On the future evolution of UV and visible solar radiation arising from projected changes in atmospheric composition

Abstract

The aim of this thesis is to study future changes in solar radiation reaching the Earth’s surface, with the goal of calculating quantities that affect life on Earth, such as human health and ecosystems. In our study, we use state-of-the-art data from Earth system models to assess these changes and examine how they will influence surface UV radiation levels. The study spans from the mid-20th century to the end of the 21st century, considering three socioeconomic scenarios that will also impact atmospheric conditions. The first chapter of the thesis provides a general overview of the research topic. In the second chapter, we present a detailed analysis of the main variables affecting solar UV radiation levels, including total ozone, aerosol optical depth, clouds, and surface reflectivity, using data from CMIP6 models. Additionally, we compare our data with results from other models to evaluate the overall agreement. The third chapter presents the results for the UV Index, effective irradiance for DNA damage, vitamin D production, and plant growth, using simulations performed with a radiative transfer model included in the software package libRadtran. Furthermore, we analyze the contribution of each factor to changes in the UV Index. Chapter 4 explores the temporal and spatial variability of various aerosol types simulated by an Earth system model, as well as their impact on UV radiation levels. Finally, Chapter 5 presents a summary and the key conclusions.

Ο στόχος αυτής της διατριβής είναι η μελέτη των μελλοντικών μεταβολών της ηλιακής ακτινοβολίας που φτάνει στην επιφάνεια της Γης, με σκοπό τον υπολογισμό διάφορων βιολογικών παραμέτρων στη Γη, όπως η ανθρώπινη υγεία και τα οικοσυστήματα. Στη μελέτη μας χρησιμοποιούμε πρόσφατα δεδομένα από μοντέλα του Γήινου Συστήματος, προκειμένου να αξιολογήσουμε αυτές τις μεταβολές και να εξετάσουμε πώς θα επηρεάσουν τα επίπεδα της υπεριώδους (UV) ακτινοβολίας στην επιφάνεια της Γης. Η μελέτη καλύπτει την περίοδο από τα μέσα του 20ου αιώνα έως το τέλος του 21ου αιώνα, λαμβάνοντας υπόψη τρία κοινωνικοοικονομικά σενάρια, τα οποία θα επηρεάσουν επίσης τις ατμοσφαιρικές συνθήκες. Το πρώτο κεφάλαιο της διατριβής παρέχει μια γενική επισκόπηση του ερευνητικού θέματος. Στο δεύτερο κεφάλαιο, παρουσιάζουμε μια λεπτομερή ανάλυση των κύριων μεταβλητών που επηρεάζουν τα επίπεδα της ηλιακής UV ακτινοβολίας, όπως η ολική ποσότητα όζοντος, το οπτικό βάθος των αερολυμάτων, τα νέφη και η ανακλαστικότητα της επιφάνειας, χρησιμοποιώντας δεδομένα από τα μοντέλα CMIP6. Επιπλέον, συγκρίνουμε τα δεδομένα μας με αποτελέσματα από άλλα μοντέλα, ώστε να αξιολογήσουμε τον βαθμό συμφωνίας τους. Το τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζει τα αποτελέσματα για τον Δείκτη UV, την ενεργό ακτινοβολία για τη καταστροφή του DNA, την παραγωγή βιταμίνης D και την ανάπτυξη των φυτών, μέσω προσομοιώσεων που πραγματοποιήθηκαν με τη χρήση του μοντέλου διάδοσης ακτινοβολίας που περιέχεται στο λογισμικό πακέτο της libRadtran. Επιπλέον, αναλύουμε τη συμβολή κάθε παράγοντα στις μεταβολές του Δείκτη UV. Το κεφάλαιο 4 εξετάζει τη χρονική και χωρική μεταβλητότητα διαφόρων τύπων αερολυμάτων που προσομοιώνονται από ένα μοντέλο συστήματος Γης, καθώς και την επίδρασή τους στα επίπεδα υπεριώδους ακτινοβολίας. Τέλος, το κεφάλαιο 5 παρουσιάζει μία σύνοψη και τα βασικά συμπεράσματα της εργασίας.