Study of aerosol, sources, emissions and transport based on dispersion modeling and remote sensing data

Abstract

This doctoral thesis presents a comprehensive analysis of aerosol sources, emissions, and transport, with a particular focus on volcanic aerosols. Utilizing advanced dispersion modeling techniques and remote sensing data from both ground-based and satellite instruments. The study emphasizes the transport of volcanic aerosols, particularly volcanic ash, emitted during eruptions of Mt. Etna. By integrating the Lagrangian dispersion model FLEXPART-WRF with remote sensing observations, from the PANhellenic GEophysical observatory of Antikythera (PANGEA), the TROPOMI, and the Aeolus satellite, this research significantly enhances the understanding of aerosol dynamics in the Eastern Mediterranean and their implications for air quality, climate, and aviation safety. The thesis presents case studies and innovative methodologies for improving the understanding and forecasting of volcanic aerosol transport. The first part focuses on the atmospheric transport of volcanic aerosols from Etna’s eruption between 30th May and 6th June 2019. Using the PANGEA-NOA observatory as a critical monitoring site, the study establishes the “Etna-Antikythera connection” through the integration of the FLEXPART-WRF dispersion model, ACTRIS-RI lidar measurements, and TROPOMI satellite data. It confirms the long-range transport of volcanic ash and sulfate aerosols across the Eastern Mediterranean, mixing with North African desert dust. This aerosol mixture affects regional weather patterns and climate by altering the Earth’s radiative balance and poses significant risks to aviation safety, highlighting the importance of continuous monitoring. The second part addresses the role of wind fields in volcanic ash plume dispersion and their critical impact on early warning systems (EWS) for aviation. Traditional wind measurements in remote regions are sparse, creating forecasting uncertainties. To mitigate this, the Aeolus satellite provides global wind profile data via a Doppler lidar system. Incorporating Aeolus data into regional weather models significantly improves volcanic ash dispersion forecasts, especially in regions like the Mediterranean and the upper troposphere. These improvements enhance the accuracy of both horizontal and vertical ash distribution predictions, directly benefiting aviation safety. The final part introduces an inversion modeling framework to estimate volcanic particle emissions, using the March 2021 eruption of Etna as a case study. The framework combines FLEXPART-WRF simulations, PollyXT-NOA lidar retrievals, and Aeolus wind data to reconstruct the vertical distribution and mass emission rates of volcanic ash. The developed algorithm improves ash plume distribution accuracy and mass concentration estimates, crucial for real-time hazard assessments. Integrating Aeolus data further refines forecast precision, making the framework essential for aviation safety and emergency response during volcanic eruptions.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή επικεντρώνεται στη μελέτη των πηγών, των εκπομπών και της μεταφοράς των αιωρούμενων σωματιδίων κυρίως ηφαιστειακών σωματιδίων που προέρχονται από εκρήξεις της Αίτνα. Η ανάλυση πραγματοποιείται μέσω της συνδυαστικής χρήσης ατμοσφαιρικών μοντέλων διασποράς και μεθόδων επίγειας ατμοσφαιρικής τηλεπισκόπησης. Η μελέτη αυτή συμβάλλει στην εμβάθυνση της γνώσης σχετικά με την επίδραση των αιωρούμενων σωματιδίων τόσο στον καιρό και το κλίμα, όσο και στα συστήματα έγκαιρης προειδοποίησης για την αεροναυτιλία, δεδομένου ότι τα ηφαιστειακά σωματίδια μπορούν να προκαλέσουν σοβαρές βλάβες στους