Investigation of atmospheric ozone with remote sensing spectroscopy

Abstract

This thesis is devoted to the study of the total ozone column with remote sensing techniques. Total ozone column can be derived through remote sensing techniques from both ground-based and satellite instruments. High quality measurements of the total ozone column from the ground are needed for estimating changes of very small magnitude in the ozone trends and for validating satellite measurements. These changes can be related either with the decreases in the ozone depletion substances, or with factors of dynamical origin, mostly linked with human induced climate changes. Thus, their study can provide valuable information for the processes that affect the ozone layer. The ozone retrieval algorithm of Brewer spectrophotometers was thoroughly examined, for the effect of a possible replacement of the ozone absorption cross-sections that are currently used, with newer, high-resolution spectroscopic datasets. Furthermore, the effect of the temperature dependence of the ozone cross-sections which is currently ignored in the standard Brewer ozone retrieval algorithm was investigated. The aim for this study was to contribute to the higher accuracy total ozone column retrieval from Brewer spectrophotometers. Moreover, the variability, in different time scales, of a thirty-year record of total ozone column measurements over Thessaloniki was examined. The total ozone column cannot be assumed stable throughout the day, since it exhibits different daily patterns of variation. The dominant is the monotonic increase, especially during summer, connected with the evolution of the near surface ozone due to the enhanced photochemical activity. The day-to-day variations are more pronounced during winter, because of the higher dynamical variability and are almost negligible during summer. In the long-term, the TOC over Thessaloniki exhibited a decline in the period 1982-1996, attributable to the increase in the ozone depletion substances, while after 1996 there is a stabilization or a small increase, though not statistical significant. This indicates that the ozone layer over Thessaloniki has started to “respond” to the reduction of the abundance of the ozone depletion substances, following the successful implementation of the Montreal’s protocol. Finally, the year-to-year variability is highly determined from the extreme events in the TOC time series. These can be of chemical origin (i.e. from volcanic eruptions) or dynamical origin (i.e. NAO) and influence the levels of the ultraviolet irradiance reaching the earth’s surface. However, in urban areas such as Thessaloniki, this effect can be masked from the high aerosol load. In this thesis are presented evidences of the important influences by the aerosol optical depth levels, even under conditions of extreme-low ozone events.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή επικεντρώνεται στη μελέτη της ολικής στήλης του όζοντος με μεθόδους φασματοφωτομετρικής τηλεπισκόπησης. Η ολική στήλη του όζοντος μπορεί να προσδιοριστεί με τηλεσκοπικές τεχνικές, είτε από επίγεια, είτε από δορυφορικά όργανα. Επίγειες μετρήσεις της ολικής στήλης του όζοντος, υψηλής ακρίβειας, είναι απαραίτητες τόσο για την εκτίμηση των αλλαγών στις γραμμικές τάσεις του όζοντος, που μπορεί να είναι πολύ μικρές σε μέγεθος, όσο και για την πιστοποίηση των δορυφορικών δεδομένων. Οι μεταβολές στις γραμμικές τάσεις, μπορεί να συνδέονται είτε με τη μείωση της συγκέντρωσης των ενώσεων που καταστρέφουν το όζον, είτε με άλλους παράγοντες, δυναμικής κυρίως φύσεως, που συνδέονται με την ανθρωπογενή κλιματική αλλαγή. Για αυτό το λόγο, η μελέτη τους μπορεί να μας προσφέρει πολύτιμες πληροφορίες σχετικά με τις διαδικασίες που επηρεάζουν το στρώμα του όζοντος.Ο αλγόριθμος προσδιορισμού της ολικής στήλης του όζοντος από μετρήσεις φασματοφωτομέτρων τύπου Brewer, μελετήθηκε ενδελεχώς, για την επίδραση που θα επέφερε μια πιθανή αντικατάσταση των συντελεστών ενεργούς απορρόφησης του όζοντος, στην προσδιοριζόμενη ολική στήλη του όζοντος. Επιπλέον, διερευνήθηκε η επίδραση της θερμοκρασιακής εξάρτησης των συντελεστών ενεργούς απορρόφησης, η οποία δεν λαμβάνεται υπόψη στον παρόντα αλγόριθμο του Brewer. Απώτερος στόχος αυτής της μελέτης, ήταν να συνεισφέρει στον προσδιορισμό της ολικής στήλης του όζοντος από μετρήσεις φασματοφωτομέτρων Brewer, με μεγαλύτερη ακρίβεια.Επίσης, εξετάσθηκαν οι μεταβολές που συμβαίνουν στην ολική στήλη του όζοντος, σε διαφορετικές χρονικές κλίμακες, αναλύοντας την 30ετή χρονοσειρά της Θεσσαλονίκης. Η ολική στήλη του όζοντος δεν μπορεί να θεωρηθεί ότι είναι σταθερή κατά της διάρκεια της ημέρας, καθώς παρουσιάζει διαφορετικές ημερήσιες διακυμάνσεις. Η κυρίαρχη διακύμανση είναι η μονότονη αύξηση μέσα στην ημέρα, η οποία συνδέεται με την ημερήσια πορεία των επιπέδων του επιφανειακού όζοντος, λόγω της ενισχυμένης φωτοχημικής δραστηριότητας. Η από μέρα σε μέρα διακυμάνσεις της ολικής στήλης του όζοντος είναι πιο έντονες κατά τη διάρκεια των χειμερινών μηνών, εξαιτίας των εντονότερων διακυμάνσεων δυναμικής φύσεως, ενώ το καλοκαίρι είναι σχεδόν αμελητέες. Οι μακροχρόνιες γραμμικές τάσεις του όζοντος παρουσιάζουν μείωση κατά τη χρονική περίοδο 1982 – 1996, η οποία οφείλεται στην αύξηση των επιπέδων των ενώσεων που καταστρέφουν το όζον, ενώ μετά το 1997 παρουσιάζεται μια σταθεροποίηση, ακολουθούμενη από μικρή αύξηση, η οποία όμως είναι μη στατιστικά σημαντική. Αυτό υποδεικνύει ότι η ολική στήλη του όζοντος στη Θεσσαλονίκη έχει αρχίσει να ανταποκρίνεται στην μείωση της συγκέντρωσης των ενώσεων που καταστρέφουν το στρώμα του όζοντος, αποτέλεσμα της επιτυχούς εφαρμογής του Πρωτοκόλλου του Μόντρεαλ. Εν τέλει, ένα μεγάλο μέρος της ετήσιας διακύμανσης της ολικής στήλης του όζοντος, μπορεί να αποδοθεί στην εμφάνιση των ακραίων γεγονότων στη χρονοσειρά του όζοντος. Αυτά μπορεί να είναι είτε χημικής (π.χ. λόγω ηφαιστειακών εκρήξεων) είτε δυναμικής (π.χ. λόγω της Κύμανσης του Βόρειου Ατλαντικού) προέλευσης και επηρεάζουν τα επίπεδα της υπεριώδους ακτινοβολίας που φθάνουν στο έδαφος. Παρόλα αυτά, σε αστικές περιοχές όπως η Θεσσαλονίκη η επίδραση αυτή μπορεί να μετριαστεί από την υψηλή συγκέντρωση των αιωρούμενων σωματιδίων. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή, παρουσιάζονται αποδείξεις για τη σημαντική επίδραση του οπτικού βάθους των αιωρούμενων σωματιδίων στα επίπεδα της υπεριώδους ακτινοβολίας, ακόμα και σε περιπτώσεις με ακραίες χαμηλές τιμές της ολικής στήλης του όζοντος.