Solar radiation
Authors: Μεθυμάκη Γεωργία 
Published: September 2023

Σε αυτή τη διδακτορική έρευνα, μελετάται η επίδραση της απορρόφησης της ακτινοβολίας από τα αερολύματα στο ενεργειακό ισοζύγιο καθώς και στις ατμοσφαιρικές παραμέτρους στη λεκάνη της Μεσογείου σε αντιπροσωπευτικές θερινές περιόδους. Η απορρόφηση του κάθε αερολύματος εξετάζεται μεμονωμένα: μαύρος άνθρακας, σκόνη, αλάτι, καφέ άνθρακας. Ωστόσο, η έρευνα κυρίως επικεντρώνεται στον μαύρο άνθρακα τόσο ανθρωπογενούς όσο και φυσικής προέλευσης αλλά και στον καφέ άνθρακα εκπεμπόμενος μόνο από καύση βιομάζας. Για τον μαύρο άνθρακα, η έρευνα πραγματοποιείται σε συνθήκες μέτριας ρύπανσης (Αύγουστος-Σεπτέμβριος 2011), ενώ για τον καφέ άνθρακα επιλέχθηκα δύο περίοδοι, μία σε μέσες (Αύγουστος 2019) και μία σε υψηλές συνθήκες καύσης (Αύγουστος 2021). Για τη διερεύνηση της επίδρασης της απορρόφησης των αερολυμάτων, εφαρμόζεται το μοντέλο μέσης κλίμακας, WRF-Chem, καθώς μέσω της πλήρους σύζευξης της χημείας με τη μετεωρολογία επιτρέπει την αλληλεπίδραση των αερολυμάτων με την ακτινοβολία. Η απορρόφηση του μαύρου άνθρακα, της σκόνης και του αλατιού είναι ήδη ενσωματωμένα στο μοντέλο, ενώ η απορρόφηση του καφέ άνθρακα εισάγεται στο WRF-Chem λαμβάνοντας υπόψη τη φωτοχημική λεύκανση του αερολύματος καθώς και την επίδραση των διαφόρων πηγών και των συνθηκών καύσης στην απορροφητική του ικανότητα. Οι ατμοσφαιρικές παράμετροι, η ηλιακή ακτινοβολία, καθώς και οι συγκεντρώσεις και οι οπτικές ιδιότητες των αερολυμάτων εξετάζονται καθ’ ύψος της τροπόσφαιρας και συγκρίνονται με παρατηρήσεις από σταθμούς (Φινοκαλιά), ραδιοβολίσεις (σταθμός Σικελίας και Ηρακλείου), μετρήσεις τηλεπισκόπησης (AIRS, AERONET, OMI), δεδομένα reanalysis (MERRA-2) και τέλος με μετρήσεις οι οποίες εξήχθησαν από την εκστρατεία “Aegean-GAME” με χρήση εξειδικευμένου ερευνητικού αεροσκάφους.Κατά τη διάρκεια της εκστρατείας Aegean-GAME, ανιχνεύονται συχνά συγκεντρώσεις μαύρου άνθρακα στο 1 μg m-3 κατά μήκος της τροχιάς του αεροσκάφους με το μοντέλο να προσομοιώνει τις αντίστοιχες τιμές περίπου στα 0,6 μg m-3. Σε σύγκριση με τα δεδομένα της Φινοκαλίας, οι προσομοιούμενες συγκεντρώσεις μαύρου άνθρακα υποεκτιμώνται κατά 32%. Οι ημερήσιες τιμές κυμαίνονται μεταξύ 0,3 και 0,9 μg m-3 που αντιστοιχούν σε συντελεστές απορρόφησης μαύρου άνθρακα από 3 έως 10 Mm-1. Οι αντίστοιχοι ημερήσιοι συντελεστές απορρόφησης του αερολύματος υπολογίζονται ανάμεσα σε 3 και 10 Mm-1. Η διακύμανση του ενεργειακού ισοζυγίου στην τροπόπαυση υπολογίζεται σε 1,2 W m−2 λόγω της απορρόφησης από τον μαύρο άνθρακα και μόνο το 0,1 W m−2 αποδίδεται στη σκόνη, ενώ το αλάτι έχει σχεδόν