Study of the planetary boundary layer and its influence on cloud properties
Authors: Αργυρούλη Αθηνά 
Published: September 2021

Ο βασικός στόχος της διατριβής είναι η μελέτη των επιπτώσεων των αιωρούμενων σωματιδίων στις ιδιότητες των νεφών υπό την επίδραση της τύρβης στο Ατμοσφαιρικό Οριακό Στρώμα (ΑΟΣ). Η συγκεκριμένη μελέτη κρίθηκε σημαντική καθώς υπάρχουν μεγάλες αβεβαιότητες στις προσαρμογές των νεφών λόγω της αλληλεπίδρασής τους με τα αιωρούμενα σωματίδια μέσα στο ΑΟΣ. Η επίδραση της τύρβης και των φυσικο-χημικών ιδιοτήτων των σωματιδίων στην ανάπτυξη των νεφών μελετήθηκε στο αστικό περιβάλλον της Αθήνας με χρήση των μετρήσεων που συλλέχθηκαν στην Αθήνα την περίοδο Μαΐος-Ιούνιος 2014.Η διατριβή είναι δομημένη σε οκτώ κεφάλαια. Στο Κεφάλαιο 1 παρουσιάζονται τα χαρακτηριστικά του ΑΟΣ. Στο Κεφάλαιο 2, εισάγουμε στον αναγνώστη την έννοια της αλληλεπίδρασης σωματιδίων-νεφών και την επιδρασή τους στην κλιματική αλλαγή. Συγκεκριμένα, αναφερόμαστε στις οπτικές ιδιότητες των αιωρούμενων σηματιδίων και την ενεργοποίηση αυτών σε νεφοσταγονίδια καθώς επίσης παρουσιάζουμε τους μηχανισμούς ανάπτυξης των νεφοσταγονιδίων στα θερμά νέφη. Στο Κεφάλαιο 3 ασχολούμαστε με μεθόδους τηλεπισκόπησης της ατμόσφαιρας και ιδιαίτερα των αιωρούμενων σωματιδίων. Αναλυτικά περιγράφεται το σύστημα lidar του ΕΜΠ με τα διάφορα τεχνικά χαρακτηριστικά της διάταξής του. Επιπρόσθετα, περιγράφουμε τις μεθόδους (Klett και Raman) για την ανάκτηση των οπτικών ιδιοτήτων των αιωρούμενων σωματιδίων από σήματα lidar. Οι μέθοδοι βαθμονόμησης και επεξεργασίας σήματος lidar παρουσιάζονται, επίσης, σε αυτό το κεφάλαιο. Με στόχο την περιγραφή της αλληλεπίδρασης ακτινοβολίας--ύλης, στο Κεφάλαιο 4 εισάγουμε τον αναγνώστη στην κλασσική θεωρία σκέδασης και στον τρόπο ανάκτησης των οπτικών ιδιοτήτων των αιωρούμενων σωματιδίων από το πεδίο σκέδασης. Στο ίδιο κεφάλαιο παρουσιάζονται μαθηματικές μέθοδοι αντιστροφής των οπτικών ιδιοτήτων των σωματιδίων με σκοπό τον προσδιορισμό των μικροφυσικών τους ιδιοτήτων. Ένας από τους αλγορίθμους αντιστροφής που χρησιμοποιήθηκε σε αυτή τη διατριβή είναι ο αλγόριθμος LIRIC που παρουσιάζεται στο Κεφάλαιο 5. Συνδυάζει όργανα ενεργητικής και παθητικής τηλεπισκόπησης προκειμένου να εξάγει πληροφορία για την καθ' ύψος ογκομετρική συγκέντρωση λεπτόκοκκων και χονδρόκοκκων σωματιδίων. Ο αλγόριθμος LIRIC εφαρμόστηκε σε διάφορα επεισόδια σωματιδιακής ρύπανσης στην Αθήνα.Το αντικείμενο του Κεφαλαίου 6 είναι η περιγραφή των επιστημονικών στόχων του διεθνούς πειράματος HygrA-CD. Τα πιο σημαντικά ευρύματα από το πείραμα παρουσιάζονται σε αυτό το κεφάλαιο. Συγκεκριμένα, οι οπτικές ιδιότητες των αιωρούμενων σωματιδίων καθ' ύψος όπως ανακτήθηκαν από το σύστημα Raman lidar παρατίθενται σε αυτό το κεφάλαιο καθώς επίσης και ο χαρακτηρισμός του είδους των ανιχνευθέντων αιωρούμενων σωματιδίων. Η θερμοδυναμική κατάσταση της ατμόσφαιρας διερευνήθηκε με χρήση ραδιοβολίσεων. Τέλος, η δυναμική του ΑΟΣ μελετήθηκε με τη βοήθεια ενός συστήματος Doppler lidar, όργανο ενεργητικής τηλεπισκόπησης για την ανάκτηση των συνιστωσών της ταχύτητας του ανέμου.Στο Κεφάλαιο 7 παρουσιάζονται οι δύο μεθοδολογίες που αναπτύχθηκαν στο πλαίσιο της παρούσας διδακτορικής διατριβής. Η πρώτη μεθοδολογία έχει στόχο να συσχετίσει τις συγκεντρώσεις των αιωρούμενων σωματιδίων με τις συγκεντρώσεις νεφοσταγονιδίων. Ο αλγόριθμος που αναπτύχθηκε χρησιμοποιεί συνεργιστικές μετρήσεις από ένα πολυκαναλικό σύστημα Raman lidar και ένα Doppler lidar με στόχο να παρέχει εκτιμήσεις του φάσματος Πυρήνων Συμπύκνωσης Νέφωσης (ΠΣΝ) και του αριθμού των νεφοσταγονιδίων. Η δεύτερη μεθοδολογία έχει ως στόχο να παρέχει την ποσοτικοποίηση της καθ' ύψος μεταφοράς μάζας αιωρούμενων σωματιδίων μέσα στο ΑΟΣ με χρήση μεθόδων τηλεπισκόπησης. Οι ταυτόχρονες μετρήσεις από το σύστημα Doppler lidar και το ελαστικό lidar σωματιδίων είναι απαραίτητες για την εκτίμηση της κατακόρυφης μεταφοράς αερολύματων μέσω της τεχνικής συσχέτισης στροβιλισμών. Και οι δύο μεθοδολογίες εφαρμόσθηκαν σε πραγματικές ατμοσφαιρικές συνθήκες κάνοντας χρήση της βάσης δεδομένων από το πείραμα HygrA-CD και παρουσιάζονται στο Κεφάλαιο 7. Τέλος, στο Κεφάλαιο 8 συνοψίζονται τα συμπεράσματα της παρούσας διδακτορικής διατριβής και διερευνώνται οι προοπτικές για μελλοντικές εργασίες.