Optical, microphysical and physico-chemical properties of aerosols using in situ and remote sensing measurements in Athens Metropolitan and the Eastern Mediterranean area

Abstract

The main objective of this Ph.D. Thesis was to study the concentration, physical properties,and chemical composition of aerosols and their contribution to cloud formation in the EasternMediterranean, with emphasis on the Athens Metropolitan Area, using in situ and remote sensing measurement techniques. Other objectives include the contribution to new methods to deduct properties of the atmospheric aerosol and the comparison of aerosol measurements conducted by in situ and remote sensing instruments. This Thesis is structured in five chapters. In Chapter 1, we present the physical, chemical and optical properties of aerosols, their impact on climate and health, and the factors affecting aerosol concentration in the study area. We also present the NTUA Raman Lidar (EOLE) and the operation principle of Wind Doppler Lidar. In Chapter 2, we introduce the current situation of aerosol particle number concentration in City-Centre Urban Background, Urban Background and Regional Background stations in Greece. Based on the diurnal variations and previous studies, main sources for the City-Centre Urban Background station that were identified are traffic (freshly emitted and aged) and the regional background concentration. Sources for the Urban Background stations include fresh traffic and nucleation, aged traffic and cooking, and the regional background concentration. The Regional Background station dominant sources are local aged sources (cooking and other sources related to tourism) and the regional background concentration. Size distribution modal analysis was applied to the particle number concentration data and the results were subsequently divided in clusters. If we make the assumption that the accumulation cluster identified at the Regional Background station corresponds to the transported from other areas particle fraction, and use the median number concentration from each cluster, we conclude that 18% of the particle number distribution is transported at the City-Centre Urban Background site, 37% at the Urban Background sites, and 59% at the RegionalBackground site. Based on the air mass origin clustering of the regional background concentration, we concluded that the regional particle number concentrations when air masses originate from the Mediterranean Sea is much lower than when they originate from the North-East and North-West direction. Etesian flow conditions were found to increase the regional background particle concentration in the Mediterranean basin by a factor of 2.5 to 4. Chapter 3 deals with the deduction of a new method to retrieve the real part of the equivalent refractive index of atmospheric aerosols by combining the size distributions obtained by a ScanningMobility Particle Sizer (SMPS) and an Optical Particle Counter (OPC). The objective is to show that size distribution data acquired at in situ measurement stations can provide an insight to the physical and chemical properties of aerosol particles, leading to better understanding of aerosol impact on human health and earth radiative balance. The resulting ERI could be used in radiative transfer models to assess aerosol forcing direct effect, as well as an index of aerosol chemical composition.To validate the method, a series of calibration experiments were performed using compounds with known refractive index (RI). This led to a corrected version of the ERI values, (ERI COR ). The ERI COR values were subsequently compared to model estimates of RI values, based on measured P M 2.5 chemical composition, and to aerosol RI retrieved values by inverted lidar measurements on selected days. The subject of Chapter 4 is to find the atmospheric conditions that allow the direct comparison of in situ and remote sensing measurements. This is a very important point as it will allow collocating in situ and remote sensing aerosol measurement stations to combine their measurements, so as to investigate the vertical mixing of aerosols and acquire a profile of aerosol properties extending from ground level to several km above ground level (agl). Thus, we will obtain an insight on how regional aerosol is added to local aerosol, especially during pollution events due to long range transport(Sahara dust, Biomass Burning, etc.). On selected days that displayed significant turbulence up to approximately 1,000 m above ground level (agl), we acquired the aerosol extinction or scattering coefficient by in situ instruments using three methods. In the first method the aerosol extinction coefficient was acquired by adding a Nephelometer scattering coefficient in ambient conditions and an Aethalometer absorption coefficient. The correlation between the in situ and remote sensing instruments was good (coefficient of determination R 2 equal to 0.74). In the second method we acquired the aerosol refractive index by fitting dry Nephelometer and Aethalometer measurements with Mie code calculations of the scattering and absorption coefficients for the size distribution up to 1,000 nm obtained by in situ instruments. The correlation in this case was reasonably good (R2 equal to 0.62). Our next step was to compare the extinction coefficient acquired by remote sensing instruments to the scattering coefficient calculated by Mie code using the size distribution up to 1,000 nm and ERI COR , which is the real part of the equivalent refractive index acquired by the comparison of the size distributions obtained by a Scanning Mobility Particle Sizer (SMPS) and an Optical Particle Counter (OPC). The agreement between the in situ and remote sensing instruments in this case was not good (R 2 equal to 0.45). The last comparison for the selected days was betweenthe aerosol extinction Ångström exponent acquired by in situ and remote sensing instruments. The correlation was not good (R 2 equal to 0.4), probably due to differences in the number size distributions present in the air volumes measured by in situ and remote sensing instruments. Nevertheless, if turbulent conditions prevail in the atmosphere, extending from ground level up to the height at which the lidar measurements take place, good agreement between the extinction coefficients of in situ and remote sensing instruments can be achieved, as indicated by the first two methods mentioned earlier. Furthermore, we also present a day that a Saharan dust event occurred in Athens. At first, the Saharan dust layer was evident in lidar measurements at a height of 2,000 m agl. Due to the high turbulence in the atmosphere, in the afternoon the Saharan dust layer gradually descended to ground level and it was detected by in situ instruments. The origin of air masses from North Africa reaching Athens was also depicted by FLEXPART air mass transport model 3-hourly plots.Thus, we obtained an insight on how regional aerosol is added to local aerosol, especially duringpollution events due to long range transport. Finally, the conclusions and perspectives for future studies are provided in Chapter 5.

