Remote sensing of ozone and other atmospheric species with a ground-based differential optical absorption spectroscopy system

Abstract

Light is the essential source of information about the surrounding world for most of us. We see objects with different brightness and colors, or, in scientific terms, we distinguish objects by the way they reflect light at different wavelengths. It was exciting for us to learn that scientific instruments can expand our senses and provide information from this very same radiation that goes far beyond the simple recognition of objects. The ability to ʺseeʺ the composition of the air surrounding us and above our heads, to us and others, one of the most fascinating aspects of the application of modern technology to study the atmosphere. This fascination drove many of the applications of the Differential Optical Absorption Spectroscopy (DOAS) method presented in this work, and continues to be the motivation for many current developments. DOAS is an elegant and powerful analytical method to study atmosphere and is based on the relatively simple principles of classical absorption spectroscopy. In this work, it applies to the calculation of the ozone column from sun’s radiation measurements, through QDOAS software. The instruments that used for radiation measurements in this study, are ʺPhaethonʺ ground-based systems. These instruments are low-cost systems, which can measure either sky radiance, or direct irradiance. To calculate ozone column are used direct irradiance measurements of the sun. To check the reliability of the ozone column, calculated from Phaethon systems measurements in conjunction with the DOAS method, the results are compared with the corresponding values of the Brewer instrument, which is considered reliable. Finally, this study presents the comparisons between the total ozone column, TOC, retrieved by the Phaethon ground based system, operating in Thessaloniki, Greece and space-borne TOC observations from the GOME2/MetopA, GOME2/MetopB, OMI/Aura, OMPS/Suomi-NPP and S5P/TROPOMI satellite instruments for approximately five years of collocations.

Το φως είναι η βασική πηγή πληροφοριών σχετικά με τον περιβάλλοντα κόσμο για τους περισσότερους από εμάς. Βλέπουμε αντικείμενα με διαφορετική φωτεινότητα και χρώματα, ή με επιστημονικούς όρους διακρίνουμε αντικείμενα από τον τρόπο που αντανακλούν το φως σε διαφορετικά μήκη κύματος. Είναι συναρπαστικό να μάθουμε ότι τα επιστημονικά όργανα μπορούν να επεκτείνουν τις αισθήσεις μας και να μας παρέχουν πληροφορίες μέσω της ακτινοβολίας για αναγνώριση αντικειμένων που δεν είναι εύκολο να διακρίνουμε με το μάτι. Η ικανότητα να «βλέπουν» τη σύνθεση του αέρα που μας περιβάλλει είναι μια από τις πιο συναρπαστικές εφαρμογές της σύγχρονης τεχνολογίας για να μελετήσουμε την ατμόσφαιρα. Αυτή η μαγεία οδήγησε πολλές από τις εφαρμογές στη μέθοδο DOAS που παρουσιάζεται στην παρούσα εργασία και συνεχίζει να είναι το κίνητρο για πολλές από τις σημερινές εξελίξεις. Η μέθοδος DOAS είναι μια κομψή και ισχυρή αναλυτική μέθοδος για να μελετήσουμε την ατμόσφαιρα και βασίζεται στις σχετικά απλές αρχές της κλασσικής φασματοσκοπίας απορρόφησης. Στην παρούσα εργασία βρίσκει εφαρμογή στον υπολογισμό της στήλης του όζοντος από μετρήσεις της ακτινοβολίας του ήλιου μέσω του λογισμικού QDOAS. Τα όργανα που χρησιμοποιήθηκαν για τις μετρήσεις της ακτινοβολίας της παρούσας εργασίας, είναι τα επίγεια συστήματα ʺPhaethonʺ. Αυτά τα όργανα είναι χαμηλού κόστους συστήματα, τα οποία μπορούν να μετρήσουν είτε φασματική ένταση ακτινοβολίας είτε φασματική πυκνότητα ροής της άμεσης ηλιακής ακτινοβολίας. Για τον υπολογισμό της στήλης του όζοντος χρησιμοποιούνται μετρήσεις της άμεσης ακτινοβολίας του ήλιου. Για τον έλεγχο της αξιοπιστίας της στήλης του όζοντος, υπολογισμένη από τις μετρήσεις των συστημάτων Phaethon σε συνδυασμό με τη μέθοδο DOAS, τα αποτελέσματα που προκύπτουν συγκρίνονται με τις αντίστοιχες τιμές του οργάνου Brewer. Το φασματοφωτόμετρο Brewer έχει εγκριθεί ως αξιόπιστο όργανο υψηλής ποιότητας για την παρακολούθηση της ολικής στήλης του όζοντος. Τέλος, παρουσιάζονται συγκρίσεις μεταξύ της ολικής στήλης όζοντος από το επίγειο σύστημα Phaethon και διαστημικών παρατηρήσεων από τα δορυφορικά όργανα GOME2/MetopA, GOME2/MetopB, OMI/Aura, OMPS/Suomi-NPP και S5P/TROPOMI για περίπου πέντε χρόνια παρατηρήσεων.