Εκτίμηση των οπτικών ιδιοτήτων των αιωρούμενων σωματιδίων με τη μέθοδο DOAS
Creators: name: Καραγκιοζίδης, Δημήτριος Θεοδώρου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2017
Subjects: Οπτικό βάθος
Παράγοντας ασυμμετρίας
Αιωρούμενα σωματίδια
Optical depth
Asymmetry factor
DOAS

description: Η παγκόσμια μέση τιμή του οπτικού βάθους των αιωρούμενων σωματιδίων, που προκύπτει τόσο από δορυφορικές όσο και από επίγειες παρατηρήσεις στα 550 nm είναι ~0.19 πάνω από την ξηρά και πάνω από τους ωκεανούς ~0.13. Περίπου το 45% της επιφάνειας του πλανήτη εμφανίζει AOD στα 550 nm μικρότερο του 0.1 και επομένως είναι αναγκαία η ανάπτυξη τεχνικών μέτρησης των οπτικών ιδιοτήτων των αιωρούμενων σωματιδίων σε συνθήκες χαμηλού οπτικού βάθους. Την τελευταία δεκαετία αναπτύσσεται με γρήγορους ρυθμούς η τεχνική της φασματοσκοπίας διαφορικής οπτικής απορρόφησης σε πολλαπλές διευθύνσεις (MAX-DOAS), με σκοπό την μέτρηση τόσο της συγκέντρωσης διαφόρων αερίων της ατμόσφαιρας, όσο και της κατακόρυφης κατανομής τους στην κατώτερη τροπόσφαιρα. Στην συγκεκριμένη διπλωματική εργασία παρουσιάζεται μια μέθοδος εκτίμησης του AOD και του παράγοντα ασυμμετρίας, g, χρησιμοποιώντας MAX-DOAS μετρήσεις της αζιμουθιακής κατανομής της πιθανότητας σκέδασης κατά Raman (RSP) της ακτινοβολίας, χωρίς να είναι απαραίτητη η βαθμονόμηση των συστημάτων που πραγματοποιούν τις παρατηρήσεις. Τα φάσματα λαμβάνονται από τα συστήματα Φαέθων του Εργαστηρίου Φυσικής της Ατμόσφαιρας του ΑΠΘ και αναλύονται με τη μέθοδο DOAS για την εξαγωγή των αποτελεσμάτων. Χρησιμοποιείται το μοντέλο διάδοσης ακτινοβολίας της libRadtran για να εξεταστεί η ευαισθησία του RSP σε διάφορες παραμέτρους και από τα αποτελέσματα προκύπτει ότι το AOD και ο g είναι οι σημαντικότεροι παράγοντες που επηρεάζουν τις τιμές του RSP, κυρίως υπό συνθήκες χαμηλού οπτικού βάθους. Εξετάζονται συνολικά 8 ημέρες μετρήσεων, όπου οι μισές από αυτές εμφανίζουν πολύ χαμηλό οπτικό βάθος (AOD ~ 0.1 στα 440 nm), ενώ οι υπόλοιπες AOD&gt;0.2. Για κάθε ημέρα λαμβάνονται direct φάσματα σε χαμηλή ζενίθεια γωνία και πραγματοποιούνται almucantar μετρήσεις σε διάφορες σχετικές, ως προς τον Ήλιο, αζιμούθιες γωνίες (SRAAs), κρατώντας σταθερή την γωνία ανύψωσης. Τα αποτελέσματα του AOD και του g συγκρίνονται με τα αντίστοιχα δεδομένα ενός φωτομέτρου CIMEL που είναι και αυτό εγκατεστημένο στον ίδιο χώρο. Συμπερασματικά, οι τιμές του g μπορούν να εξαχθούν με επαρκή βεβαιότητα, κυρίως σε μεγάλες ζενίθειες γωνίες, ενώ για την περίπτωση του AOD, μόνο τιμές &lt;0.2 μπορούν να υπολογιστούν με ικανοποιητική ακρίβεια. Αντίθετα, για μεγαλύτερες τιμές του οπτικού βάθους, οι προσομοιώσεις δείχνουν ότι η τεχνική αυτή οδηγεί σε μη αξιόπιστα συμπεράσματα. Στα αποτελέσματα των μετρήσεων υπάρχει αρκετός θόρυβος, ειδικά στις ημέρες υψηλότερου AOD, ο οποίος οφείλεται, αφενός, στην ευαισθησία της μεθόδου και αφετέρου στην περιορισμένη ευαισθησία του φασματογράφου του οργάνου που χρησιμοποιήθηκε. Για τον λόγο αυτό, συνίσταται η χρήση της μεθόδου για τον προσδιορισμό μέσων ωριαίων ή μέσων ημερήσιων τιμών, καθώς μικρές μεταβολές του AOD και του g κατά τη διάρκεια μιας μέρας δεν γίνονται εύκολα αντιληπτές.
description: The global mean of aerosol optical depth at 550 nm over land is ~0.19 and over oceans is ~0.13. About 45% of the Earth surface shows AOD at 550 nm smaller than 0.1. Hence, there is a need for measurement techniques that are optimized to measure aerosol optical properties under low AOD conditions. Over the past decade the multi-axis differential optical absorption spectroscopy (MAX-DOAS) technique has been increasingly used to conduct simultaneous measurements of atmospheric trace gas species and their vertical distribution in the lowermost troposphere. In this study we present a new, inherently calibrated retrieval technique (i.e. no need for radiance calibration) to simultaneously measure the AOD and the aerosol phase function parameter, g, based on measurements of azimuth distributions of the Raman scattering probability (RSP). The analysis is carried out by using data of the Phaethon systems, which are located at the Laboratory of Atmospheric Physics of the Aristotle University of Thessaloniki. The data is analyzed with the DOAS technique and we employ radiative transfer model simulations to show that the RSP is maximally sensitive to changes in AOD and g under near-molecular scattering conditions. We examine solar spectra measured during 8 days, where half of them show very low optical depth (AOD ~ 0.1 at 440nm), while the rest of them show AOD&gt;0.2. For each day we measure direct sun spectra at low SZA and we calculate the RSP from scattered light spectra at different solar relative azimuth angles (SRAAs) using a constant elevation angle. We also compare the RSP-based retrievals of AOD and g with data from a co-located CIMEL sun photometer. Conclusively, the values of g can be retrieved with adequate accuracy at large SZAs, while only values of AOD&gt;0.2 can be retrieved with a relatively high precision. The RTM simulations show that this method cannot be used in order to retrieve higher AOD values. In addition, there is much noise in the analysis, especially during the days under high AOD conditions, which is caused not only by the sensitivity of the method, but also by the limited sensitivity of the spectrograph of the instrument. It is suggested that the method is used in order to retrieve daily mean or hourly mean values of the aerosol optical depth and the asymmetry factor, g, since small variations of their values might not be detected.