Σχηματισμός και κλιματικές επιπτώσεις των αιωρούμενων σωματισδίων στην Ανατολική Μεσόγειο

Abstract

Aerosols can affect human health and environment. They provide surfaces for heterogeneous reactions in the atmosphere and they also affect visibility and climate. The Mediterranean, as a crossroad of air masses from different origin is affected by different aerosol types; anthropogenic pollution, forest fire plumes, desert dust transports from Sahara as well as natural aerosol from the surrounding continents and ocean contribute to the aerosol loading over this region. Satellite remote sensing techniques provide a great opportunity for the observation and the understanding of the aerosol’s behaviour since they allow systematic and extended spatial and temporal sampling of the atmosphere. In the present study, the Bremen AErosol Retrieval algorithm (BAER) has been applied to MERIS (Medium Resolution Imaging Spectrometer) and SeaWiFS (Sea-viewing Wide Field-ofview Sensor) data over the Mediterranean during the years 2002 and 2003. The ability of BAER to retrieve aerosol optical thickness (AOT) over areas affected by various aerosol sources including dust and fire plumes has been evaluated by comparison with the AERONET (Aerosol Robotic NETwork) observations, ground based measurements and model (TM4) results. The comparison of the AOT’s retrieved with BAER from MERIS and from SeaWiFs data with the AERONET observations (AOT at 440 nm) at eight different stations in the Mediterranean and during four months of the year 2003 shows large day-to-day variability in the retrieved AOT as well as in the AERONET data and slight underestimation in the AOT retrievals from the sensors compared to the AERONET data. The retrieved AOTs indicate that dust and fire plumes episodes lead to 20% higher values of aerosol optical thickness than observed under background conditions. The seasonal variability of the derived AOT has been also studied based on the retrieved AOT from MERIS and SeaWiFS and on the MODIS available product version 5. The retrieved AOTs maximize in summer when the Mediterranean basins are subject to good weather conditions characterized by low content in clouds and higher content in aerosol. The present study has also demonstrated the reliability of particulate matter (PM) retrievals from satellite remote sensing observations based on the SeaWiFS observations and comparison to PM10 ground based measurements. Finally, the aerosols effect on the energy balance of the Mediterranean has been evaluated based on the retrieved optical thickness from MERIS sensor and model results for February, April, August and October 2003. This investigation shows a significant aerosol effect with ΔF varying between -5 and -25 W/m2 and a seasonal variability with the maximum values occurring during summer.

