Aerosol typing based on active/passive remote sensing technique

Abstract

Aerosol particles directly affect the Earth’s radiation budget by interacting mainly with ultraviolet solar radiation through absorption and scattering (aerosol-radiation interaction). For example, purely scattering aerosols include sulfates, nitrates, ammonium, and sea-salt particles. On the other hand, absorbing aerosols are primarily black carbon, while organic carbon and dust aerosols partly absorb in the ultraviolet spectrum. Furthermore, aerosols affect cloud formation and lifetime serving as seeds (cloud condensation nuclei, ice nuclei) upon which cloud droplets and ice crystals form, changing the cloud albedo and the Earth’s radiation equilibrium once more. The processes of aerosol-radiation interaction depend on the aerosol size, shape, morphology, absorption, solubility, etc.; thus, knowledge of the aerosols’ chemical composition and mixing state in the atmosphere is essential for modeling their impact on the Earth’s radiation budget. It is well established that the Mediterranean basin is, frequently, affected by significant aerosol emissions from Africa, Europe and Turkey and it is characterized by high evaporation, low precipitation, and remarkably high solar activity. The specific role of aerosols, which are modified by atmospheric aging and mixing processes, makes this area an interesting case for climate change studies.Atmospheric aerosols are emitted directly as particles (primary aerosol) or formed in the atmosphere by gas-to-particle conversion processes (secondary aerosol). Primary aerosols arise from natural sources, such as windborne dust, sea spray, and volcanoes, and anthropogenic activities, such as the fuel combustion. Aerosol classification refers to the processes by which aerosol observations are associated with an aerosol type. In practice, several aerosol types are characterized by their origin, e.g., urban, dust, marine, and biomass burning. Thus, one way to characterize an aerosol layer is based on tools that identify the source region of the observed aerosols (i.e., air-mass backward trajectory analysis ending over the observation site, atmospheric models, concurrent satellite products, and ground-based photometric data, etc.). An emerging technique for aerosol detection and characterization which received much attention in the last decades is the light detection and ranging (lidar). Advanced systems, such as multiwavelength Raman lidars, can retrieve near-real-time information on the vertically resolved extensive (mass-dependent) and intensive (type-dependent) aerosol optical properties (namely the backscatter and extinction coefficient, lidar ratio, Ångström exponent and linear particle depolarization ratio) with high spatial (few meters) and temporal (from seconds to minutes) resolution.Towards this direction, two automated methods have been developed: (1) the Mahalanobis distance aerosol classification algorithm (MD) and (2) a neural network aerosol classification algorithm (NATALI), both based on aerosol intensive properties in order to classify aerosol layers observed by lidars into different categories. However, in reality, the intensive aerosol optical properties can vary greatly even for a single aerosol type due to the atmospheric aging and the mixing processes particles may undergo during their lifetime. For example, fresh biomass burning aerosols present higher Ångström exponent