μηδενική συμβολή στην απορρόφηση, παρά τις μεγάλες συγκεντρώσεις του στην ατμόσφαιρα της Μεσογείου. Η μέση ημερήσια εισερχόμενη ηλιακή ακτινοβολία που φθάνει στο έδαφος μειώνεται κατά περίπου 6 W m−2 λόγω της απορρόφησης από τον μαύρο άνθρακα ενώ η εξερχόμενη κατά περίπου 1 W m−2. Παρόλο που ο σχηματισμός νεφών δεν ευνοείται κατά την περίοδο της μελέτης, η απορρόφηση από τον μαύρο άνθρακα μειώνει συνολικά την αναλογία μείγματος στην υγρή φάση κατά 10%. Ωστόσο, σε χαμηλούς νεφικούς σχηματισμούς η μείωση μπορεί να φτάσει έως και 20%, ενώ σε περιπτώσεις υψηλότερων νεφών η μείωση φτάνει έως και ~29%. Αναλύοντας τους ρυθμούς θέρμανσης όλων των φυσικών διεργασιών που συμβάλλουν στην αύξηση (ή μείωση) της θερμοκρασίας, προκύπτει ότι η άμεση απορρόφηση της ηλιακής ακτινοβολίας από τον μαύρο άνθρακα αυξάνει τη θερμοκρασία του αέρα με ημερήσιο ρυθμό έως και 0,2 K day−1, με εξαίρεση το επιφανειακό στρώμα, όπου η παρατηρούμενη θέρμανση αποδίδεται κυρίως στη μεταφορά θερμών αερίων μαζών από την Ανατολική Μεσόγειο.Η εκτίμηση για την απορρόφηση του καφέ άνθρακα προσεγγίζει τα 5 Mm-1 κοντά στις πηγές σε συνήθεις συνθήκες καύσης βιομάζας όπου οι συγκεντρώσεις οργανικού άνθρακα υπολογίζονται σε έως και 3 μg m-3, ενώ σε ακραίες συνθήκες καύσης βιομάζας (συγκεντρώσεις οργανικού άνθρακα έως 10 μg m-3) μπορεί να προσεγγίσει τα 15 Mm-1. Σχεδόν αμέσως μετά την εκπομπή, ο καφέ άνθρακας υφίσταται λεύκανση αποδιδόμενη στα υψηλά επίπεδα υδροξυλίου στην ατμόσφαιρα της Μεσογείου κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού, μειώνοντας την απορροφητική του ικανότητα μεταξύ 56% και 75%. Στην περιοχή των πυρκαγιών, ο σχηματισμός νεφών ενισχύεται πάνω από το ατμοσφαιρικό οριακό στρώμα λόγω της αύξησης της υγρασίας στα στρώματα αυτά, ενώ μεταφερόμενες ξηρότερες και θερμότερες αέριες μάζες τείνουν να διαλύσουν τους νεφικούς σχηματισμούς σε περιοχές μακριά από τις πηγές. Η επίδραση του καφέ άνθρακα στην εισερχόμενη ροή της ηλιακής ακτινοβολίας είναι μικρή (υπό ακραίες συνθήκες η μείωση στιγμιαία προσεγγίζει τα -6 W m-2) και συχνά επικαλύπτεται από την απορρόφηση των υδρατμών. Η επίδραση του καφέ άνθρακα στο ενεργειακό ισοζύγιο υπολογίζεται σε 0,04 W m-2 (~ 10% του μαύρου άνθρακα) σε μέση και 0,18 W m-2 σε ακραία δραστηριότητα καύσης βιομάζας υπό καθαρό ουρανό. Η μείωση των χαμηλών νεφικών σχηματισμών το 2019 ενισχύει την επίδραση του καφέ άνθρακα στο ενεργειακό ισοζύγιο σε μέση δραστηριότητα καύσης βιομάζας (εκτιμώμενη στα 0,15 W m-2), ενώ η συνολική μείωση υψηλότερων νεφών το 2021 περιορίζει την επίδραση αυτή (στα 0,11 W m-2) παρά την εκτεταμένες πυρκαγιές κατά την περίοδο αυτή.