Μετρήσεις της άμεσης ηλιακής ακτινοβολίας και εφαρμογές στην τηλεπισκόπηση ατμοσφαιρικών παραμέτρων

Abstract

The objective of this doctorate thesis is the development of a new spectrometer, which was named Phaethon, capable in measuring all three components of solar radiation: direct and global irradiance and sky radiance in the spectral region 300-1000 nm. The objective of the development of the new instrument is the calculation of various atmospheric parameters which can be retrieved from these measurements such as the aerosol optical depth and the total column of atmospheric gases (e.g. ΝΟ₂, Ο₃, Ο₄, Η₂Ο, SΟ₂). Concisely in the thesis are presented the planning and manufacture of technical components of the instrument, the optical and radiometric characterization, the quality assessment of primary radiance measurements, the development or adaptation of retrieval methodologies of the calculation of various atmospheric parameters and evaluation of the products quality. In the introductory chapter selected topics from the fundamentals of solar radiation transfer in the atmosphere are presented. Moreover the complementary instruments used in the thesis are described. In the 1st chapter the technical description of Phaethon spectrometer is presented along with the detailed description of the optical characterization measurements. The methodologies followed according to the established international standards, are described along with the results of absolute calibration, the determination spectral response for the three types of measurements, the determination of various technical characteristics, as the signal to noise ratio, the shape and bandwidth of the slit function, the spectral calibration of the pixel number, the noise equivalent (ir)radiance, the linearity of the detector and the characterization of the input optics. Finally, based on the characterization results, the expected uncertainties in the spectral measurements are accessed. In the 2nd chapter the evaluation of the quality of the measurements of Phaethon spectrograph is presented. The results were derived from comparison of parallel measurements with other instruments, whose stability and reliability has been already certified. Phaethon was used in six experimental campaigns during the period 2005-2009. Selected applications of those measurements, in addition to the comparison results, are presented in the 3rd chapter. In the 4th chapter the application of the differential optical absorption method (DOAS) for the retrieval the NO₂ total column using direct sun and sky radiance measurements is investigated.

H διδακτορική διατριβή αφορά στην ανάπτυξη ενός νέου φασματοφωτόμετρου, το οποίο ονομάστηκε Φαέθων, με δυνατότητα μέτρησης τριών συνιστωσών της ηλιακής ακτινοβολίας: την ροή της άμεσης και της ολικής ακτινοβολίας και την ένταση της διάχυτης ηλιακής ακτινοβολίας στη φασματική περιοχή 300-1000 nm. Απώτερος στόχος είναι ο υπολογισμός διαφόρων ατμοσφαιρικών παραμέτρων που μπορούν να προκύψουν από τις μετρήσεις αυτές, όπως το οπτικό βάθος των ατμοσφαιρικών αιωρημάτων και η κατακόρυφη στήλη ατμοσφαιρικών αερίων (ΝΟ₂, Ο₃, Ο₄, Η₂Ο, SΟ₂, κ.α.). Συνοπτικά στη διατριβή παρουσιάζεται ο σχεδιασμός και κατασκευή των τεχνικών τμημάτων του οργάνου, ο οπτικός και ραδιομετρικός χαρακτηρισμός του οργάνου, η αξιολόγηση των πρωτογενών μετρήσεων ακτινοβολίας και η ανάπτυξη ή προσαρμογή μεθοδολογιών υπολογισμού διαφόρων ατμοσφαιρικών παραμέτρων με παράλληλη αξιολόγηση της ποιότητας των προϊόντων αυτών. Στο εισαγωγικό κεφάλαιο της διατριβής γίνεται αναφορά στην ηλιακή ακτινοβολία και την διάδοση της στην ατμόσφαιρα, καθώς και στις μετρήσεις της και τα ακτινομετρικά μεγέθη που χρησιμοποιούνται. Τέλος περιγράφονται τα όργανα, των οποίων οι μετρήσεις χρησιμοποιήθηκαν στα πλαίσια της διατριβής. Στο 1ο κεφάλαιο παρατίθεται η τεχνική περιγραφή του οργάνου Φαέθων και περιγράφεται λεπτομερώς ο οπτικός χαρακτηρισμός του. Σύμφωνα με τα καθιερωμένα διεθνή πρότυπα, περιγράφονται οι μεθοδολογίες και τα αποτελέσματα της απόλυτης βαθμονόμησης, του προσδιορισμού της φασματικής απόκρισης για τους τρεις τύπους μετρήσεων, του προσδιορισμού διαφόρων τεχνικών χαρακτηριστικών, όπως το σήμα σκότους, το σχήμα και εύρος της συνάρτησης σχισμής, η βαθμονόμηση των στοιχείων του ανιχνευτή ως προς το μήκος κύματος, η ελάχιστη ανιχνεύσιμη ακτινοβολία, η γραμμικότητα του συστήματος και το οπτικό σύστημα εισόδου της ακτινοβολίας. Τέλος, με βάση το χαρακτηρισμό, γίνεται εκτίμηση της αναμενόμενης αβεβαιότητας των μετρήσεων. Στο 2ο κεφάλαιο παρουσιάζεται η αξιολόγηση των μετρήσεων του οργάνου Φαέθων, συγκρίνοντας παράλληλες μετρήσεις με άλλα φασματοφωτόμετρα, των οποίων η σταθερότητα και αξιοπιστία της λειτουργίας τους και των μετρήσεων τους έχουν ήδη πιστοποιηθεί. Το όργανο χρησιμοποιήθηκε σε 6 πειραματικές εκστρατείες κατά την περίοδο 2005-2009. Επιλεγμένες εφαρμογές των μετρήσεων αυτών, εκτός από την αξιολόγηση του οργάνου, παρουσιάζονται στο 3ο κεφάλαιο. Στο 4ο κεφάλαιο διερευνάται η εφαρμογή της μεθόδου της οπτικής διαφορικής απορρόφησης για τον υπολογισμό της ολικής στήλης του ΝΟ₂ με τη χρήση μετρήσεων της άμεσης αλλά και της έντασης της διάχυτης ηλιακής ακτινοβολίας.