values than aged ones. Additionally, the lidar ratio values of dust, can vary significantly depending on the source mineralogy and the aging processes. Considering that both NATALI and MD are based on the aerosol intensive optical properties, they experience several limitations, thus, a more generic aerosol classification code free from these defects was needed.To fill this scientific lack, an improved automated aerosol layer classification algorithm known as Source Classification Analysis (SCAN) has been introduced, based on air-mass backward-trajectory analysis and satellite data.. SCAN is based on the amount of time that the air parcel spends over an already characterized aerosol source region and several additional criteria. The advantage of this algorithm is that its classification process is not affected by the overlapping values of the optical properties representing more than one aerosol type (e.g., clean continental, continental polluted, smoke). Moreover, it has no limitations concerning its ability to classify aerosol mixtures and it can be useful for all lidar systems (regardless of the number of their channels) as well as for other network-based systems (radar profilers, sun photometers).Ιn Part A of this Ph.D. Thesis, we compare the three independent aerosol classification methods: NATALI, MD, and SCAN revealing their strengths and limitations. Additionally, the aerosol optical properties of 5 free-tropospheric aerosol mixtures and the aerosol microphysical properties of 2 free-tropospheric aerosol mixtures are provided, giving valuable insights into the properties of aerosol mixtures observed over Europe, emphasizing those observed over the eastern Mediterranean region (Greece). The latter are, later, used for estimating the direct radiative effects of the most representative aerosol types observed over Athens, Greece. Additionally, an innovative method of discriminating between the smoke and continental polluted aerosol types is discussed, which may be a prohibitive procedure when only the aerosol optical properties are used because smoke and continental polluted aerosols frequently exhibit common optical property values. Finally, tropospheric aerosol remote sensing observations over Volos, Greece, and the corresponding aerosol particle linear depolarization ratio values are presented. Apart from the aerosols’ perturbation on the Earth’s radiation budget, the inhalable particulate matter (PM) is considered responsible for several health problems, from short-term respiratory diseases to premature mortality. However, the severity of the hazard caused by inhaled particles depends not only on the inhalable PM10 or PM2.5 (aerosols with aerodynamic diameter <10 μm or <2.5 μm, respectively) mass concentrations but also on the area at which they deposit within the respiratory system. This area is variable due to differences in the individual's airway geometry and breathing pattern, as well as, the particle’s size and shape. Additionally, recent studies suggest that PMs with different chemical composition behave differently inside the human body after inhalation, depending on their solubility and toxicity. The latter interactions are complex due to aerosols’ variable physical properties and chemical composition, depending on meteorological conditions, emission sources and atmospheric aging. More precisely, inhalation of PMs containing transition metals (such as Fe, Cr, Cu, Co, Zn, Ni) or organic