMS (Earth Probe-Total Ozone Mapping Spectrometer) και ΟΜΙ (Ozone Monitoring Instrument)-Aura.Σε ετήσια βάση, τα ισχυρά επεισόδια εκδηλώνονται περισσότερο συχνά (έως 13.3 επεισόδια/έτος) στη Δ. Μεσόγειο και λιγότερο συχνά στην Α. Μεσόγειο (έως 2 επεισόδια/έτος). Αντίθετα, τα ακραία επεισόδια εκδηλώνονται με μεγαλύτερη συχνότητα στην Κ. Μεσόγειο (4 επεισόδια/έτος), ενώ οι μικρότερες συχνότητες παρατηρούνται στα βόρεια τμήματα της Βαλκανικής Χερσονήσου (0.3 επεισόδια/έτος). Η ένταση των ισχυρών επεισοδίων (εκπεφρασμένη σε τιμές AOD στα 550nm) κυμαίνεται μεταξύ 0.43 και 1.5, ενώ η ένταση των ακραίων επεισοδίων είναι μεγαλύτερη και κυμαίνεται μεταξύ 0.67 και 4.07. Κοινό χαρακτηριστικό, αποτελεί η μείωση της έντασης των επεισοδίων προς τα βορειότερα γεωγραφικά πλάτη, κυρίως εξαιτίας της εξασθένησης του μηχανισμού μεταφοράς ερημικής σκόνης. Το μεγαλύτερο ποσοστό (> 85%) των ισχυρών και ακραίων επεισοδίων διαρκεί μία (1) ημέρα. Κατά τη διάρκεια του έτους, τα επεισόδια εκδηλώνονται με μεγαλύτερη συχνότητα τους καλοκαιρινούς (Δ. Μεσόγειος) και εαρινούς μήνες (Κ. και Α. Μεσόγειος), ενώ το αντίστροφο ισχύει για το χειμώνα (επίδραση της βροχόπτωσης). Η συχνότητα εμφάνισης των επεισοδίων, κατά την περίοδο 2000-2007, εμφανίζει πτωτικές τάσεις (έως 100%), ενώ δεν παρατηρούνται σημαντικές τάσεις μεταβολής της έντασής τους.Το μεγαλύτερο ποσοστό των ισχυρών και κυρίως των ακραίων επεισοδίων στην περιοχή απαρτίζεται από επεισόδια ερημικής σκόνης (έως 71.5%), ενώ τα μικρότερα ποσοστά καταγράφονται για τα BU επεισόδια (έως 1.5%). Η περισσότερο συχνή εμφάνιση των επεισοδίων παρατηρείται: για τα BU επεισόδια (έως 1 επεισόδιο/έτος) στα βόρεια τμήματα της Βαλκανικής Χερσονήσου, για τα DD επεισόδια στη Δ. Μεσόγειο (έως 11.4 επεισόδια/έτος), για τα SS-like επεισόδια στην Ιβηρική Χερσόνησο και στη Χερσόνησο της Ανατολίας (3.9 επεισόδια/έτος) και για τα ΜΧ επεισόδια στα δυτικά τμήματα της θάλασσας της Μεσογείου (5 επεισόδια/έτος). Η μεγαλύτερη ένταση των ισχυρών BU επεισοδίων σημειώνεται στην Κοιλάδα του Πάδου (1.2) στην Ιταλία, ενώ για τα DD, SS-like και ΜΧ επεισόδια στον Κόλπο της Σίδρας και στη θαλάσσια περιοχή της Λιβύης (έως 1.6). Σε μεμονωμένες περιπτώσεις η ένταση των ακραίων SS-like και ΜΧ επεισοδίων μπορεί να ανέλθει έως 5 (τιμές AOD στα 550nm). Η μέγιστη συχνότητα, σε μηνιαία και περιοχική κλίμακα, των ισχυρών BU επεισοδίων σημειώθηκε τον Αύγουστο του 2003 (0.13 επεισόδια/κυψελίδα). Η ανάλυση μας αναδεικνύει χαρακτηριστικά εποχικού κύκλου για τα ισχυρά και ακραία DD επεισόδια, με τις μέγιστες συχνότητες να σημειώνονται τη ξηρή περίοδο του έτους και την άνοιξη, αντίστοιχα. Σύμφωνα με τα αποτελέσματά