Optical, microphysical and physico-chemical properties of aerosols using in situ and remote sensing measurements in Athens Metropolitan and the Eastern Mediterranean area
Authors: Βράτολης Στέργιος 
Published: September 2021

Ο κύριος στόχος της διατριβής αυτής ήταν η μελέτη της συγκέντρωσης, των φυσικών ιδιοτήτων και της χημικής σύστασης των αιωρούμενων σωματιδίων και η συνεισφορά τους στον σχηματισμό των σύννεφων στην Ανατολική Μεσόγειο με έμφαση στην Μητροπολιτική περιοχή της Αθήνας. Επίσης ο προσδιορισμός των ιδιοτήτων των αιωρούμενων σωματιδίων με νέες μεθόδους και η σύγκριση των μετρήσεων ανάμεσα σε επιτόπια όργανα και όργανα τηλεπισκόπησης. Η παρούσα περίληψη της διδακτορικής διατριβής περιέχει τρία κεφάλαια. Στο πρώτο κεφάλαιο παρουσιάζουμε την παρούσα κατάσταση της κατανομής μεγέθους και αριθμού των αιωρούμενων σωματιδίων σε σταθμούς αστικού υποβάθρου Κέντρου Πόλης (ΑΥΚΠ), αστικού υποβάθρου (ΑΥ) και σταθμούς αντιπροσωπευτικούς της ευρύτερης περιοχής της Ανατολικής Μεσογείου (ΕΥ). Με βάση την ημερήσια διακύμανση των κατανομών και προηγούμενες μελέτες, οι κύριες πηγές αιωρούμενων σωματιδίων για τον σταθμό ΑΥΚΠ είναι η κυκλοφορία οχημάτων (πρόσφατες και γηρασμένες εκπομπές) και οι συγκεντρώσεις υποβάθρου της ευρύτερης περιοχής. Οι πηγές για τους σταθμούς ΑΥ περιλαμβάνουν πρόσφατες εκπομπές οχημάτων, πυρηνοποίηση νέων σωματιδίων, γηρασμένες εκπομπές οχημάτων, εκπομπές λόγω μαγειρέματος και συγκεντρώσεις υποβάθρου της ευρύτερης περιοχής. Οι πηγές για τον σταθμό ΕΥ περιλαμβάνουν τοπικές πηγές (γηρασμένο αεροζόλ από μαγείρεμα και άλλες δραστηριότητες που συνδέονται με τον τουρισμό και τις γειτονικές πόλεις στην Κρήτη) και την συγκέντρωση υποβάθρου της ευρύτερης περιοχής. Αναλύσαμε τις κατανομές μεγέθους και αριθμού αιωρούμενων σωματιδίων σε άθροισμα λογαριθμικών κατανομών τις οποίες κατόπιν χωρίσαμε με βάση ανάλυση ομάδων. Με βάση την υπόθεση ότι η ομάδα στην περιοχή συσσώρευσης αιωρούμενων σωματιδίων που αναγνωρίστηκε στον σταθμό ΕΥ περιέχει αυτά που μεταφέρονται από μακρινές περιοχές και την χρήση της διάμεσης τιμής της συγκέντρωσης για κάθε ομάδα, συμπεραίνουμε ότι 18% της συγκέντρωσης αιωρούμενων σωματιδίων στον σταθμό ΑΥΚΠ μεταφέρεται από μακρινές περιοχές, το 37% για τους σταθμούς ΑΥ και το 59% για τον σταθμό ΕΥ. Βασισμένοι στον χωρισμό σε ομάδες με βάση την προέλευση των αερίων μαζών για την ομάδα που αναγνωρίστηκε ως μεταφερόμενη από μακρινές περιοχές, συμπεραίνουμε ότι η συγκέντρωση αιωρούμενων σωματιδίων όταν οι αέριες μάζες προέρχονται από την Μεσόγειο Θάλασσα είναι πολύ χαμηλότερες από όταν προέρχονται από Βόρειο-Ανατολική ή Βόρειο-Δυτική κατεύθυνση. ́Οταν επικρατούν οι Ετησίες η συγκέντρωση υποβάθρου στην περιοχή της Μεσογείου αυξάνεται από 2,5 έως 4 φορές. Στο δεύτερο κεφάλαιο αναπτύσσεται μία νέα μέθοδος για την απόκτηση του πραγματικού μέρους του ισοδύναμου δείκτη διάθλασης του ατμοσφαιρικού αερολύματος με τον συνδυασμό των κατανομών μεγέθους και αριθμού ενός διαφορικού καταμετρητή αιωρούμενων σωματιδίων με βάση την ηλεκτρική κινητικότητα (ΔΚΗΚ) και έναν οπτικό καταμετρητή σωματιδίων (ΟΚΣ). Ο σκοπός είναι να δείξουμε ότι τα δεδομένα κατανομής αριθμού σωματιδίων