Μελέτη τροποσφαιρικών αερολυμάτων με επίγειες και δορυφορικές τεχνικές - ανάλυση μετρήσεων και στατιστική επεξεργασία

Abstract

Αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η μελέτη των τροποσφαιρικών αερολυμάτων με επίγειες και δορυφορικές τεχνικές, μέσω ανάλυσης των μετρήσεων για την ανάκτηση των οπτικών ιδιοτήτων και την στατιστική επεξεργασία τους. Στο πρώτο κεφάλαιο παρουσιάζουμε την υπάρχουσα διεθνή βιβλιογραφία, σχετικά με τις πηγές-προέλευση και τις οπτικές και μικροφυσικές ιδιότητες των τροποσφαιρικών αερολυμάτων, την επίδρασή τους στο γήινο κλίμα και στην ανθρώπινη υγεία. Το δεύτερο κεφάλαιο αναφέρεται σε μια γενικότερη επισκόπηση της τεχνικής lidar [light detection and ranging], καθώς επίσης και στις βασικές εξισώσεις που διέπουν τα συστήματα lidar με τα οποία ασχοληθήκαμε στην παρούσα διατριβή [lidar οπισθοσκέδασης, Raman lidar και lidar αποπόλωσης]. Στο τρίτο κεφάλαιο, παρουσιάζεται ο αναβαθμισμένος οπτικός σχεδιασμός [μέσω αναβαθμισμένων αλγορίθμων ελέγχου-βελτιστοποίησης συστημάτων Raman-lidar και οπτικών προσομοιώσεων με το λογισμικό οπτομηχανικού σχεδιασμού Zemax©], για τη βελτιστοποίηση του συστήματος Raman-lidar του ΕΜΠ [EOLE]. Στόχος της σχεδίασης αυτής ήταν η ελαχιστοποίηση της απόστασης πλήρους επικάλυψης του συστήματος σε αποστάσεις κάτω από τα 1000 m a.s.l. Επίσης παρουσιάζεται εκτενώς το νεοαποκτηθέν σύστημα lidar αποπόλωσης [AIAS] του Τομέα Φυσικής. Το τέταρτο κεφάλαιο, επικεντρώνεται κυρίως στο lidar αποπόλωσης και χωρίζεται σε 3 βασικά μέρη. Στο πρώτο, πραγματοποιείται η ανάλυση ευαισθησίας των υπαρχουσών τεχνικών βαθμονόμησης των συστημάτων lidar αποπόλωσης, με προσομοιώσεις, αλλά και με πειραματικά σήματα. Για την ανάκτηση του λόγου αποπόλωσης των σωματιδίων, αναπτύχθηκε ειδικός αλγόριθμος επεξεργασίας των σημάτων αποπόλωσης [γραφικό περιβάλλον Matlab©] και με βάση αυτόν τον αλγόριθμο, στο δεύτερο και τρίτο μέρος παρουσιάζεται η στατιστική επεξεργασία της σταθεράς βαθμονόμησης και του λόγου αποπόλωσης των σωματιδίων, όπως υπολογίσθηκαν από τα δύο χρόνια μετρήσεων του συστήματος AIAS [2011-2012], αντίστοιχα. Επιπλέον, στο πέμπτο κεφάλαιο, παρουσιάζονται οι οπτικές και μικροφυσικές ιδιότητες σωματιδίων ηφαιστειακής τέφρας και σωματιδίων ερημικής σκόνης στην ατμόσφαιρα πάνω από την Αθήνα. Για τα επεισόδια αυτά, εφαρμόσθηκε ειδικός αλγόριθμος [LIRIC] αντιστροφής σημάτων lidar για την ανάκτηση και της συγκέντρωσης των σωματιδίων, δίνοντας πλέον τη δυνατότητα στα συστήματα lidar να χρησιμοποιούνται σε μελέτες διακρίβωσης αριθμητικών προσομοιώσεων ατμοσφαιρικών μοντέλων [FLEXPART, BSC/DREAM8b]. Τέλος, το έκτο κεφάλαιο επικεντρώνεται σε επίγειες και δορυφορικές τεχνικές παθητικής τηλεπισκόπησης. Πιο συγκεκριμένα παρουσιάζεται η στατιστική ανάλυση δεδομένων τριών ετών [2006-2008], του οπτικού πάχους των αιωρούμενων σωματιδίων, όπως υπολογίσθηκε από το ηλιακό φωτόμετρο MFR, στην περιοχή της Αθήνας. Παρουσιάζεται επίσης, η συνεισφορά των διαφόρων πηγών σωματιδιακής ρύπανσης [ανά γεωγραφική περιοχή της Ευρώπης], στη μέση τιμή του οπτικού πάχους των σωματιδίων. Επίσης, πραγματοποιείται και μια σύγκριση 740 περίπου σύγχρονων χρονικά μετρήσεων των προαναφερόμενων επίγειων δεδομένων με τα αντίστοιχα δορυφορικά δεδομένα παθητικής τηλεπισκόπησης, όπως ανακτήθηκαν από τον δορυφορικό αισθητήρα MODIS. Στο έβδομο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα βασικά συμπεράσματα της εργασίας αυτής.

The main objective of this thesis is the study of tropospheric aerosols with ground-based and space-borne techniques, through statistical analysis of the retrieved aerosol optical properties. In the first chapter, we present the state of the art literature, concerning the sources and the optical-microphysical properties of tropospheric aerosols, as well as their impact on the Earth's climate and human health. The second chapter deals with a general overview of the existing lidar [light detection and ranging] techniques, as well as the basic formulation governing the lidar systems implemented in this thesis [lidar backscatter, Raman lidar and lidar depolarization]. In the third chapter, we present the enhanced optical design [based on upgraded algorithms for Raman lidar system optimization and optical simulations with the dedicated software Zemax©], of the optimized the Raman lidar NTUA’s system [EOLE]. The goal of this design, was the minimization of the distance of complete overlap, at ranges below 1000 m a.s.l.. In addition, the newly acquired depolarization lidar [AIAS], is extensively presented. The fourth chapter focuses mainly on the depolarization lidar and is divided into 3 parts. In the first part the sensitivity analysis of existing calibration techniques for depolarization lidar systems, either with simulations and with real signals is presented. For the retrieval of the particle depolarization ratio, a dedicated algorithm was developed for the processing of the depolarization lidar signals [GUI-Matlab©]. Based on this algorithm, the second and the third part present the statistical analysis of the systems calibration constant and the aerosol depolarization ratio, as those calculated from 2-year measurements with the AIAS system [2011-2012], respectively. The fifth chapter presents the optical and microphysical properties of different aerosols [volcanic dust and desert dust], over Athens. For these episodes, a dedicated inversion algorithm was applied [LIRIC], to retrieve the concentration of particles, giving more options to lidar systems to be used in calibration studies of numerical simulations of atmospheric models [FLEXPART, BSC/DREAM -8b]. Finally, the sixth chapter is focused on ground based and space borne passive remote sensing techniques. In particular, we present 3-year climatology [2006- 2008], of the aerosol optical depth, as retrieved by the ground based sun photometer MFR, in Athens. Furthermore, we also present the percentage of transboundary pollution that contributes to the mean AOD value in Athens. Finally, we present a comparison, of approximately 740 time- coincident cases, of aerosol optical properties, as retrieved by satellite sensor MODIS and a ground based sunphotometer, based on the passive remote sensing techniques.