μας, προκύπτει συσχέτιση της συχνότητας εμφάνισης των DD επεισοδίων με την κύμανση του Βορείου Ατλαντικού (North Atlantic Oscillation, ΝΑΟ) που είναι σε συμφωνία με ευρήματα προηγούμενων μελετών που ανέφεραν συσχέτιση του φορτίου των ερημικών αερολυμάτων στη Μεσόγειο με το ΝΑΟ. Με την εφαρμογή του μοντέλου HYSPLIT (Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory Model) μελετήθηκαν οι τροχιές των αερίων μαζών, για μια περίοδο 5 ημερών πριν την εκδήλωση ακραίων επεισοδίων διαφορετικών τύπων. Τέλος, τα αποτελέσματα του αλγορίθμου, για τις περιπτώσεις DD επεισοδίων, αξιολογήθηκαν επιτυχώς έναντι επίγειων μετρήσεων συγκέντρωσης του σωματιδιακού φορτίου (Dust PM10) και οπτικών ιδιοτήτων (AERONET).Επιχειρήθηκε, επίσης, η περιγραφή της ατμοσφαιρικής κυκλοφορίας, στην κατώτερη τροπόσφαιρα, και ο ρόλος της στην εκδήλωση επεισοδίων στην ευρύτερη περιοχή της λεκάνης της Μεσογείου. Για το σκοπό αυτό, τέθηκαν κριτήρια επιλογής των ημερών μελέτης, για τις οποίες η ατμοσφαιρική κυκλοφορία ταξινομήθηκε αντικειμενικά, με την εφαρμογή πολυμεταβλητών στατιστικών μεθόδων, όπως αυτών της Παραγοντικής Ανάλυσης (Factor Analysis S-mode) και της Ανάλυσης κατά Συστάδες (Cluster Analysis). Από την εφαρμοσθείσα μεθοδολογία, προέκυψαν 8 τύποι ατμοσφαιρικής κυκλοφορίας των οποίων τα χαρακτηριστικά περιγράφηκαν, ενώ προσδιορίστηκαν οι γεωγραφικές κατανομές της συχνότητας εμφάνισης των επεισοδίων, της έντασής τους και της επικράτησής τους (ισχυρά ή ακραία), για την κάθε Ομάδα (Cluster). Αντίστοιχη μελέτη πραγματοποιήθηκε και για την περιγραφή των τύπων ανάπτυξης της ατμοσφαιρικής κυκλοφορίας που οδηγούν στην πρόκληση επεισοδίων μεταφοράς ερημικής σκόνης, καταλήγοντας σε 6 Ομάδες. Τέλος, υπολογίστηκε η άμεση διαταραχή του ισοζυγίου της ακτινοβολίας (direct radiative effect, DRE) που προκαλείται από την εκδήλωση ακραίων επεισοδίων, διαφορετικού τύπου, υπό συνθήκες ανέφελου ουρανού. Οι υπολογισμοί πραγματοποιήθηκαν στην κορυφή της ατμόσφαιρας (TOA), στην ατμόσφαιρα (atmab) και στο έδαφος (surf, surfnet) με την εφαρμογή του μοντέλου διάδοσης ακτινοβολίας SBDART (Santa Barbara DISORT Atmospheric Radiative Transfer). Σε τοπικό επίπεδο, κατά την εκδήλωση ακραίων DD επεισοδίων πάνω από θάλασσα, το σύστημα Γης-ατμόσφαιρας ψύχεται ανακλώντας περισσότερη ηλιακή ακτινοβολία κατά 85 W/m2, η ατμόσφαιρα θερμαίνεται απορροφώντας περισσότερη ηλιακή ακτινοβολία κατά 408 W/m2, ενώ το έδαφος ψύχεται δεχόμενο λιγότερη ακτινοβολία κατά 493 W/m2. Επίσης, ο υπολογιζόμενος ρυθμός θέρμανσης της ατμόσφαιρας, λόγω των επεισοδίων DD, ανέρχεται σε έως και 10 Κ/day, στα 2.5 Km, επιφέροντας σημαντικές τροποποιήσεις στη δυναμική της.