Study of aerosol, trace gases and water vapour optical properties, using spectral measurements of solar irradiance

Θέμα της παρούσας διατριβής είναι η μελέτη των ατμοσφαιρικών στοιχείων και η ανάπτυξη μεθόδων για τον υπολογισμό φυσικών και οπτικών ιδιοτήτων τους, χρησιμοποιώντας φασματικές μετρήσεις της ηλιακής ακτινοβολίας. Στόχος της μελέτης είναι η ανάπτυξη μεθόδων για την βελτιστοποίηση της ακρίβειας των δεδομένων ατμοσφαιρικών μεταβλητών. Συγκεκριμένα, αναπτύχθηκε μέθοδος για τον υπολογισμό της κατακόρυφης στήλης όζοντος από τις μετρήσεις του οργάνου UVMFR κι εφαρμόστηκε σε δεδομένα 5 ετών, τα οποία συγκρίθηκαν με μετρήσεις από το όργανο Brewer και από δορυφόρο. Η βελτίωση της μεθόδου περιλαμβάνει την ποσοτικοποίηση της επιρροής στον υπολογισμό, τόσο της στρατοσφαιρικής θερμοκρασίας όσο και του οπτικού βάθους αερολυμάτων. Σημαντική για την χρήση της μεθόδου ήταν η σταθερότητα που έδειξαν τα αποτελέσματα σε μια χρονοσειρά 5 ετών. H διακρίβωση της κατακόρυφης στήλης όζοντος που υπολογίστηκε με αυτή την μέθοδο, συγκρίθηκε με μετρήσεις από επίγεια και δορυφορικά όργανα πρωτοποριακής τεχνολογίας και τα αποτελέσματα κατέδειξαν ικανοποιητική συμφωνία. Επίσης τα αποτελέσματα είχαν σταθερή ποιότητα σε όλη την χρονοσειρά, υποδεικνύοντας την δυνατότητα μακροπρόθεσμης χρήσης της μεθόδου.Δυο προσεγγίσεις χρησιμοποιήθηκαν για τον υπολογισμό της στήλης υδρατμών από μετρήσεις PSR. Η πρώτη μέθοδος ήταν μονοχρωματική, ακολουθώντας την προσέγγιση που χρησιμοποιείται στα ραδιόμετρα φίλτρων. Τα αποτελέσματα της συγκρίθηκαν με άλλα δεδομένα (από CIMEL, GPS, MWP, ραδιοβολίσεις) και βρέθηκε ότι το κανάλι των 946nm παρουσιάζει τα πιο αξιόπιστα αποτελέσματα. Η δεύτερη μέθοδος εκμεταλλεύεται την φασματική ανάλυση του οργάνου και υπολογίζει την στήλη υδρατμών χρησιμοποιώντας το φασματικό παράθυρο 934-948nm. Επίσης, αναπτύχθηκε μέθοδος για τον υπολογισμό της λευκαύγειας μονής σκέδασης στα υπεριώδη μήκη κύματος και εφαρμόστηκε σε μια πενταετή βάση δεδομένων. Δεδομένα από φωτόμετρο CIMEL χρησιμοποιήθηκαν για την αξιολόγηση των αποτελεσμάτων και την μελέτη της φασματικής συμπεριφοράς των απορροφητικών σωματιδίων. Σημαντική φασματική εξάρτηση παρατηρήθηκε στις περιπτώσεις με χαμηλό εκθέτη Ångström, συνοδευόμενα με μείωση της λευκαύγειας μονής σκέδασης και με την μείωση του οπτικού βάθους αερολυμάτων, καταδεικνύοντας την συσχέτιση με τη σύνθεση των αερολυμάτων. Σημαντικό είναι το γεγονός ότι μέρος της φασματικής διακύμανσης δεν μπορεί να προσδιοριστεί εξαιτίας της αβεβαιότητας υπολογισμού της λευκαύγειας μονής σκέδασης. Οι απορροφητικές ιδιότητες στο υπεριώδες της σκόνης και του καφέ άνθρακα ερευνήθηκαν για να εξηγηθούν οι εποχικές διακυμάνσεις.Τέλος, η υπεριώδης ακτινοβολία υπολογίστηκε και συγκρίθηκε, χρησιμοποιώντας διαφορετικές βάσεις δεδομένων για την λευκαύγεια μονής σκέδασης, για την Αθήνα την περίοδο 2009-2014. Χρησιμοποιήθηκαν δεδομένα από UVMFR, AERONET, AEROCOM και OMI. Η ακτινοβολία εκτιμήθηκε με την χρήση μοντέλου διάδοσης ακτινοβολίας. Οι ακτινοβολίες UVA και UVB υπολογίστηκαν και βρέθηκε ότι χρησιμοποιώντας τα δεδομένα από το UVFMR υπάρχει σημαντική μείωση. Οι επιδόσεις των υπολογισμών του μοντέλου αξιολογήθηκαν με μετρήσεις από Brewer στα 324nm.Συνοψίζοντας, η παρούσα διατριβή συνεισφέρει στην βελτίωση των κατανόησης και στον υπολογισμό ατμοσφαιρικών συστατικών που επηρεάζουν το φασματικό ισοζύγιο ακτινοβολιών του συστήματος Γη- Ατμόσφαιρα, όπως η στήλη του όζοντος, η στήλη υδρατμών και οι απορροφητικές ιδιότητες των αερολυμάτων. Για την περίπτωση της στήλης όζοντος, παρέχει ενδείξεις για την εγκυρότητα μιας σχετικά απλής μεθόδου που μπορεί να χρησιμοποιηθεί από φωτόμετρο φίλτρου και να συνεισφέρει στην αύξηση της παγκόσμιας επίγειας καταγραφής της μεταβλητής. Η μέθοδος που προτείνεται σχετικά με τους υδρατμούς, εκμεταλλεύεται την τεχνολογική πρόοδο των φασματικών μετρήσεων της ηλιακής ακτινοβολίας. Τέλος σε σχέση με τα αερολύματα υπάρχει σημαντική συνεισφορά στο ανοιχτό επιστημονικό ερώτημα της λευκαύγειας μονής σκέδασης στην υπεριώδη περιοχή του ηλιακού φάσματος.