Properties of desert dust using active satellite and ground-based remote sensing
Authors: Πάσχου Περιστέρα 
Published: February 2025

Το θέμα της διδακτορικής διατριβής αφορά τη χρήση μετρήσεων lidar σε περιοχές που επηρεάζονται από τη μεταφορά ερημικής σκόνης για την επικύρωση των οπτικών ιδιοτήτων αερολυμάτων της αποστολής Aeolus του Ευρωπαϊκού Οργανισμού Διαστήματος (ΕΟΔ). Η αποστολή Aeolus περιλάμβανε το πρώτο lidar στο διάστημα για τη μέτρηση πεδίων ανέμου, ικανό να παρέχει μετρήσεις των οπτικών ιδιοτήτων των αερολυμάτων (προϊόντα L2A), χρησιμοποιώντας την τεχνική υψηλής φασματικής ανάλυσης Ωστόσο, ο σχεδιασμός της αποστολής Aeolus επέτρεπε την ανίχνευση μόνο της συν-πολωμένης συνιστώσας του οπισθοσκεδαζόμενου σήματος από την κυκλικά πολωμένη εκπομπή στα 355 nm. Αυτός ο περιορισμός επηρεάζει την ανάκτηση των οπτικών ιδιοτήτων όταν μη σφαιρικά σωματίδια, όπως η ερημική σκόνη, βρίσκονται εντός του οπτικού πεδίου του Aeolus καθώς προκαλούν αποπόλωση του οπισθοσκεδαζόμενου σήματος, καθιστώντας αναγκαία την ανάπτυξη ενός συστήματος lidar που θα μπορούσε να αναπαράγει τη λειτουργία του Aeolus με σκοπό τη διακρίβωση των προϊόντων L2A (οπτικές ιδιότητες αερολύματων). Για το σκοπό αυτό, αναπτύχθηκε το σύστημα eVe lidar, το οποίο χρησιμοποιεί διαμόρφωση διπλού-λέιζερ/διπλού-τηλεσκοπίου για την πραγματοποίηση παράλληλων μετρήσεων lidar γραμμικής και κυκλικής αποπόλωσης και ανελαστικής οπισθοσκέδασης. Ως εκ τούτου, το πρώτο μέρος της διατριβής επικεντρώνεται στην περιγραφή των οπτικών και μηχανικών μερών των μονάδων εκπομπής, λήψης και ανίχνευσης του συστήματος eVe lidar, των τεχνικών βαθμονόμησης ως προς ανίχνευση της πόλωσης, καθώς και του αλγορίθμου επεξεργασίας των σημάτων lidar που αναπτύχθηκε. Ο αλγόριθμος αυτός επεξεργάζεται τα σήματα lidar και εξάγει τα προφίλ των συντελεστών οπισθοσκέδασης και εξασθένησης των σωματιδίων, του λόγου lidar, των λόγων γραμμικής αποπόλωσης όγκου/σωματιδίων και των λόγων κυκλικής αποπόλωσης όγκου/σωματιδίων. Η απόδοση τόσο του lidar όσο και του αλγορίθμου του ελέγχθηκε μέσω μελετών δια-σύγκρισης. Αρχικά, ο αλγόριθμος αξιολογήθηκε χρησιμοποιώντας συνθετικά σήματα lidar κατάλληλα για μελέτες δια-σύγκρισης αλγορίθμων ανάκτησης οπτικών ιδιοτήτων από το Ευρωπαϊκό Δίκτυο Ερευνών Lidar Αερολυμάτων (EARLINET), παρουσιάζοντας απόδοση συγκρίσιμη ή καλύτερη από αντίστοιχους αλγόριθμους του EARLINET. Επιπλέον, η συνολική απόδοση του lidar αξιολογήθηκε μέσω της ικανότητάς του για αυτο-διακρίβωση και με τη βοήθεια ταυτόχρονων μετρήσεων δια-σύγκρισης με το lidar EMORAL του ΕΟΔ στην Αθήνα, καθώς και το lidar PollyXT στο Μιντέλο, Πράσινο Ακρωτήριο. Οι μελέτες αυτές επιβεβαίωσαν την εξαιρετική απόδοση του eVe lidar, προσφέροντας ακριβή προϊόντα lidar. Το eVe lidar χρησιμοποιήθηκε στην πειραματική εκστρατεία ΑΣΚΟΣ με σκοπό τη διακρίβωση των προϊόντων του Aeolus. Στο πλαίσιο αυτό, πραγματοποιήθηκαν ταυτόχρονες μετρήσεις γραμμικής και κυκλικής αποπόλωσης από το eVe lidar με υπερπτήσεις του Aeolus για τη διακρίβωση των οπτικών ιδιοτήτων των αερολυμάτων που παρέχονται από τους τρεις διαθέσιμους αλγορίθμους του Aeolus (SCA, MLE και AEL–PRO). Τα αποτελέσματα έδειξαν καλή συμφωνία για το συντελεστή οπισθοσκέδασης και στους τρεις αλγορίθμους, με μείωση των σφαλμάτων σε μεγαλύτερα υψόμετρα και σε μικρότερες τιμές υπερκείμενου συνολικού οπτικού βάθους. Ο συντελεστής εξασθένησης παρουσίασε μεγαλύτερες αποκλίσεις και μεταβλητότητα σε σχέση με τον συντελεστή οπισθοσκέδασης, ενώ ο λόγος lidar εμφάνισε τη μεγαλύτερη αβεβαιότητα, με αυξημένες τιμές σφαλμάτων. Τα συστηματικά σφάλματα υπερκαλύπτονται από τα τυχαία, τα οποία οφείλονται τη μεγαλύτερη ατμοσφαιρική μεταβλητότητα και στον αυξημένο φόρτο αερολυμάτων που απαντώνται συνήθως σε χαμηλά υψόμετρα, προκαλώντας ενισχυμένη εξασθένιση στα σήματα του Aeolus και κατ’ επέκταση σε υψηλότερα επίπεδα θορύβου στα προϊόντα που ανακτώνται.