Remote sensing of the vertical distribution of gaseous pollutants and aerosols in the troposphere by differential optical absorption spectroscopy and comparison with satellite observations

Abstract

The aim of this thesis is the retrieval and investigation of trace gas and aerosol vertical distributions (profiles) and concentrations in the troposphere, by analyzing scattered solar radiation spectra using Multi-AXis Differential Optical Absorption Spectroscopy (MAX-DOAS) over Thessaloniki, Greece. The thesis is composed of four main parts. In the first part, a detailed description is provided of the MAX-DOAS systems that currently operate and perform spectral measurements at the Laboratory of Atmospheric Physics (LAP). The MAX-DOAS instrument (Phaethon) was further upgraded and calibrated in order to improve the quality of the measurements and to provide the capability for the retrieval of vertical profiles. Furthermore, a new, research-grade, MAX-DOAS system was developed and became operational, which is characterized by greatly improved accuracy and sensitivity. In the second part the methodology is presented for the retrieval of trace gas (specifically NO2 and HCHO) and aerosol vertical distributions and concentrations in the troposphere. The results of two independent inversion algorithms (which are based on different approaches) are assessed and intercompared. Their performance and the quality of the retrieved products are evaluated, and the MAX-DOAS data are validated using ancillary data measured by other collocated reference instruments. The third part of the thesis focuses on the investigation of the spatial and temporal variability of NO2 vertical columns and surface concentrations measured by Phaethon during the period 2020 – 2022. Their seasonal variation, diurnal and weekly cycles are investigated, as well as the NO2 levels measured at different azimuth viewing directions. The results are compared with in situ NO2 measurements, using data from a station of the network that is administrated by the Municipality of Thessaloniki, which is located near the Aristotle University of Thessaloniki. Finally, in the fourth part, observations of NO2 and HCHO tropospheric vertical column from the satellite instrument TROPOMI over Thessaloniki, Greece, are analyzed and validated by the ground-based MAX-DOAS instruments operating at LAP.

Το βασικό αντικείμενο της διατριβής είναι ο υπολογισμός και η μελέτη συγκεντρώσεων και κατακόρυφων κατανομών (προφίλ) αερίων ιχνών και αιωρούμενων σωματιδίων στην τροπόσφαιρα στην πόλη της Θεσσαλονίκης, αναλύοντας φάσματα σκεδαζόμενης ηλιακής ακτινοβολίας με φασματοσκοπία διαφορικής οπτικής απορρόφησης πολλαπλών διευθύνσεων (MAX-DOAS). Η παρούσα διατριβή αποτελείται από τέσσερα κύρια μέρη. Στο πρώτο μέρος γίνεται μια εκτενής περιγραφή των συστημάτων MAX-DOAS που πραγματοποιούν φασματικές μετρήσεις στο Εργαστήριο Φυσικής της Ατμόσφαιρας (ΕΦΑ). Στα πλαίσια της διατριβής το υπάρχον σύστημα (Phaethon) αναβαθμίστηκε και βαθμονομήθηκε, προκειμένου να βελτιωθεί η ποιότητα των μετρήσεων και να δοθεί η δυνατότητα υπολογισμού κατακόρυφων προφίλ, ενώ ταυτόχρονα υλοποιήθηκε η κατασκευή ενός νέου, πρότυπου, συστήματος εξαιρετικά βελτιωμένης ακρίβειας μετρήσεων και ευαισθησίας, το οποίο τέθηκε σε λειτουργία. Στο δεύτερο μέρος παρουσιάζεται η μεθοδολογία για τον υπολογισμό των κατακόρυφων κατανομών και συγκεντρώσεων αιωρούμενων σωματιδίων και αερίων ιχνών (NO2 και HCHO) στην τροπόσφαιρα, συγκρίνονται τα αποτελέσματα δυο αλγορίθμων αντιστροφής, οι οποίοι βασίζονται σε διαφορετικές τεχνικές, εξετάζεται η ποιότητα των μετρούμενων προϊόντων, ενώ οι παρατηρήσεις από τα συστήματα MAX-DOAS πιστοποιούνται από άλλα πρότυπα όργανα που λειτουργούν στο ΕΦΑ. Το τρίτο μέρος της διατριβής επικεντρώνεται στη μελέτη της χωρικής και χρονικής μεταβολής των κατακόρυφων στηλών και συγκεντρώσεων επιφανείας NO2 που μετρήθηκαν από το σύστημα Phaethon κατά τα έτη 2020 – 2022. Εξετάζεται η εποχική τους διακύμανση, οι ωριαίες και εβδομαδιαίες μεταβολές, καθώς και τα επίπεδα NO2 που μετρήθηκαν σε διαφορετικές αζιμούθιες διευθύνσεις. Τα αποτελέσματα συγκρίνονται και πιστοποιούνται από επιτόπιες μετρήσεις (in situ) NO2, χρησιμοποιώντας δεδομένα ενός σταθμού του δικτύου που διαχειρίζεται ο Δήμος Θεσσαλονίκης, ο οποίος βρίσκεται σε κοντινή απόσταση από το Α.Π.Θ. Τέλος, στο τέταρτο μέρος οι παρατηρήσεις τροποσφαιρικών κατακόρυφων στηλών NO2 και HCHO από το δορυφορικό όργανο TROPOMI πάνω από την πόλη της Θεσσαλονίκης αναλύονται και πιστοποιούνται από τα επίγεια όργανα MAX-DOAS του ΕΦΑ.