Remote sensing of greenhouse gases with FTIR spectroscopy and estimate of their emissions

Abstract

A portable direct solar viewing Bruker EM27/SUN FTIR (Fourier Transform InfraRed) spectrometer has been installed in the urban city of Thessaloniki, Greece since January 2019, in the frame of the COllaborative Carbon Column Observing Network (COCCON), performing measurements of total column-averaged dry air mole fractions of greenhouse gases such as carbon dioxide (XCO2), methane (XCH4) and water vapor (XH2O) or carbon monoxide (XCO). Concerning the annual variability, the amplitude of the seasonal cycle in Thessaloniki’s CO2 concentrations follows the pattern of a typical mid-northern hemisphere COCCON site with a discernible seasonal variability and an interannual increase of about 2-3 ppm. XCO2 shows maximum concentrations with 424.94 ± 0.573 ppm, while a minimum is observed at 2019/07/22 with a value of 404.82 ± 0.602 ppm. XCO does not always show a pronounced annual cycle. XCO shows higher values during winter due to anthropogenic emissions (such as incomplete combustion of fossil fuels, heating during the cold period and industrial activities in the northern and north-western part of the city) and minimum during late spring and summer when hydroxyl radical (OH) concentrations are at its peak. Higher concentrations of XCO are found during summer 2021 and 2023 capturing extreme high concentrations (over 0.22 ppm) as a consequence of prolonged fire episodes. OH is a common sink of carbon monoxide (XCO) and methane (XCH4). XCH4 shows lower values at the beginning of the year up until spring, is rising during the summer, with the maximum appearing in autumn. The relative peak-to-peak change between years of observations is around 3.2% and an annual increase of over 11 ppb is observed in the region of Thessaloniki. The increase in XCH4 concentrations during summer can be attributed to both temperature rise or fire episodes and emissions from the rice cultivation period. Additionally, methane and carbon monoxide products obtained from the TROPOspheric Monitoring Instrument (TROPOMI), Sentinel-5P space borne sensor, are presented and compared with the ground-based measurements. We report a very good agreement between products. The mean relative bias for methane and carbon monoxide are 0.18 ± 0.582 % and -3.317 ± 4.109 %, respectively, falling well within the mission requirements. Furthermore, TROPOMI captures the temporal XCH4 variability, both the seasonal cycle with the profound summer increase. Short-scale temporal variations in the CO column captured by ground-based instruments are well reproduced by the satellite observations. Extremely high daily mean XCO concentrations indicate fire episodes. Copernicus Atmosphere Monitoring Service (CAMS) reanalysis data are used synergistically for examining the observed long-term changes. CAMS data follow the FTIR measurements with a pronounced seasonal cycle for XCH4 and XCO2 and a large variability in the case of XCO, while they underestimate XCH4 concentrations.

