Spatial variability of atmospheric pollutants in the Greater Athens Area using remote sensing techniques

Abstract

The adverse health effects of urban air pollution on a large proportion of the world population living in urban environments, along with its impact on the climate, results to continuous, low-cost air monitoring and measurement validations being a necessity. This study is focused on the investigation of the temporal and spatial variation of certain atmospheric pollutants in the greater area of Athens, mainly using ground-based remote sensing techniques and in particular, the differential optical absorption spectroscopy (DOAS) technique. The visible and near-UV molecular absorption bands were used in this study for the DOAS measurements. The atmospheric pollutants that were measured with a Multi-Axis (MAX) DOAS instrument, are: nitrogen dioxide (NO2), formaldehyde (HCHO) and glyoxal (CHOCHO) and a detailed temporal and spatial distribution of these trace gases is provided; a consistent picture of the daily, weekly and seasonal variations is given. Oxygen dimer (O4) measurements were also used as input information in a retrieval algorithm for the calculation of the vertical distribution of the aerosol extinction. Lidar and sun-photometer measurements were used for the evaluation of the retrieved profiles. The MAX-DOAS technique proved to be a reliable method for measuring aerosol levels and their vertical distribution in the urban environment of Athens, thus, new perspectives have opened up for assessing urban aerosol pollution on a long term-basis in Athens from continuous and uninterrupted MAX-DOAS measurements. During the present study, the need to investigate the effect of the economic crisis to the air quality of the city has also risen: the increased price of heating oil resulted in an increase of biomass combustion for heating purposes, which in turn has led to severe smog episodes. Therefore, the combined effect of the reduced fossil fuel consumption and the increasing biomass combustion, as inferred from long-term carbon monoxide (CO) measurements and in conjunction with black carbon measurements, was examined. The importance of this study lies on the fact that it quantifies the diachronic changes in air pollution in Athens and associates it with several socioeconomic factors (e.g. measures, economic crisis, behavioural changes), while it can also be considered as a reference in the future for assessing and evaluating expected mitigation measures.

Οι δυσμενείς επιπτώσεις της αστικής ατμοσφαιρικής ρύπανσης στην υγεία σε μεγάλο ποσοστό του παγκόσμιου πληθυσμού που ζει σε αστικά περιβάλλοντα, σε συνδυασμό με τις κλιματικές επιπτώσεις της ατμοσφαιρικής ρύπανσης, καθιστούν αναγκαία τη συνεχή, χαμηλού κόστους παρακολούθηση της ποιότητας της ατμόσφαιρας. Η παρούσα διατριβή επικεντρώνεται στην εφαρμογή επίγειων μεθόδων τηλεπισκόπησης για τη μελέτη της χωροχρονικής κατανομής ατμοσφαιρικών ρύπων στο λεκανοπέδιο της Αττικής και έχει βασιστεί κατά κύριο λόγο στη διαφορική οπτική φασματοσκοπία απορρόφησης (DOAS-Differential Optical Absorption Spectroscopy) διάχυτης ηλιακής ακτινοβολίας. Η συγκεκριμένη τεχνική βασίζεται στις μοριακές δομές απορρόφησης στο ορατό και εγγύς υπεριώδες του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Οι αέριοι ρύποι που μελετήθηκαν στα πλαίσια της εργασίας με το σύστημα DOAS πολλαπλών διευθύνσεων (Multi Axis, MAX-DOAS) είναι το διοξείδιο του αζώτου (ΝΟ2), η φορμαλδεϋδη (HCHO) και η γλυοξάλη (CHOCHO). Έγινε επίσης υπολογισμός της κατακόρυφης κατανομής των αιωρούμενων σωματιδίων με χρήση αλγορίθμου και μετρήσεις διμερούς του οξυγόνου (Ο4), καθώς και εκτίμηση της αξιοπιστίας των υπολογισμών αυτών μέσω σύγκρισής τους με αντίστοιχα αποτελέσματα συστήματος lidar και ηλιακού φωτομέτρου. Συνολικά, δείχθηκε ότι το επίγειο σύστημα MAX-DOAS είναι ικανό να παρέχει αυτόνομες μετρήσεις ρουτίνας για τη μελέτη της χωροχρονικής κατανομής αερολυμάτων και αερίων ρύπων που επηρεάζουν την αστική φωτοχημεία.Τέλος, διερευνήθηκε η επίδραση της οικονομικής κρίσης των τελευταίων ετών στα επίπεδα της αστικής ρύπανσης: μελετήθηκε η επίπτωση της μειωμένης χρήσης ορυκτών καυσίμων και η παράλληλη αύξηση της χρήσης βιομάζας σε μακροχρόνιες μετρήσεις μονοξειδίου του άνθρακα (CO) σε συνδυασμό με μετρήσεις μαύρου άνθρακα.