compounds (including quinones, polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs)) can induce the formation of Reactive Oxygen Species (ROS) in vivo, which may lead to oxidative stress, inflammation or even cell death, leading later to various diseases. In other words, PM damage to human health is not an isolated process, as their chemical composition plays a crucial role.In this regard, there has been insufficient information to make clear conclusions about the health effects among different aerosol components or sources (sulfates, nitrates, organics, crustal materials, black carbon) and, especially, smoke from biomass combustion, including their capacity to induce oxidative stress to body cells. Moreover, all computational aerosol deposition models require additional verification with real input data. Thus, Part B of this Thesis aims on: a) providing a quantitative evidence of the risks that PMs (of different aerosol sources) can have on the human respiratory tract (RT), b) giving an insight into the toxicology of different aerosol types and finally, c) comparing the results of the three different aerosol dosimetry models.

Τα αιωρούμενα σωματίδια, γνωστά και ως αερολύματα, επηρεάζουν το ατμοσφαιρικό ισοζύγιο ακτινοβολίας της Γης απορροφώντας και σκεδάζοντας την ηλιακή (μικρού μήκους κύματος), αλλά και τη γήινη (θερμική) ακτινοβολία. Για παράδειγμα, τα αερολύματα που έχουν σκεδαστικές ικανότητες περιλαμβάνουν τα θειικά, τα νιτρικά και τα αμμωνιακά άλατα και τα θαλάσσια σωματίδια, ενώ τα αερολύματα τα οποία συνήθως απορροφούν την ηλιακή ακτινοβολία είναι κυρίως ο μαύρος άνθρακας. Επιπροσθέτως, τα αερολύματα επηρεάζουν το σχηματισμό νεφών και τη συμπεριφορά τους, λειτουργώντας ως πυρήνες συμπύκνωσης αυτών και ως πυρήνες πάγου, μέσω των οποίων σχηματίζονται σταγονίδια νεφών και κρύσταλλοι πάγου, επηρεάζοντας με αυτό τον τρόπο την σκεδαστικότητα και απορροφητικότητα των νεφών, και επομένως, με έμμεσο τρόπο το κλίμα. Οι διαδικασίες αλληλεπίδρασης αερολύματος-ακτινοβολίας και αερολύματος-νεφών εξαρτώνται από τα γεωμετρικά χαρακτηρισκά των αερολυμάτων και τις οπτικές, μικροφυσικές και χημικές ιδιότητές τους. Επομένως, η γνώση αυτών των χαρακτηριστηκών και ιδιοτήτων είναι σημαντική για τη μοντελοποίηση των επιπτώσεων των αερολυμάτων στο κλίμα. Λαμβάνοντας, επίσης, υπόψη ότι η περιοχή της Μεσογείου χαρακτηρίζεται από μεγάλη ηλιακή δραστηριότητα και ατμοσφαιρική μεταβλητότητα και, η μεταφορά αερολυμάτων που συνοδεύεται από διαδικασίες ατμοσφαιρικής γήρανσης και ανάμειξης, καθιστούν αυτήν την περιοχή ιδανική για τη μελέτη των επιπτώσεων των διάφορων ειδών αερολυμάτων στο ατμοσφαιρικό ισοζύγιο ακτινοβολίας στην περιοχή.Τα αιωρούμενα σωματίδια εκπέμπονται είτε απευθείας από διάφορες επίγειες πηγές (πρωτογενή αερολύματα), είτε έμμεσα στην ατμόσφαιρα μέσω διαδικασιών μετατροπής αερίου σε σωματίδιο (δευτερογενή αερολύματα). Τα πρωτογενή αερολύματα προέρχονται είτε από φυσικές πηγές (π.χ. έρημοι, θάλασσες, δασικές πυρκαγιές, ηφαίστεια, κλπ.), είτε από ανθρωπογενείς δραστηριότητες (καύση ορυκτών καυσίμων από βιομηχανικές δραστηριότητες, μεταφορές, οικιακή θέρμανση, κλπ.). Έτσι, η κατηγοριοποίηση των αερολυμάτων αναφέρεται στη διαδικασία με την οποία οι στρωματώσεις αερολυμάτων συσχετίζονται με έναν τύπο αερολύματος. Ένας τρόπος κατηγοριοποίησης των αιωρούμενων σωματιδίων αποτελεί η παρακολούθηση της πορείας της αέριας μάζας στο άμεσο παρελθόν της (κάποιες ημέρες) με σκοπό την εξακρίβωση των επίγειων πηγών