Ένα φορητό φασματοφωτόμετρο άμεσης ηλιακής ακτινοβολίας, Bruker EM27/SUN FTIR, έχει εγκατασταθεί στην αστική πόλη της Θεσσαλονίκης, στην Ελλάδα, από τον Ιανουάριο του 2019, στα πλαίσια του Συνεργιτικού Δικτύου Παρακολούθησης Ολικών Στήλων Άνθρακα (COCCON), που πραγματοποιεί μετρήσεις κατακόρυφων στηλών του μέσου όρου των μοριακών κλασμάτων ξηρού αέρα, αερίων του θερμοκηπίου, όπως το διοξείδιο του άνθρακα (XCO2), το μεθάνιο (XCH4) και οι υδρατμοί (XH2O) ή το μονοξείδιο του άνθρακα (XCO). Όσον αφορά την ετήσια μεταβλητότητα, το πλάτος του εποχιακού κύκλου στις συγκεντρώσεις του CO2 στην Θεσσαλονίκη, ακολουθεί την πορεία ενός σταθμού COCCON στο βόρειο ημισφαίριο, με ευδιάκριτη εποχιακή μεταβλητότητα η οποία έχει ετήσια αύξηση περίπου 2-3 ppm. Το XCO2 εμφανίζει μέγιστες συγκεντρώσεις της τάξης των 424,94 ± 0,573 ppm, ενώ η ελάχιστη παρατηρείται στις 22/07/2019 με τιμή 404,82 ± 0,602 ppm. Το XCO δεν εμφανίζει πάντα έντονο ετήσιο κύκλο. Το XCO εμφανίζει υψηλότερες τιμές κατά τη διάρκεια του χειμώνα σαν συνέπεια των ανθρωπογενών εκπομπών (ατελής καύση ορυκτών καυσίμων, θέρμανση κατά την ψυχρή περίοδο και βιομηχανικές δραστηριότητες στο βόρειο και βορειοδυτικό τμήμα της πόλης) και ελάχιστες στα τέλη της άνοιξης και το καλοκαίρι, όταν οι συγκεντρώσεις υδροξυλίου (ΟΗ) παρουσιάζουν μέγιστο. Υψηλότερες συγκεντρώσεις XCO εντοπίζονται το καλοκαίρι του 2021 και του 2023, καταγράφοντας εξαιρετικά υψηλές συγκεντρώσεις (πάνω από 0,22 ppm), ως συνέπεια των παρατεταμένων πυρκαγιών. Το OH αποτελεί κοινή καταβόθρα του μονοξειδίου του άνθρακα (XCO) και του μεθανίου (XCH4). Το XCH4 εμφανίζει χαμηλότερες τιμές στην αρχή του έτους μέχρι την άνοιξη, ενώ αυξάνεται το καλοκαίρι, με το μέγιστο να εμφανίζεται το φθινόπωρο. Η σχετική μεταβολή μεταξύ των ετών παρατηρήσεων είναι περίπου στο 3,2% και παρατηρείται ετήσια αύξηση άνω των 11 ppb στην περιοχή της Θεσσαλονίκης. Η αύξηση των συγκεντρώσεων του μεθανίου κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού μπορεί να αποδοθεί τόσο στην άνοδο της θερμοκρασίας όσο και στα επεισόδια πυρκαγιάς και στις εκπομπές κατά την περίοδο καλλιέργειας του ρυζιού. Στη συνέχεια, παρουσιάζονται τα προϊόντα μεθανίου και μονοξειδίου του άνθρακα που λαμβάνονται από το δορυφορικό όργανο παρακολούθησης της τροπόσφαιρας TROPOspheric (TROPOMI), αισθητήρα διαστημικού ελέγχου Sentinel-5P και συγκρίνονται με τις επίγειες μετρήσεις FTIR. Παρατηρείται μια πολύ καλή συμφωνία μεταξύ των επίγειων και δορυφορικών προϊόντων. Το δορυφορικό όργανο TROPOMI αποτυπώνει τη χρονική μεταβλητότητα του XCH4, τόσο τον εποχιακό του κύκλο όσο και την αύξηση κατά την περίοδο του καλοκαιριού. Ομοίως, για το CO, oι βραχείας κλίμακας χρονικές διακυμάνσεις του, όπως αυτές μετρούνται από το επίγειο όργανο, αναπαράγονται πολύ καλά από τις δορυφορικές παρατηρήσεις. Εξαιρετικά υψηλές ημερήσιες μέσες συγκεντρώσεις XCO υποδεικνύουν επεισόδια πυρκαγιάς. Τα δεδομένα της Υπηρεσίας Παρακολούθησης της Ατμόσφαιρας μέσω του προγράμματος Copernicus (CAMS), χρησιμοποιούνται συνεργητικά για τη σύγκριση αυτών των αποτελεσμάτων με τις μακροπρόθεσμες διακυμάνσεις των προϊόντων του φασματομέτρου FTIR. Η σύγκριση έδειξε ότι τα δεδομένα του μοντέλου CAMS ακολουθούν τις μετρήσεις FTIR με έντονο εποχιακό κύκλο για το XCH4 και το XCO2, με μεγάλη μεταβλητότητα στην περίπτωση του XCO, ενώ υποεκτιμούν τις συγκεντρώσεις του μεθανίου.