Remote Sensing from space for depicting the aerosol connection with atmospheric electricity

Πρωταρχικός στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής αποτελεί η κάλυψη των γνωστικών κενών σχετικά με το ρόλο των αερολυμάτων στον ατμοσφαιρικό ηλεκτρισμό, με επίκεντρο την επίδραση των αερολυμάτων στη διαμόρφωση της κεραυνικής δραστηριότητας. Προς αυτή την κατεύθυνση πραγματοποιήθηκε συνεργιστική χρήση δορυφορικών τεχνικών ενεργητικής και παθητικής τηλεπισκόπησης, με απώτερο στόχο τη μελέτη της πλήρους τρισδιάστατης δομής της ατμόσφαιρας σε όρους αερολυμάτων, τόσο κατά τη διάρκεια περιόδων ήπιων καιρικών συνθηκών όσο και κατά τη διάρκεια καταιγίδων. Παράλληλα, ενεργητική δορυφορική τηλεπισκόπηση χρησιμοποιήθηκε προς μελέτη τού τύπου των ατμοσφαιρικών αερολυμάτων στην διαμόρφωση κεραυνικής δραστηριότητας.Για τη διεξαγωγή αυτής της μελέτης χρησιμοποιήθηκαν παρατηρήσεις κεραυνικής δραστηριότητας από το σύστημα ZEUS, το οποίο λειτουργεί και συντηρείται από το Εθνικό Αστεροσκοπείο Αθηνών (ΕΑΑ), στην Ελλάδα. Για την οριζόντια κατανομή των αερολυμάτων χρησιμοποιήθηκαν παρατηρήσεις οπτικού βάθους από τον αισθητήρα MODIS, επί του ηλιοσύγχρονου δορυφόρου Aqua. Για την εξαγωγή της πληροφορίας της τρισδιάστατης κατανομής των αερολυμάτων πάνω από εκτεταμένες γεωγραφικές περιοχές, κρίθηκε απαραίτητη η χρήση τεχνικών ενεργητικής τηλεπισκόπησης με έμφαση στη χρήση δορυφορικών “light detection and ranging” (lidar). Κατά τη διάρκεια της διατριβής τα μόνα διαθέσιμα δορυφορικά συστήματα lidar ήταν τα: (i) Cloud Aerosol Lidar with Orthogonal Polarization (CALIOP) επί του δορυφόρου Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observations (CALIPSO) και το Cloud Aerosol Transport System (CATS) επί της πλατφόρμας International Space Station (ISS).Κατά το πρώτο στάδιο της εργασίας χρησιμοποιήθηκαν δορυφορικές παρατηρήσεις τόσο από παθητικούς όσο και από ενεργητικούς αισθητήρες τηλεπισκόπησης, σε συνέργεια με παρατηρήσεις κεραυνικής δραστηριότητας. Απώτερος στόχος αποτέλεσε η μελέτη της πλήρους τρισδιάστατης (3D) δομής των αερολυμάτων στην ατμόσφαιρα, τόσο κατά τη διάρκεια περιόδων ήπιων καιρικών συνθηκών όσο και κατά τη διάρκεια καταιγίδων. Προς την πραγμάτωση του στόχου αυτού έγινε χρήση παρατηρήσεων κεραυνικής δραστηριότητα από το σύστημα ZEUS, τιμές οπτικού βάθους αερολυμάτων στα 550 nm από τον αισθητήρα MODIS Aqua καθώς και κατακόρυφη δομή των αερολυμάτων από το σύστημα CALIOP CALIPSO. Γεωγραφική περιοχή μελέτης αποτέλεσε η ευρύτερη Μεσόγειος Θάλασσα, ενώ η περίοδος μελέτης εκτείνεται μεταξύ του 2005 και 2014. Τα αποτελέσματα έδειξαν το σημαντικό ρόλο των αερολυμάτων στη διαμόρφωση της κεραυνικής δραστηριότητας.Πιο συγκεκριμένα, όσον αφορά την οριζόντια κατανομή των αερολυμάτων, το μέσο οπτικό βάθος των ημερών που χαρακτηρίζεται από κεραυνική δραστηριότητα βρέθηκε υψηλότερο από το μέσο εποχιακό οπτικό βάθος στο 90% των περιπτώσεων. Επιπρόσθετα δείχθηκε ότι ο αριθμός των κεραυνών αυξάνεται με την αύξηση του οπτικού βάθους, καθώς και ότι η πιο έντονη αύξηση παρατηρείται κατά τη διάρκεια της καλοκαιρινής περιόδου και για τιμές οπτικού βάθους έως και 0,4. Παράλληλα, χρονοσειρές μεταβολών οπτικού βάθους και κεραυνικής δραστηριότητας κατέδειξαν την παρόμοια συμπεριφορά μεταξύ των εποχιακών ανωμαλιών του οπτικού βάθους και του αριθμού των ημερών με κεραυνική δραστηριότητα.Επιπροσθέτως της οριζόντιας χωρικής κατανομής των αερολυμάτων χρησιμοποιήθηκαν παρατηρήσεις του συστήματος CALIOP προκειμένου να μελετηθεί η κατακόρυφη κατανομή των αερολυμάτων, καθώς και ο τύπος τους, στη διαμόρφωση της κεραυνικής δραστηριότητας. Τα αποτελέσματα της μελέτης με χρήση CALIOP, όπως και στη περίπτωση της μελέτης με χρήση MODIS, κατέδειξαν τη σημαντικότητα των αερολυμάτων στη διαμόρφωση της κεραυνικής δραστηριότητας. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα της μελέτης, η κεραυνική δραστηριότητα ενισχύεται κατά τη διάρκεια ημερών που χαρακτηρίζονται από υψηλότερες τιμές οπτικού βάθους σε σύγκριση με τις ημέρες χαμηλότερου οπτικού βάθους. Οι τιμές του οπτικού βάθους από το CALIOP και της κεραυνικής δραστηριότητας χαρακτηρίζονται από συντελεστής συσχέτισης 0.73, ενώ στην περίπτωση της σύγκρισης της κεραυνικής δραστηριότητας και του ECMWF CAPE, ο αντίστοιχος συντελεστής βρέθηκε ίσος με 0.93. Η ανάλυση των τιμών εξασθένησης στα 532 nm έδειξε ότι υπάρχει ένα υψομετρικό εύρος μεταξύ 1,1 και 2,9 km, όπου οι συντελεστές εξασθένησης των περιπτώσεων κεραυνικής δραστηριότητας και των περιπτώσεων που δε χαρακτηρίζονται από κεραυνική δραστηριότητα είναι στατιστικά σημαντικά διαφορετικοί. Τέλος, με βάση την ταξινόμηση του τύπου των αερολυμάτων όπως αυτή πραγματοποιείται από τους αλγορίθμους του CALIPSO, δείχθηκε ότι τα αερολύματα polluted dust παρατηρούνται συχνότερα κατά τις ημέρες χωρίς κεραυνική δραστηριότητα, ενώ τα αερολύματα τύπου dust και smoke παρατηρούνται πιο συχνά στην ατμόσφαιρα κατά τη διάρκεια ημερών με κεραυνική δραστηριότητα.Το δεύτερο στάδιο της διδακτορικής διατριβής επικεντρώνεται στα αερολύματα τύπου ερημικής σκόνης. Η πολυπλοκότητα και η σημαντικότητα της ερημικής σκόνης στη διαμόρφωση της κεραυνικής δραστηριότητας οδήγησε στην ανάγκη αποσύνδεσης της συνιστώσας της καθαρής σκόνης από το συνολικό φορτίο των αερολυμάτων. Επιπρόσθετα, η ανάγκη αυτή προήλθε από το γεγονός ότι η ερημική σκόνη αποτελεί έναν από τους επικρατέστερους τύπους αερολυμάτων στην ευρύτερη γεωγραφική περιοχή της Μεσογείου. Με στόχο την κατανόηση των αερολυμάτων ερημικής σκόνης εφαρμόστηκαν προηγμένες μέθοδοι τηλεπισκόπησης οι οποίες αναπτύχθηκαν στο πλαίσιο του European Aerosol Research Lidar Network (EARLINET), με απώτερο στόχο την αποσύνδεση της συνιστώσας της καθαρής σκόνης από κάθε ετερόκλητο μείγμα διαφορετικών αερολυμάτων. Η σχετική μεθοδολογία πριν χρησιμοπoιηθεί, διακριβώθηκε έναντι του δικτύου αναφοράς AErosol RObotic NETwork (AERONET), και στη συνέχεια εφαρμόστηκε στην ευρύτερη περιοχή της Νότιας και Ανατολικής Ασίας. Η συγκεκριμένη περιοχή επιλέχθηκε λόγω των εκτεταμένων ανθρωπογενών εκπομπών με ταυτόχρονη παρουσία σωματιδίων ερημικής σκόνης. Με τη βοήθεια της περίπτωσης της Ασίας επιτεύχθηκε διαχωρισμός του τμήματος της καθαρής σκόνης από σύνολο των αερολυμάτων, αποφεύγοντας το θαλάσσιο άλας, το οποίο αποτελεί και βασικό τύπο αερολυμάτων στην περιοχή της Μεσογείου.Για την πραγμάτωση των απώτερων στόχων της διδακτορικής διατριβής χρησιμοποιήθηκαν εκτεταμένα διακριβωμένες μετρήσεις του συνόλου των παρατηρήσεων από CALIPSO, οι οποίες είναι χρήσιμες τόσο για τη μελέτη συγκεκριμένων ατμοσφαιρικών περιπτώσεων όσο και για μελέτες εκτεταμένης τρισδιάστατης κλιματολογίας. Για την μελέτη ωστόσο της ημερήσιας διακύμανσης των αερολυμάτων χρειάστηκε η αξιοποίηση παρατηρήσεων από τον μη πολικής τροχιάς αισθητήρα CATS. Ωστόσο δυστυχώς τα προϊόντα του CATS δεν ήταν διακριβωμένα. Για τις ανάγκες της παρούσας διδακτορικής διατριβής και με στόχο τη χρήση των CATS δεδομένων πραγματοποιήθηκε η διακρίβωση του CATS lidar. Η διακρίβωση της ποιότητας και αντιπροσωπευτικότητας του CATS πραγματοποιήθηκε μέσω της ενδελεχούς σύγκρισης, για πρώτη φορά, με τις παρατηρήσεις του επίγειου δικτύου lidars EARLINET. Η μελέτη αυτή αποτελεί το τρίτο και τελευταίο μέρος της παρούσας εργασίας. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η κατανομή των απόλυτων διαφορών μεταξύ CATS και EARLINET χαρακτηρίζεται από μέση τιμή -1,518e-04 km-1sr-1, γεωμετρικό μέσο -9,94e-05 km-1sr-1 και τυπική απόκλιση 6.634e-04 km-1sr-1. Συνολικά, η μελέτη κατέδειξε την υψηλής ποιότητας απόδοση του συστήματος CATS.