από τις οποίες προήλθε αρχικά και ακολούθως επηρεάστηκε κατά την πορεία της προς την περιοχη μελέτης. Η διαδικασία αυτή μπορεί να γίνει με χρήση οπισθοτροχιών των αερίων μαζών από ατμοσφαιρικά μοντέλα και με τη χρήση δορυφορικών και επίγειων φωτομετρικών δεδομένων. Η τεχνική light detection and ranging (lidar), έχει προσελκύσει μεγάλο ενδιαφέρον τις τελευταίες δεκαετίες σε ό,τι αφορά την ανίχνευση και τον χαρακτηρισμό των αερολυμάτων. Σε ό,τι αφορά την εφαρμογή της τεχνικής lidar στην παρούσα διδακτορική διατριβή, μελετάται η οπισθοσκεδαζόμενη ακτινοβολία laser από τα ατμοσφαιρικά αερολύματα, επιτυγχάνοντας με αυτόν τον τρόπο την ενεργητική τηλεπισκόπηση της ατμόσφαιρας. Η ένταση της οπισθοσκεδαζόμενης ακτινοβολίας εξαρτάται από το μήκος κύματος της ακτινοβολίας αυτής καθώς και από το μέγεθος, το σχήμα και τη χημική σύσταση των σκεδάζοντων αερολυμάτων. Έτσι, με τη χρήση προηγμένων συστημάτων lidar, όπως η τεχνική Raman πολλαπλών μηκών κύματος και της αποπόλωσης, γίνεται δυνατή η ανάκτηση των εκτατικών (εξαρτώμενες από τη μάζα) και εντατικών (εξαρτώμενες από τον τύπο) οπτικών ιδιοτήτων των αερολυμάτων [συντελεστής οπισθοσκέδασης (βaer), συντελεστής εξασθένησης (αaer), λόγος lidar (LR), εκθέτης Ångström (AE) και συντελεστής αποπόλωσης (δaer)] με υψηλή χωρική (μερικά μέτρα) και χρονική (από δευτερόλεπτα έως λεπτά) ακρίβεια, σε σχεδόν πραγματικό χρόνο.Έχοντας ως αναφορά τις οπτικές ιδιότητες των αερολυμάτων που προκύπτουν από τη χρήση της τεχνικής lidar, έχουν αναπτυχθεί δύο αυτοματοποιημένες μέθοδοι για την ταξινόμηση των στρωματώσεων αερολυμάτων που μετρώνται από συστήματα Raman lidar πολλαπλών μηκών κύματος και αποπόλωσης: (1) ο αλγόριθμος Mahalanobis (MD) και (2) ένα νευρωνικό δίκτυο (NATALI). Αμφότερες τεχνικές, χρησιμοποιούν τις εντατικές οπτικές ιδιότητες αερολυμάτων, που ανακτώνται με την τεχνική lidar, για να ταξινομήσουν τις παρατηρούμενες στρωματώσεις αερολυμάτων. Ωστόσο, διαφορετικά είδη αερολυμάτων μπορεί να σχετίζονται με παρόμοιες τιμές των εντατικών οπτικών ιδιοτήτων τους (π.χ. ανθρωπογενή, καύσης βιομάζας, ηπειρωτικά καθαρά αερολύματα κλπ.), οι μέθοδοι κατηγοριοποίησης αερολυμάτων που βασίζονται σε αυτές υπόκεινται σε ορισμένους περιορισμούς. Οι περιορισμοί αυτοί οδήγησαν στην ανάγκη δημιουργίας ενός βελτιωμένου αλγορίθμου αυτοματοποιημένης κατηγοριοποίησης των στρωματώσεων αιωρούμενων σωματίδιων. Ο αλγόριθμος, που αναπτύχθηκε ονομάζεται SCAN και βασίζεται στο χρόνο που περνά η αέρια μάζα πάνω από μια ήδη χαρακτηρισμένη περιοχή πηγής αερολυμάτων και σε ορισμένα πρόσθετα κριτήρια. Όντας ανεξάρτητος από τις οπτικές ιδιότητες των αερολυμάτων, αυτός ο αλγόριθμος παρέχει το πλεονέκτημα ότι η διαδικασία ταξινόμησης τους είναι λειτουργική ακόμα και σε περιπτώσεις που αφορούν την ταξινόμηση μείξεων διαφόρων τύπων αιωρούμενων σωματιδίων.Στο Πρώτο Μέρος της παρούσας Διδακτορικής Εργασίας, συγκρίνονται τρεις ανεξάρτητες μέθοδοι ταξινόμησης αερολυμάτων, NATALI, MD και SCAN, παρουσιάζοντας τα δυνατά σημεία και τους περιορισμούς τους. Επιπλέον, μελετώνται οι οπτικές [συντελεστής οπισθοσκέδασης (βaer), συντελεστής εξασθένησης (αaer), λόγος lidar (LR), εκθέτης Ångström (AE) και συντελεστής αποπόλωσης (δaer)] και μικροφυσικές ιδιότητες [ενεργός ακτίνα (reff), συντελεστής μεμονωμένης σκέδασης (SSA), συγκέντρωση όγκου (Vc), δείκτης διάθλασης (n+ik)] μειγμάτων αερολυμάτων ελεύθερης τροπόσφαιρας όπως ανακτήθηκαν από μετρήσεις σε διάφορους Ευρωπαϊκούς σταθμούς lidar, συμπεριλαμβανομένης της ανατολικής