Ο κύριος στόχος της διατριβής αυτής ήταν η μελέτη της συγκέντρωσης, των φυσικών ιδιοτήτων και της χημικής σύστασης των αιωρούμενων σωματιδίων και η συνεισφορά τους στον σχηματισμό των σύννεφων στην Ανατολική Μεσόγειο με έμφαση στην Μητροπολιτική περιοχή της Αθήνας. Επίσης ο προσδιορισμός των ιδιοτήτων των αιωρούμενων σωματιδίων με νέες μεθόδους και η σύγκριση των μετρήσεων ανάμεσα σε επιτόπια όργανα και όργανα τηλεπισκόπησης. Η παρούσα περίληψη της διδακτορικής διατριβής περιέχει τρία κεφάλαια. Στο πρώτο κεφάλαιο παρουσιάζουμε την παρούσα κατάσταση της κατανομής μεγέθους και αριθμού των αιωρούμενων σωματιδίων σε σταθμούς αστικού υποβάθρου Κέντρου Πόλης (ΑΥΚΠ), αστικού υποβάθρου (ΑΥ) και σταθμούς αντιπροσωπευτικούς της ευρύτερης περιοχής της Ανατολικής Μεσογείου (ΕΥ). Με βάση την ημερήσια διακύμανση των κατανομών και προηγούμενες μελέτες, οι κύριες πηγές αιωρούμενων σωματιδίων για τον σταθμό ΑΥΚΠ είναι η κυκλοφορία οχημάτων (πρόσφατες και γηρασμένες εκπομπές) και οι συγκεντρώσεις υποβάθρου της ευρύτερης περιοχής. Οι πηγές για τους σταθμούς ΑΥ περιλαμβάνουν πρόσφατες εκπομπές οχημάτων, πυρηνοποίηση νέων σωματιδίων, γηρασμένες εκπομπές οχημάτων, εκπομπές λόγω μαγειρέματος και συγκεντρώσεις υποβάθρου της ευρύτερης περιοχής. Οι πηγές για τον σταθμό ΕΥ περιλαμβάνουν τοπικές πηγές (γηρασμένο αεροζόλ από μαγείρεμα και άλλες δραστηριότητες που συνδέονται με τον τουρισμό και τις γειτονικές πόλεις στην Κρήτη) και την συγκέντρωση υποβάθρου της ευρύτερης περιοχής. Αναλύσαμε τις κατανομές μεγέθους και αριθμού αιωρούμενων σωματιδίων σε άθροισμα λογαριθμικών κατανομών τις οποίες κατόπιν χωρίσαμε με βάση ανάλυση ομάδων. Με βάση την υπόθεση ότι η ομάδα στην περιοχή συσσώρευσης αιωρούμενων σωματιδίων που αναγνωρίστηκε στον σταθμό ΕΥ περιέχει αυτά που μεταφέρονται από μακρινές περιοχές και την χρήση της διάμεσης τιμής της συγκέντρωσης για κάθε ομάδα, συμπεραίνουμε ότι 18% της συγκέντρωσης αιωρούμενων σωματιδίων στον σταθμό ΑΥΚΠ μεταφέρεται από μακρινές περιοχές, το 37% για τους σταθμούς ΑΥ και το 59% για τον σταθμό ΕΥ. Βασισμένοι στον χωρισμό σε ομάδες με βάση την προέλευση των αερίων μαζών για την ομάδα που αναγνωρίστηκε ως μεταφερόμενη από μακρινές περιοχές, συμπεραίνουμε ότι η συγκέντρωση αιωρούμενων σωματιδίων όταν οι αέριες μάζες προέρχονται από την Μεσόγειο Θάλασσα είναι πολύ χαμηλότερες από όταν προέρχονται από Βόρειο-Ανατολική ή Βόρειο-Δυτική κατεύθυνση. ́Οταν επικρατούν οι Ετησίες η συγκέντρωση υποβάθρου στην περιοχή της Μεσογείου αυξάνεται από 2,5 έως 4 φορές. Στο δεύτερο κεφάλαιο αναπτύσσεται μία νέα μέθοδος για την απόκτηση του πραγματικού μέρους του ισοδύναμου δείκτη διάθλασης του ατμοσφαιρικού αερολύματος με τον συνδυασμό των κατανομών μεγέθους και αριθμού ενός διαφορικού καταμετρητή αιωρούμενων σωματιδίων με βάση την ηλεκτρική κινητικότητα (ΔΚΗΚ) και έναν οπτικό καταμετρητή σωματιδίων (ΟΚΣ). Ο σκοπός είναι να δείξουμε ότι τα δεδομένα κατανομής αριθμού σωματιδίων που λαμβάνονται σε σταθμούς μετρήσεων μπορούν να μας δώσουν μια αίσθηση για τις φυσικές και χημικές ιδιότητες των