To ατμοσφαιρικό ηλεκτρικό πεδίο ως εργαλείο μελέτης περιβαλλοντικών και βιολογικών διεργασιών και πρόγνωσης φυσικών καταστροφών

Abstract

The aim of the present doctoral dissertation is to investigate the influence of the atmospheric electric field by environmental and biological processes, as well as its potential application as a forecasting tool for natural disasters. The dissertation is structured into nine chapters, in addition to the introductory section. Chapter 1 presents the experimental dataset, the meteorological station and its instrumentation, as well as the methods employed for data analysis. Chapter 2 outlines the meteorological characteristics of the station’s surrounding area, accompanied by the results of meteorological and PG data analyses spanning the period from 2011 to 2022. Chapter 3 explores the relationship between meteorological parameters and PG, including an examination of the diurnal and seasonal variations of PG. Chapter 4 investigates PG in relation to lightning activity in the region of Thrace, analyzing its response based on the distance of lightning strikes, their isolated or clustered nature, and the prevailing synoptic weather conditions. Chapter 5 examines the impact of hydrometeors on PG. Case studies of rainfall, hail, and snowfall events are presented, along with their effects on PG using analyses ranging from one-second resolution to hourly mean. Additionally, the chapter includes findings from the analysis of PG data recorded in Athens during the period 1965 – 1980. It is also presented the investigation of Ionospheric and Atmospheric disturbances prior to three earthquakes in Mexico. Chapter 6 investigates the effect of synoptic weather systems on the exposure of the biosphere to atmospheric electric fields and it evaluates a novel measurement sensor and its relationship with PG and meteorological variables, utilizing sensitivity analysis to assess the interactions. Chapter 7 describes the development of the PG and meteorological parameter database and details the contribution of the Democritus University of Thrace to the GLOCAEM network. Chapter 8 investigates the influence of airborne particulate matter on PG, based on measurements obtained from a PurpleAir sensor and a Scanning Mobility Particle Sizer (SMPS) near our station. Results are also presented from PurpleAir sensors located in the cities of Komotini and Alexandroupoli, as well as from two sensors in the region of Xanthi, one situated at the university campus in Kimmeria and the other in the city center. Chapter 9 analyzes the influence of local meteorological conditions on PG. A linear regression model incorporating seven meteorological parameters, combined with sensitivity analysis, is used to determine the most influential factors affecting PG. Furthermore, frequency distributions of one-second PG measurements during rainfall, hail, and snowfall events are presented.

Σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η μελέτη της επιρροής του ατμοσφαιρικού ηλεκτρικού πεδίου από περιβαλλοντικές και βιολογικές διεργασίες όπως επίσης και η χρήση του ως εργαλείο πρόγνωσης φυσικών καταστροφών. Η παρούσα διδακτορική διατριβή διαρθρώνεται σε εννέα κεφάλαια πέραν της εισαγωγής. Στο πρώτο κεφάλαιο, παρουσιάζονται τα πειραματικά δεδομένα, ο σταθμός μέτρησης ηλεκτρικού δυναμικού και μετεωρολογικών παραμέτρων και τα όργανα που τον απαρτίζουν όπως και οι μέθοδοι ανάλυσής των δεδομένων. Στο δεύτερο κεφάλαιο, παρουσιάζεται η μετεωρολογία της περιοχής του σταθμού μέτρησης με αποτελέσματα των αναλύσεων των μετεωρολογικών δεδομένων και των δεδομένων του ηλεκτρικού δυναμικού από το 2011 έως και το 2022. Στο τρίτο κεφάλαιο, παρουσιάζεται η σχέση μεταξύ των μετεωρολογικών παραγόντων και του ηλεκτρικού δυναμικού, όπως επίσης και η ημερήσια και εποχική διακύμανση του ηλεκτρικού δυναμικού. Στο τέταρτο κεφάλαιο, μελετάται το ηλεκτρικό δυναμικό σε σχέση με την κεραυνική δραστηριότητα στην περιοχή της Θράκης και την επιρροή της σε αυτό, ανάλογα με την απόσταση των κεραυνών, τη μοναδικότητα ή όχι των κεραυνών, και ανάλογα με το συνοπτικό καιρικό σύστημα που επικρατεί στην περιοχή. Στο πέμπτο κεφάλαιο, ερευνώνται οι επιπτώσεις των υδρομετεώρων στο ηλεκτρικό δυναμικό. Παρουσιάζονται συμβάντα βροχοπτώσεων, χαλαζοπτώσεων και χιονοπτώσεων, και η επιρροή τους στο ηλεκτρικό δυναμικό από ανάλυση δευτερολέπτου έως και ανάλυση μέσης ώρας. Επίσης, παρουσιάζονται αποτελέσματα της ανάλυσης δεδομένων ηλεκτρικού δυναμικού της Αθήνας για την περίοδο 1965 – 1980. Επίσης, παρουσιάζεται η διερεύνηση των διαταραχών της Ιονόσφαιρας και της Ατμόσφαιρας πριν από τρείς σεισμούς στο Μεξικό. Στο έκτο κεφάλαιο, διερευνάται η επίδραση των συνοπτικών καιρικών συστημάτων στην έκθεση της βιόσφαιρας σε ατμοσφαιρικά ηλεκτρικά πεδία και μελετάται επίσης ένας νέος αισθητήρας και η σχέση του με το ηλεκτρικό δυναμικό και τους μετεωρολογικούς παράγοντες με ανάλυση ευαισθησίας (sensitivity analysis). Στο έβδομο κεφάλαιο, παρουσιάζεται ο τρόπος δημιουργίας της βάσης δεδομένων του ηλεκτρικού δυναμικού και των μετεωρολογικών παραγόντων, όπως επίσης και η συμβολή του Δ.Π.Θ. στο δίκτυο GLOCAEM. Στο όγδοο κεφάλαιο, μελετάται η επιρροή των αιωρούμενων σωματιδίων στο ηλεκτρικό δυναμικό με μετρήσεις από αισθητήρα PurpleAir και SMPS στην περιοχή πλησίον του σταθμού μέτρησης ηλεκτρικού δυναμικού και μετεωρολογικών παραμέτρων. Παρουσιάζονται επίσης τα αποτελέσματα μετρήσεων αιωρούμενων σωματιδίων με αισθητήρες PurpleAir στην πόλη της Κομοτηνής, της Αλεξανδρούπολης και από δύο αισθητήρες μέτρησης στην περιοχή της Ξάνθης (ο ένας αισθητήρας στην πανεπιστημιούπολη Κιμμερίων και ο άλλος στο κέντρο της πόλης). Τέλος στο ένατο κεφάλαιο, ερευνάται η επιρροή της τοπικής μετεωρολογίας στο ηλεκτρικό δυναμικό. Χρησιμοποιώντας μία εξίσωση γραμμικής παλινδρόμησης με επτά μετεωρολογικούς παράγοντες και ανάλυση ευαισθησίας (sensitivity analysis) καθορίστηκε ποιος μετεωρολογικός παράγοντας επηρεάζει περισσότερο το ηλεκτρικό δυναμικό. Παρουσιάζονται επίσης κατανομές συχνοτήτων του ηλεκτρικού δυναμικού ανάλυσης ενός δευτερολέπτου κατά τη διάρκεια βροχοπτώσεων, χαλαζοπτώσεων και χιονοπτώσεων.