Μεσογείου. Έτσι, δημιουργήθηκε μια ολοκληρωμένη βάση δεδομένων οπτικών ιδιοτήτων των πιο αντιπροσωπευτικών μειγμάτων αερολυμάτων που παρατηρούνται στην περιοχή της Ευρώπης και στην ευρύτερη περιοχή της ανατολικής Μεσογείου. Ιδιαίτερη έμφαση δόθηκε στη μελέτη στρωματώσεων αερολυμάτων που περιέχουν σωματίδια καύσης βιομάζας και μείξεις αυτών με άλλα είδη αερολυμάτων, όπως είναι τα ηπειρωτικά ρυπασμένα ή τα ερημικά σωματίδια. Αντλώντας πληροφορίες από τη βάση δεδομένων που δημιουργήσαμε για κάθε τύπο αερολυμάτων, υπολογίσθηκε για πρώτη φορά η επίδραση των επικρατέστερων μειγμάτων αερολυμάτων της ελευθερης τροπόσφαιρας στο ατμοσφαιρικό ενεργειακό ισοζύγιο στην περιοχή της ανατολικής Μεσογείου. Ταυτόχρονα, προτάθηκε ένας νέος τρόπος διαχωρισμού των αερολυμάτων που προέρχονται από καύση βιομάζας και ρυπασμένων ηπειρωτικών αερολυμάτων.Εκτός από τη διαταραχή που προκαλούν τα ατμοσφαιρικά αερολύματα στο ατμοσφαιρικό ισοζύγιο ακτινοβολίας, τα εισπνεόμενα αερολύματα θεωρούνται υπεύθυνα και για πολλά προβλήματα υγείας, που αφορούν βραχυπρόθεσμες αναπνευστικές ασθένειες έως και την πρόωρη θνησιμότητα. Ωστόσο, η σοβαρότητα των κινδύνων αυτών εξαρτάται από τις συγκεντρώσεις των εισπνεόμενων PM10 ή PM2.5 (αερολύματα με αεροδυναμική διάμετρο <10 μm ή <2,5 μm, αντίστοιχα) και από την περιοχή στην οποία αυτά εναποτίθενται εντός της αναπνευστικής οδού. Αυτή η περιοχή διαφέρει από άνθρωπο σε άνθρωπο λόγω των διαφορών στη γεωμετρία του αναπνευστικού συστήματος, στον τρόπο αναπνοής του κάθε ατόμου, καθώς και στο μέγεθος και το σχήμα των αερολυμάτων. Επιπλέον, πρόσφατες μελέτες υποδεικνύουν ότι τα PM με διαφορετική χημική σύνθεση συμπεριφέρονται διαφορετικά στο ανθρώπινο σώμα μετά την εισπνοή, ανάλογα με τη διαλυτότητα και την τοξικότητά τους. Πιο συγκεκριμένα, η εισπνοή PM που περιέχουν μέταλλα (όπως Fe, Cr, Cu, Co, Zn, Ni) ή οργανικές ενώσεις (συμπεριλαμβανομένων των κινονών, πολυκυκλικών αρωματικών υδρογονανθράκων (PAH)) μπορεί να προκαλέσει το σχηματισμό ελεύθερων ριζών οξυγόνου (Reactive Oxygen Species-ROS) in-vivo, ο οποίος οδηγεί στο λεγομενο οξειδωτικό στρες, σε φλεγμονές ή ακόμα και σε κυτταρικό θάνατο, προκαλώντας τελικά διάφορες ασθένειες. Με άλλα λόγια, οι βλάβες που προκαλούν τα PM στην ανθρώπινη υγεία δεν προσδιορίζονται εύκολα, λόγω της μεταβλητότητας της χημικής σύνθεσης των εισπνεόμενων PM και της χρονικής διάρκειας της έκθεσης του ανθρώπου σε αυτά.Ωστόσο, δεν υπάρχουν ακόμα επαρκείς πληροφορίες για να εξαχθούν σαφή συμπεράσματα σχετικά με τις επιπτώσεις στην ανθρώπινη υγεία διαφορετικών ειδών αερολυμάτων (θειικά άλατα, νιτρικά άλατα, οργανικός και μαύρος άνθρακας) και, ιδιαίτερα, του καπνού από την καύση βιομάζας, συμπεριλαμβανομένης της ικανότητάς τους να προκαλούν οξειδωτικό στρες στα ανθρωπινα κύτταρα. Ως εκ τούτου, απαιτείται η ανάγκη να πραγματοποιηθεί μια σύγκριση των διαθέσιμων υπολογιστικών μοντέλων εναπόθεσης αερολυμάτων στο ανθρώπινο αναπνευστικό σύστημα με χρήση πραγματικών δεδομένων συγκεντρώσεων και χημικής σύστασης αερολυμάτων, καθώς και ο υπολογισμός του οξειδωτικού δυναμικού τους.Έτσι, το τελευταίο μέρος της παρούσας Διδακτορικής Εργασίας στοχεύει: στην εκτίμηση της οξειδωτικής ικανότητας διαφορετικών τύπων αερολυμάτων και στην παροχή ποσοτικών εκτιμήσεων των επιπτώσεων που ενδέχεται να προκαλούν διαφορετικής προέλευσης αερολύματα στο ανθρώπινο αναπνευστικό σύστημα. Ταυτόχρονα, παρέχεται και η σύγκριση των τριών διαφορετικών μοντέλων δοσιμετρίας αερολυμάτων στο ανθρώπινο αναπνευστικό σύστημα.