Τα ατμοσφαιρικά αερολύματα, επιδρούν στην ανθρώπινη υγεία, τη χημεία της ατμόσφαιρας και το κλίμα του πλανήτη μας. H παρούσα μελέτη αφορά την εκτίμηση του σχηματισμού των ατμοσφαιρικών αερολυμάτων και την επίδρασή τους στο ενεργειακό ισοζύγιο της ατμόσφαιρας στην περιοχή της Ανατολικής Μεσογείου. H μελέτη επικεντρώθηκε στη χρονική περίοδο 2002 και 2003. Δόθηκε έμφαση στα περιστατικά μεταφοράς σκόνης από την Αφρική και ρυπαντών από την Κεντρική-Βορειοδυτική Ευρώπη και τα Βαλκάνια, ενώ μελετήθηκαν και επεισόδια πυρκαγιών στον Ελλαδικό χώρο που πραγματοποιήθηκαν τον Ιούλιο του 2000 και τον Αύγουστο του 2007. Για το σκοπό αυτό, πραγματοποιήθηκε η ανάκτηση του οπτικού πάχους (AΟΤ) από δορυφορικά δεδομένα διαφορετικών αισθητήρων (SeaWiFS και MERIS) σε διαφορετικές χωρικές αναλύσεις. Για τις ανακτήσεις αυτές εφαρμόστηκε η μέθοδος BAER, που έχει αναπτυχθεί στο Πανεπιστήμιο Βρέμης. Τα αποτελέσματα συγκρίθηκαν με δεδομένα επίγειων μετρήσεων από το διεθνές δίκτυο ηλιοφωτομέτρων AERONET, με το έτοιμο προϊόν ΑΟΤ από τον δορυφορικό αισθητήρα MODIS και με τα αποτελέσματα του 3-διάστατου παγκόσμιας κλίμακας μοντέλου ΤΜ4 του Ε.ΠΕ.ΧΗ.ΔΙ., που είναι ικανό να περιγράψει όλα τα κύρια συστατικά των αερολυμάτων στην ατμόσφαιρα. Επιβεβαιώθηκε η ευαισθησία του ανακτημένου με τη μέθοδο BAER οπτικού πάχους των αερολυμάτων στις παραμέτρους εισόδου και κυρίως στην ανάκλαση από την επιφάνεια της γης και στη μέθοδο αποκλεισμού των σύννεφων, τα οποία δρουν παρεμποδιστικά για τις ανακτήσεις του οπτικού πάχους των αερολυμάτων. Η σύγκριση του ανακτηθέντος οπτικού πάχους με τα δεδομένα AERONET έδειξε σχετικά καλή συμφωνία για τις περιπτώσεις επεισοδίων σκόνης, με το MERIS να υπερεκτιμά τα ΑΟΤ σχετικά με τις μετρήσεις του AERONET κατά 1-38% ανάλογα με την περιοχή και την ημέρα (συνολικά υπερεκτίμηση κατά 10%) και το SeaWiFS να τις υποεκτιμά ως 15% ή να τις υπερεκτιμά ως 16% ανάλογα με τη περιοχή και την ημέρα (συνολικό αποτέλεσμα υποεκτίμηση κατά 3%). Συγκρίνοντας επίσης τις περιπτώσεις των επεισοδίων σκόνης με τις περιπτώσεις καθαρής ατμόσφαιρας παρατηρήθηκαν περίπου 20% υψηλότερες τιμές οπτικού πάχους υπό την επίδρασης της ορυκτής σκόνης. Εξίσου σημαντικές τιμές ΑΟΤ ανακτήθηκαν και για περιπτώσεις έντονων πυρκαγιών τους καλοκαιρινούς μήνες του 2000 και 2007. Τα δεδομένα SeaWiFS χρησιμοποιήθηκαν επίσης για την ανάκτηση των επιπέδων σωματιδιακών ρύπων κοντά στην επιφάνεια (PM10). Η ανάκτηση PM10 από δορυφορικά δεδομένα είναι προς στιγμή δυνατή μόνο για μεγάλες τιμές οπτικού πάχους. i Η εποχική διακύμανση του οπτικού πάχους όπως παρατηρήθηκε με τους αισθητήρες SeaWiFS, MERIS και MODIS παρουσιάζει κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού τα υψηλότερα επίπεδα οπτικού πάχους (μέγιστες τιμές από 0.5 έως 0.7 από το MERIS) από ότι κατά τη διάρκεια των άλλων εποχών. Η παρατηρούμενη αυτή εποχικότητα είναι σε συμφωνία με την ανάλυση των παρατηρήσεων του AERONET και των επίγειων μετρήσεων για το PM10 στην περιοχή της ανατολικής Μεσογείου καθώς και με τα αποτελέσματα του 3-διάστατου παγκόσμιας κλίμακας μοντέλου μεταφοράς και χημείας ΤΜ4. Η Διαταραχή του ενεργειακού ισοζυγίου της ατμόσφαιρας υπολογίστηκε τόσο με βάση το οπτικό πάχος που ανακτήθηκε από τον αισθητήρα MERIS όσο και από το 3-διάστατο παγκόσμιο μοντέλο χημείας και μεταφοράς, ΤΜ4, για τους μήνες Φεβρουάριο, Απρίλιο, Αύγουστο και Οκτώβριο 2003. Παρατηρείται σημαντική επίδραση των ατμοσφαιρικών αερολυμάτων καθ’ όλη τη διάρκεια του έτους σε όλη την έκταση της Μεσογείου. Λόγω σκέδασης, προκαλείται απώλεια ενέργειας από το πάνω μέρος της ατμόσφαιρας (αρνητική τιμή ΔF) από -5 έως -25 W/m2, ανάλογα με την εποχή και την περιοχή με τη μέγιστη διαταραχή κατά τη διάρκεια των καλοκαιρινών μηνών.