Study of aerosol properties at local and global scale during extreme aerosol events, using ground-based and spaceborne remote sensing techniques
Authors: Παπανικολάου Χριστίνα-Άννα 
Published: March 2023

Σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η μελέτη των γεωμετρικών και οπτικών ιδιοτήτων των τροποσφαιρικών και στρατοσφαιρικών αιωρούμενων σωματιδίων τόσο σε τοπική όσο και σε παγκόσμια κλίμακα, κατά τη διάρκεια έντονων επεισοδίων σωματιδιακής ρύπανσης, χρησιμοποιώντας επίγειες και δορυφορικές μεθόδους τηλεπισκόπησης. Στο Κεφάλαιο 1 παρουσιάζεται συνοπτικά η δομή και η σύνθεση της ατμόσφαιρας. Επίσης, γίνεται αναφορά στα ατμοσφαιρικά αιωρούμενα σωματίδια και στον ρόλο τους στοενεργειακό ισοζύγιο της ατμόσφαιρας. Στο Κεφάλαιο 2, αρχικά παρουσιάζεται το θεωρητικό υπόβαθρο των μεθόδων με τηλεπισκόπησης με εφαρμογές στην ατμόσφαιρα. Δεδομένου ότι τα ατμοσφαιρικά αιωρούμενα σωματίδια αλληλοεπιδρούν με την εισερχόμενη ηλιακή ακτινοβολία, καθώς και την εξερχόμενη γήινη ακτινοβολία, έμφαση δίνεται στους μηχανισμούς των αλληλεπιδράσεων. Επιπλέον, παρουσιάζονται οι αρχές λειτουργίας της μεθόδου τηλεπισκόπησης lidar, με εφαρμογές στην ατμόσφαιρα. Τέλος, γίνεται εκτενής αναφορά στις μεθόδους επεξεργασίας δεδομένων lidar, τόσο από επίγεια όσο και δορυφορικά συστήματα, καθώς και στις οπτικές ιδιότητες των αιωρούμενων σωματιδίων που ανακτώνται από αυτά.Αρχικά, στο Κεφάλαιο 3, παρουσιάζεται μια πλήρης ανάλυση τεσσάρων έντονων επεισοδίων σωματιδιακής ρύπανσης από καύση βιομάζα. Η πρώτη μελέτη σχετίζεται με τη χωροχρονική εξέλιξη ενός επεισοδίου πυρκαγιών στην περιοχή της Βρετανικής Κολομβίας (British Columbia), τον Αύγουστο του 2018. Αυτό το επεισόδιο παρήγαγε τεράστιες ποσότητες σωματιδίων καπνού στην τροπόσφαιρα, οι οπτικές ιδιότητες των οποίων, μελετήθηκαν διεξοδικά, κατά τη μεταφορά τους από τον Καναδά στην Ευρώπη, με δεδομένα από τον δορυφόρο Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observation (CALIPSO). Η δεύτερη δημοσίευση αφορά στην μελέτη της κατακόρυφης κατανομής των οπτικών ιδιοτήτων σωματιδίων καπνού, που πραγματοποιήθηκε κατά τη διάρκεια της χειμερινής εκστρατείας μετρήσεων της ΠΑΝελλΑδιΚής υποδομής για τη μΕλέτη της ατμοσφαιρικής σύστασης και κλΙματικής Αλλαγής (ΠΑΝΑΚΕΙΑ) το 2020 στην πόλη των Ιωαννίνων, η οποία υποφέρει κατά τους χειμερινούς μήνες από επεισόδια ατμοσφαιρικής ρύπανσης, λόγω δραστηριοτήτων οικιακών θέρμανσης. Η τεχνική lidar εφαρμόσθηκε για την ανάκτηση των οπτικών ιδιοτήτων των πολύ φρέσκων σωματιδίων καπνού, ενώ χρησιμοποιήθηκαν σωματιδιακές συγκεντρώσεις (PM2.5) και συγκεντρώσεις Μαύρου Άνθρακα (BC), με στόχο την εκτίμηση της συμβολής της καύσης βιομάζας/ξύλου (BCwb) στις συνολικές συγκεντρώσεις BC. Στην τρίτη μελέτη παρουσιάζονται οι οπτικές ιδιότητες σωματιδίων καπνού, τα οποία παράχθηκαν κατά τη διάρκεια ενός από τα πιο έντονα επεισόδια πυρκαγιών, παγκοσμίως, το οποίο έλαβε χώρα στην Αυστραλία και μελετήθηκε από τις 25 Δεκεμβρίου 2019 έως τις 12 Φεβρουαρίου 2020. Οι στρωματώσεις καπνού παρατηρήθηκαν στην τροπόσφαιρα και την στρατόσφαιρα του νότιου ημισφαιρίου, από τον δορυφόρο CALIPSO, και οι οπτικές τους ιδιότητες αναλύθηκαν σε μεγάλο εύρος γεωγραφικού μήκους και πλάτους, καθώς μεταφέρονταν σταδιακά από την Αυστραλία στην Νότια Αμερική, ενώ παρουσιάστηκε και η επίδραση τους στο ενεργειακό ισοζύγιο της ατμόσφαιρας. Η τελευταία μελέτη του κεφαλαίου αφορά στη μεγάλης εμβέλειας μεταφορά αιωρούμενων σωματιδίων πάνω από την Αθήνα, στην Ελλάδα, το Φθινόπωρο 2020, κατά τη χρονική περίοδο που στην ευρύτερη περιοχή της Καλιφόρνια λάμβανε χώρα ένα ακραίο γεγονός δασικής πυρκαγιάς. Οι τρεις περιπτώσεις διηπειρωτικής μεταφοράς αιωρούμενων σωματιδίων πάνω από την Αθήνα μελετήθηκαν από το DEPOLarization lidar system (DEPOLE)) του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου (ΕΜΠ).