Φυσικές ιδιότητες αιωρούμενων σωματιδίων με κλιματικό ενδιαφέρον στην ατμόσφαιρα της Ανατολικής Μεσογείου

Abstract

The climatic effect of atmospheric aerosol particles has not yet been fully clarified. The high spatial and temporal variability of aerosol concentrations makes the investigation of their physical and chemical properties in global scale crucial in order to estimate their total climatic effect. Mediterranean Basin aerosol is of special interest for global climate research since a variety of aerosol types can be found there, namely marine aerosols, anthropogenic aerosols and desert dust aerosols. The environmental research station of the University of Crete at Finokalia has been pointed out as an anchor station for the Eastern Mediterranean basin. The present work focuses on the physical properties of atmospheric aerosol particles at the station of Finokalia and three scientific goals have been distinguished: the study of aerosol particles size distributions in the area, the study of aerosol optical properties and the study of mineral dust events over the eastern Mediterranean. For the first time in the Eastern Mediterranean basin have the aerosol particle size distributions been measured on a regular basis and for a length of time long enough to investigate their temporal variations. Two separate periods of measurements took place, the first from July 2004 until January 2005 and the second from August until July 2005 and during both periods the same tendencies were revealed. The most important observation is the depletion of aerosol particles with smaller diameter than 50 nm. Two patterns of depletion have been observed. The first pattern is characterized by a gradual depletion of the particles. In general, this pattern is not necessarily related to diurnal variation of solar irradiance, as its initiation appeared in the late afternoon or even before sunrise. The second pattern occurred only during day time and the maximum depletion was observed at noon or in the early afternoon while the depletion rate was more rapid. Both the depletion intensity and the frequency of the depletion events, decreased from summer to winter. We compared these observations with simplistic box model simulations of the particle size distribution involving only condensation of sulfuric acid and coagulation on larger particles. Τhe agreement of observations and simulations for the second pattern of depletion suggests that condensation of sulfuric acid vapors and coagulation are the main factors controlling this phenomenon while for the first pattern the depletion of small particles must be attributed to some other semi-volatile species because of the low concentrations of sulfuric acid during nighttime. For the first time in the marine boundary layer of Eastern Mediterranean new particle formation events were observed as a reoccurring phenomenon. Moreover, the observation of nighttime new particle formation events is of great importance because of the scarcity of such observations. Daytime nucleation events were more frequent during winter months while nighttime events in summer.

Η επίδραση των αιωρούμενων σωματιδίων στο κλίμα δεν έχει αποσαφηνιστεί ακόμα πλήρως και η μελέτη των φυσικοχημικών τους ιδιοτήτων σε παγκόσμιο επίπεδο είναι απαραίτητη, καθώς η έντονη χωρική και χρονική μεταβλητότητα των συγκεντρώσεων των διαφόρων ειδών αερολυμάτων καθιστά την εκτίμηση της κλιματικής τους επίδραση σε παγκόσμιο επίπεδο εξαιρετικά δύσκολη. Η μελέτη των αιωρούμενων σωματιδίων στη λεκάνη της Μεσογείου παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον αφού εκεί απαντώνται διάφορα είδη αερολυμάτων, όπως σωματίδια θαλάσσιας προέλευσης, ανθρωπογενή αερολύματα και σωματίδια ορυκτογενούς σκόνης. Ο σταθμός δειγματοληψιών του Πανεπιστημίου Κρήτης στη Φινοκαλιά Λασιθίου έχει επισημανθεί ως αντιπροσωπευτικός σταθμός για την ευρύτερη περιοχή της Ανατολικής Μεσογείου. Η παρούσα εργασία επικεντρώνεται στη μελέτη των φυσικών ιδιοτήτων των αερολυμάτων στο σταθμό της Φινοκαλιάς και μπορεί να διαχωριστεί σε τρία μέρη, στη μελέτη των σωματιδιακών κατανομών μεγέθους των αιωρούμενων σωματιδίων, στη μελέτη των οπτικών τους ιδιοτήτων ενώ σε χωριστή ενότητα μελετάται η μεταφορά ορυκτογενούς σκόνης από την Αφρική λόγω της ιδιαιτερότητας που παρουσιάζουν αυτά τα φαινόμενα. Για πρώτη φορά στην περιοχή της Ανατολικής Μεσογείου μελετήθηκαν οι σωματιδιακές κατανομές μεγέθους των αερολυμάτων σε συνεχή βάση και για χρονικό διάστημα αρκετά μεγάλο ώστε να είναι δυνατή η διερεύνηση των εποχικών τους διακυμάνσεων. Η μελέτη καλύπτει δύο ξεχωριστές περιόδους, η πρώτη διήρκεσε από τον Ιούλιο του 2004 έως τον Ιανουάριο του 2005 και η δεύτερη από τον Αύγουστο έως τον Ιούλιο του 2005. Οι τάσεις που παρατηρήθηκαν ήταν κοινές και για τις δύο περιόδους. Η σημαντικότερη παρατήρηση αφορούσε την εξαφάνιση των σωματιδίων με διάμετρο μικρότερη από 50 nm. Παρατηρήθηκαν δύο πρότυπα εξαφάνισης. Το πρώτο χαρακτηρίζεται από σταδιακή εξαφάνιση με σχετικά μικρούς ρυθμούς εξαφάνισης και δε συσχετίζεται άμεσα με την ηλιακή ακτινοβολία καθώς η έναρξη του φαινομένου μπορεί να λάβει χώρα τις απογευματινές ώρες ή ακόμα και κατά τη διάρκεια της νύχτας. Το δεύτερο πρότυπο συνδέεται άμεσα με την ηλιακή ακτινοβολία καθώς παρατηρείται μόνο κατά τη διάρκεια της ημέρας και το μέγιστο της έντασης του φαινομένου παρατηρείται κατά τις μεσημεριανές ή απογευματινές ώρες ενώ ο ρυθμός εξαφάνισης των μικρών αερολυμάτων είναι μεγαλύτερος. Το φαινόμενο παρατηρείται εντονότερα τους καλοκαιρινούς μήνες ενώ τους χειμερινούς δεν παρατηρείται. Με τη χρήση ενός αριθμητικού μοντέλου δείχθηκε ότι ο μηχανισμός που ευθύνεται για την εμφάνιση του δεύτερου προτύπου είναι η συμπύκνωση ατμών θειικού οξέως στην επιφάνεια των μικρών σωματιδίων σε συνδυασμό με τη μεταξύ τους συσσωμάτωση ενώ το πρώτο πρότυπο, ελλείψει ικανών συγκεντρώσεων του θειικού οξέως κατά τη διάρκεια της νύχτας, αποδίδεται σε κάποια άλλη, αδιευκρίνιστη προς το παρών, ημιπτητική ένωση. Για πρώτη φορά επίσης παρατηρήθηκαν φαινόμενα σχηματισμού νέων σωματιδίων στο θαλάσσιο στρώμα ανάμιξης στην περιοχή ως ένα επαναλαμβανόμενο φαινόμενο. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζει το γεγονός ότι αν και στη διεθνή βιβλιογραφία τέτοια φαινόμενα παρατηρούνται κατά τη διάρκεια της ημέρας (πλην δύο περιπτώσεων) στη Φινοκαλιά παρατηρήθηκαν και νυκτερινά επεισόδια. Τα ημερήσια φαινόμενα σχηματισμού νέων σωματιδίων είναι συχνότερα τους χειμερινούς μήνες ενώ τα νυχτερινά είναι συχνότερα τους καλοκαιρινούς.