κινητήρες των αεροσκαφών. Η διατριβή διαρθρώνεται στα εξής μέρη: Στο πρώτο μέρος, αναλύεται η μεταφορά ηφαιστειακών σωματιδίων από την έκρηξη της Αίτνα στις 30 Μαΐου 2019. Το ηφαιστειακό νέφος, λόγω της ατμοσφαιρικής κυκλοφορίας, μεταφέρθηκε έως την Ελλάδα, επιβεβαιώνοντας τη σύνδεση μεταξύ της Αίτνα και του Παρατηρητηρίου Γεωεπιστημών και Κλιματικής Αλλαγής Αντικυθήρων (ΠΑΓΓΑΙΑ). Η ανάλυση των αερίων μαζών έδειξε ότι οι ανώτερες τροποσφαιρικές και οι κατώτερες στρατοσφαιρικές αέριες μάζες από την Αίτνα μεταφέρονται κυρίως ανατολικά, πάνω από τη Μεσόγειο, προς τα Αντικύθηρα. Με τη συνεργιστική χρήση ατμοσφαιρικών μοντέλων και μεθόδων τηλεπισκόπησης (επίγειας και δορυφορικής), εντοπίστηκαν και αναλύθηκαν με ακρίβεια τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά και οι συγκεντρώσεις των σωματιδίων, επιβεβαιώνοντας τη συνύπαρξη ερημικής σκόνης και ηφαιστειακής τέφρας. Στο δεύτερο μέρος, εξετάζεται η επίδραση της αφομοίωσης των μετρήσεων του ανέμου από το δορυφόρο του Ευρωπαϊκού Οργανισμού Διαστήματος Αίολος, στις προσομοιώσεις διασποράς της ηφαιστειακής τέφρας, με έμφαση στα συστήματα έγκαιρης προειδοποίησης για την αεροπλοΐα. Στο τελευταίο μέρος της διατριβής, παρουσιάζεται ένας καινοτόμος κώδικας, ο οποίος εφαρμόζει τεχνικές inverse modeling, χρησιμοποιώντας αποτελέσματα του μοντέλου διασποράς FLEXPART - WRF και παρατηρήσεις από το επίγειο σύστημα τηλεπισκόπησης PollyXT-NOA lidar. Ο κώδικας αυτός στοχεύει στη βελτιστοποίηση των προγνώσεων μεταφοράς της ηφαιστειακής τέφρας και την ακριβέστερη εκτίμηση του ρυθμού εκπομπής σωματιδίων από την πηγή, σε πραγματικό χρόνο. Συγκεκριμένα, υπολογίζεται ο ρυθμός εκπομπής ηφαιστειακής τέφρας για την ανάπτυξη της σχέσης μεταξύ του πομπού (Αίτνα) και του δεκτή (ΠΑΓΓΑΙΑ) (SRR), με το μοντέλο διασποράς FLEXPART-WRF. Στη συνέχεια χρησιμοποιούνται σαν δεδομένα εισόδου στον αλγόριθμο σε συνδυασμό με τις επίγειες παρατηρήσεις των σωματιδίων ηφαιστειακής τέφρας του συστήματος PollyXT - ΝΟΑ lidar. Ο αλγόριθμος ανάκτησης των εκπομπών των σωματιδίων τέφρας από την ηφαιστειακή έκρηξη της Αίτνα που αναπτύχθηκε στην παρούσα μελέτη όχι μόνο βελτιώνει την κατακόρυφη κατανομή του νέφους της τέφρας αλλά και τις εκτιμήσεις των συγκεντρώσεών της τέφρας, οι οποίες είναι ζωτικής σημασίας για την ασφάλεια των αερομεταφορών. Συμπερασματικά, τα αποτελέσματα της παρούσας διατριβής υπογραμμίζουν την επιτακτική ανάγκη για βελτίωση τόσο των μεθόδων παρατήρησης όσο και των μοντέλων προσομοίωσης της μακρινής μεταφοράς σωματιδίων, με στόχο την καλύτερη κατανόηση των επιπτώσεων των αερολυμάτων στην ατμόσφαιρα. Η συνεχής επένδυση σε δορυφορικές αποστολές, όπως η αποστολή του Αίολου, καθώς και η χρήση προηγμένων επίγειων συστημάτων lidar υψηλών προδιαγραφών, όπως αυτά που αναπτύσσονται στο πλαίσιο του Ευρωπαϊκού δικτύου lidar EARLINET, είναι ζωτικής σημασίας για την ενίσχυση της παρατήρησης και της πρόγνωσης των αερολυμάτων. Αυτές οι βελτιώσεις προσφέρουν άμεσα οφέλη τόσο στην κλιματική έρευνα όσο και στην ασφάλεια της αεροπλοΐας. Επιπλέον, ο αλγόριθμος ανάκτησης εκπομπών σωματιδίων ηφαιστειακής τέφρας που παρουσιάζεται στην παρούσα διατριβή αποδεικνύεται ευρέως εφαρμόσιμος και ικανός να λειτουργεί σε πραγματικό χρόνο. Παράγει ακριβείς εκτιμήσεις των συγκεντρώσεων της ηφαιστειακής τέφρας, οι οποίες στη συνέχεια χρησιμοποιούνται ως δεδομένα εισόδου στα μοντέλα πρόγνωσης της μεταφοράς τέφρας, καθιστώντας τις προγνώσεις πιο αξιόπιστες. Αυτές οι βελτιωμένες προγνώσεις ενισχύουν την αποτελεσματικότητα των αποκρίσεων σε καταστάσεις έκτακτης ανάγκης, διασφαλίζοντας την ασφάλεια των πτήσεων κατά τη διάρκεια ηφαιστειακών εκρήξεων, ενώ ταυτόχρονα μειώνουν τον κίνδυνο ατυχημάτων και τις οικονομικές επιπτώσεις από τις ακυρώσεις των πτήσεων.