Στο Κεφάλαιο 4, παρουσιάζεται η μελέτη των αιωρούμενων σωματιδίων από την ηφαιστειακή έκρηξη Hunga Tonga-Ha'apai που έλαβε χώρα στις 15 Ιανουαρίου 2022. Τα στρατοσφαιρικά ηφαιστειακά αιωρούμενα σωματίδια μελετήθηκαν με τεχνικές ενεργητικής και παθητικής τηλεπισκόπησης, ενώ το μοντέλο μεταφοράς ακτινοβολίας libRadtran χρησιμοποιήθηκε προκειμένου να εκτιμηθεί η επίδραση των ηφαιστειακών σωματιδίων στο ενεργειακό ισοζύγιο της ατμόσφαιρας. Στο Κεφάλαιο 4, παρουσιάζεται το έντονο επεισόδιο ερημικής σκόνης από την έρημο Σαχάρα, όπως αυτό μετρήθηκε στην Αθήνα, στις 16-17 Μαρτίου 2022. Τα κύρια ευρήματα αυτής της διδακτορικής διατριβής συνοψίζονται στο Κεφάλαιο 6, ως ακολούθως: (i) Τα σωματίδια καπνού που μελετήθηκαν μέσα στο Ατμοσφαιρικό Οριακό Στρώμα (ΑΟΣ) παρουσίασαν εξαιρετικά χαμηλές τιμές PLDR (0.01 - 0.03), υποδεικνύοντας ότι το σχήμα τους ήταν σχεδόν σφαιρικό. (ii) Στην FT τα φρέσκα σωματίδια BB, από τρία διαφορετικά επεισόδιά σωματιδιακής ρύπανσης, παρουσίασαν τιμές PLDR σχεδόν σφαιρικών σωματιδίων (< 0.10), ενώ το μέγεθος τους χαρακτηρίσθηκε σχετικά μικρό (Åb at 532/1064 nm~ 1.00). (iii) Τα γηρασμένα τροποσφαιρικά σωματίδια BB παρέμειναν σχεδόν σφαιρικά καθ’ όλη τη διάρκεια της μεταφοράς τους, με μικρές διακυμάνσεις στις τιμές του PLDR, εκτός από περιπτώσεις πρόσμιξης με σωματίδια ερημικής σκόνης, που οι τιμές του PLDR παρουσίασαν μεγαλύτερη αύξηση. Τα σωματίδια καπνού φαίνεται να αυξάνονται σε μέγεθος, καθώς απομακρύνονται από την πηγή τους. Επίσης, τα σωματίδια ερημικής σκόνης, παρά την μεγάλης διάρκειας μεταφορά τους, παρουσίασαν τιμές ερημικής σκόνης χωρίς προσμίξεις (PLDR: 0.29 - 0.36 at 532 nm, Åa,b: 0.16 ± 0.25 and 0.36 ± 0.19, LR: 53.22 ± 38.76 sr at 532 nm) (iv) Τα στρατοσφαιρικά σωματίδια καπνού παρουσιάζουν μεγαλύτερες τιμές PLDR (μέγιστη καταγεγραμμένη τιμή 0.20) από τα τροποσφαιρικά, καθώς και μικρότερο μέγεθος (Å~ 1.40, μέγιστη έως 3.00), ενώ όσο παραμένουν στην στρατόσφαιρα και απομακρύνονται από την πηγή, το μέγεθός τους γίνεται ελαφρώς μικρότερο. Επιπλέον, τα ηφαιστειακής προέλευσης σωματίδια, είναι λιγότερο αποπολωτικά (0.01 - 0.06), ενώ οι τιμές του Åb (0.79 - 1.94) υποδηλώνουν την ύπαρξη κυρίως μικρών σωματιδίων, και σε ορισμένες περιπτώσεις λίγο μεγαλύτερων. (v) Τέλος, με βάση την επίδραση που είχαν στο ισοζύγιο ακτινοβολίας της ατμόσφαιρας, μπορούμε να κατατάξουμε τα επεισόδια σωματιδιακής ρύπανσης που μελετήθηκαν με φθίνουσα σειρά 1) ερημική σκόνη (TOA: −70.11 W/m2, SRF: −168.41 W/m2), 2) τροποσφαιρικά σωματίδια BB (Αυστραλία; TOA: −47.42 to +11.56 W/m2, SRF: −87.10 to −4.53 W/m2), 3) ηφαιστειακά αιωρούμενα σωματίδια (TOA: −46.76 W/m2, SRF: −43.97 W/m2), 4) στρατοσφαιρικά σωματίδια BB (Αυστραλία; TOA: −25.96 to +13.18 W/m2, SRF: −42.79 to −3.80 W/m2), 5) τροποσφαιρικά σωματίδια BB (Αθήνα, με προέλευση Καλιφόρνια; TOA: −1.33 W/m2, SRF: –4.71 W/m2).