που λαμβάνονται σε σταθμούς μετρήσεων μπορούν να μας δώσουν μια αίσθηση για τις φυσικές και χημικές ιδιότητες των αιωρούμενων σωματιδίων και να οδηγήσουν έτσι σε καλύτερη κατανόηση των επιδράσεών τους στο κλίμα και την ανθρώπινη υγεία. Ο προκύπτων ενεργός δείκτης διάθλασης (ERI) μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε μοντέλα μεταφοράς ακτινοβολίας και ως δείκτης της χημικής σύστασης των αιωρούμενων σωματιδίων. Για την πιστοποίηση της μεθόδου, έγιναν μια σειρά από πειράματα βαθμονόμησης με χρήση ενώσεων και υλικών με γνωστό δείκτη διάθλασης (ΔΔ). ́Ετσι λάβαμε τον διορθωμένο δείκτη διάθλασης (ERI COR ). Οι τιμές ERI COR κατόπιν συγκρίθηκαν με υπολογισμούς της τιμής του δείκτη διάθλασης των αιωρούμενων σωματιδίων RI βασισμένες στη χημική σύσταση φίλτρων PM2.5 και σε μετρήσεις lidar . Το τρίτο κεφάλαιο ασχολείται με την εύρεση των απαραίτητων συνθηκών ώστε να επιτραπεί η απευθείας σύγκριση των μετρήσεων με επιτόπια όργανα και με όργανα τηλεπισκόπησης. Το θέμα αυτό είναι πολύ σημαντικό, καθώς θα επιτρέψει σε σταθμούς με επιτόπια όργανα και με όργανα τηλεπισκόπησης εγκατεστημένους σε μικρή απόσταση μεταξύ τους να συνδυάσουν τις μετρήσεις τους, έτσι ώστε να είναι δυνατή η διερεύνηση της καθ ́ύψος ανάμιξης των αιωρούμενων σωματιδίων και η λήψη της κατακόρυφης κατανομής των ιδιοτήτων τους από το έδαφος έως αρκετά χιλιόμετρα πάνω από το έδαφος (agl). Για επιλεγμένες μέρες όπου είχαμε σημαντική τύρβη στην ατμόσφαιρα μέχρι ένα ύψος περίπου 1.000 μέτρων πάνω από το έδαφος, υπολογίσαμε τον συντελεστή εξασθένισης με βάση δεδομένα από τα όργανα επιτόπιων μετρήσεων χρησιμοποιώντας τρεις μεθόδους. Στην πρώτη μέθοδο ο συντελεστής εξασθένισης των αιωρούμενων σωματιδίων προέκυψε από την πρόσθεση του συντελεστή σκέδασης του οργάνου «Νεφελόμετρο» και του συντελεστή απορρόφησης του οργάνου «Αιθαλόμετρο». Κατόπιν τον συγκρίναμε με τον συντελεστή εξασθένισης του οργάνου τηλεπισκόπησης. Η συσχέτιση στην περίπτωση αυτή ήταν καλή (συντελεστής προσδιορισμού R2 ίσος με 0,74). Στην δεύτερη μέθοδο υπολογίσαμε τον δείκτη διάθλασης προσαρμόζοντας τις μετρήσεις συντελεστών σκέδασης και απορρόφησης Νεφελομέτρου και Αιθαλομέτρου χρησιμοποιώντας υπολογισμούς κώδικα Mie με βάση την κατανομή αριθμού και μεγέθους σωματιδίων που λάβαμε από τα όργανα επιτόπιων μετρήσεων. Κατόπιν με τον δείκτη διάθλασης που υπολογίστηκε και την κατανομή μεγέθους και αριθμού των αιωρούμενων σωματιδίων, υπολογίσαμε τον συντελεστή εξασθένισης και τον συγκρίναμε με τις μετρήσεις τηλεπισκόπησης. Η συσχέτιση και στην περίπτωση αυτή ήταν ικανοποιητική (R2 ίσος με 0,62). Επίσης παρουσιάζουμε μία ημέρα όπου στην περιοχή της Αθήνας είχαμε ένα επεισόδιο ρύπανσης από σκόνη της Σαχάρας. Αρχικά το στρώμα της ατμόσφαιρας που περιείχε την σκόνη της Σαχάρας ανιχνεύθηκε από το όργανο τηλεπισκόπησης σε ύψος μεγαλύτερο των 1.500 μέτρων πάνω από την επιφάνεια της θάλασσας. Λόγω της ισχυρής τύρβης στην ατμόσφαιρα, το απόγευμα το στρώμα αυτό αναμίχθηκε με το τοπικό αερόλυμα και ανιχνεύθηκε από τα όργανα επιτόπιων μετρήσεων. Η προέλευση των αερίων μαζών από την Νότια Αφρική παρουσιάζεται επίσης με χρήση του μοντέλου ατμοσφαιρικής μεταφοράς FLEXPART.