αιωρούμενων σωματιδίων και να οδηγήσουν έτσι σε καλύτερη κατανόηση των επιδράσεών τους στο κλίμα και την ανθρώπινη υγεία. Ο προκύπτων ενεργός δείκτης διάθλασης (ERI) μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε μοντέλα μεταφοράς ακτινοβολίας και ως δείκτης της χημικής σύστασης των αιωρούμενων σωματιδίων. Για την πιστοποίηση της μεθόδου, έγιναν μια σειρά από πειράματα βαθμονόμησης με χρήση ενώσεων και υλικών με γνωστό δείκτη διάθλασης (ΔΔ). ́Ετσι λάβαμε τον διορθωμένο δείκτη διάθλασης (ERI COR ). Οι τιμές ERI COR κατόπιν συγκρίθηκαν με υπολογισμούς της τιμής του δείκτη διάθλασης των αιωρούμενων σωματιδίων RI βασισμένες στη χημική σύσταση φίλτρων PM2.5 και σε μετρήσεις lidar . Το τρίτο κεφάλαιο ασχολείται με την εύρεση των απαραίτητων συνθηκών ώστε να επιτραπεί η απευθείας σύγκριση των μετρήσεων με επιτόπια όργανα και με όργανα τηλεπισκόπησης. Το θέμα αυτό είναι πολύ σημαντικό, καθώς θα επιτρέψει σε σταθμούς με επιτόπια όργανα και με όργανα τηλεπισκόπησης εγκατεστημένους σε μικρή απόσταση μεταξύ τους να συνδυάσουν τις μετρήσεις τους, έτσι ώστε να είναι δυνατή η διερεύνηση της καθ ́ύψος ανάμιξης των αιωρούμενων σωματιδίων και η λήψη της κατακόρυφης κατανομής των ιδιοτήτων τους από το έδαφος έως αρκετά χιλιόμετρα πάνω από το έδαφος (agl). Για επιλεγμένες μέρες όπου είχαμε σημαντική τύρβη στην ατμόσφαιρα μέχρι ένα ύψος περίπου 1.000 μέτρων πάνω από το έδαφος, υπολογίσαμε τον συντελεστή εξασθένισης με βάση δεδομένα από τα όργανα επιτόπιων μετρήσεων χρησιμοποιώντας τρεις μεθόδους. Στην πρώτη μέθοδο ο συντελεστής εξασθένισης των αιωρούμενων σωματιδίων προέκυψε από την πρόσθεση του συντελεστή σκέδασης του οργάνου «Νεφελόμετρο» και του συντελεστή απορρόφησης του οργάνου «Αιθαλόμετρο». Κατόπιν τον συγκρίναμε με τον συντελεστή εξασθένισης του οργάνου τηλεπισκόπησης. Η συσχέτιση στην περίπτωση αυτή ήταν καλή (συντελεστής προσδιορισμού R2 ίσος με 0,74). Στην δεύτερη μέθοδο υπολογίσαμε τον δείκτη διάθλασης προσαρμόζοντας τις μετρήσεις συντελεστών σκέδασης και απορρόφησης Νεφελομέτρου και Αιθαλομέτρου χρησιμοποιώντας υπολογισμούς κώδικα Mie με βάση την κατανομή αριθμού και μεγέθους σωματιδίων που λάβαμε από τα όργανα επιτόπιων μετρήσεων. Κατόπιν με τον δείκτη διάθλασης που υπολογίστηκε και την κατανομή μεγέθους και αριθμού των αιωρούμενων σωματιδίων, υπολογίσαμε τον συντελεστή εξασθένισης και τον συγκρίναμε με τις μετρήσεις τηλεπισκόπησης. Η συσχέτιση και στην περίπτωση αυτή ήταν ικανοποιητική (R2 ίσος με 0,62). Επίσης παρουσιάζουμε μία ημέρα όπου στην περιοχή της Αθήνας είχαμε ένα επεισόδιο ρύπανσης από σκόνη της Σαχάρας. Αρχικά το στρώμα της ατμόσφαιρας που περιείχε την σκόνη της Σαχάρας ανιχνεύθηκε από το όργανο τηλεπισκόπησης σε ύψος μεγαλύτερο των 1.500 μέτρων πάνω από την επιφάνεια της θάλασσας. Λόγω της ισχυρής τύρβης στην ατμόσφαιρα, το απόγευμα το στρώμα αυτό αναμίχθηκε με το τοπικό αερόλυμα και ανιχνεύθηκε από τα όργανα επιτόπιων μετρήσεων. Η προέλευση των αερίων μαζών από την Νότια Αφρική παρουσιάζεται επίσης με χρήση του μοντέλου ατμοσφαιρικής μεταφοράς FLEXPART.