Long term trends of the spectral solar UV radiation

Abstract

The subject of this thesis is to study the long term changes of the solar spectral UV irradiance using measurements and model calculations. Although UV is only a small fraction of the solar radiation that reaches the earth surface, it is vital for life on earth. Through the evolution process, life on earth has slowly adapted to the current levels of UV radiation and its variations. The latter differ locally and arise from periodical phenomena such as the relative earth-sun position or from variations of surface and atmospheric factors such as surface reflectivity, cloudiness, ozone and aerosols. During the last decades, the levels of UV radiation over the globe have changed, mainly due the destruction of stratospheric ozone by ozone depleting substances (ODS), changes in surface reflectivity and total ozone column (TOC) driven by climate change, and changes in the emissions of anthropogenic air pollutants over large areas. The spatiotemporal variability of the changes is large and, in several cases, it is difficult to estimate whether UV irradiance increases or decreases with adequate statistical confidence. Important changes of UV irradiance are also projected for the future, mainly due to the reduction of the ODS in the stratosphere, climate change and the improvement of the air quality over the northern hemisphere. The present thesis had three main goals. The first was to reduce the uncertainties in the measurements of spectral UV irradiance through the improvement of the existing methods for the characterization of Brewer spectrophotometers. The Brewer operational characteristics were investigated in depth and several of the currently used characterization methods were evaluated. Finally, improved characterization methods for the effects of dead time and temperature on the instrument response were developed and used. Reduction of the uncertainties in the measurements leads to more accurate detection of trends and better understanding of the interactions between the UV irradiance and the main regulatory factors for its levels at the earth surface.The second goal was to study the short- and long-term variability of the solar, spectral UV and erythemal irradiance over Thessaloniki and attribute the changes to the changes in TOC, aerosols and cloudiness. The entire UV dataset from the two Brewer spectrophotometers operating at LAP was subjected to quality control and re-evaluation and then the short- and long-term changes of the UV irradiance were studied for the period 1994 – 2015. According to the results, the annual mean UV irradiance increased significantly over Thessaloniki during the period 1994 – 2006 and remains relatively stable thereafter. The long term changes of UV irradiance are mainly driven by changes in aerosols. However, the main drivers of the year to year variability of the UV-B and erythemal irradiance are TOC and clouds, while the year to year changes of UV irradiance at longer wavelengths are mainly driven by changes in cloudiness. The third and final goal of the present thesis was to investigate how climate change will affect the future levels of UV irradiance, and, specifically, to highlight the need for accurate UV measurements in order to continue the investigation of the UV trends. To achieve that we investigated how the land, ocean and atmospheric processes affected the levels of UV irradiance at the earth’s surface in the past and how they would affect them in the future according to two different IPCC socioeconomic scenarios, a moderate and an extreme one. The study was focused over the Arctic where changes of the UV irradiance in the recent past were important and are also expected to be important in the future. Simulations of the solar spectrum were performed for the past (1950s), the present and the future (2090s) using a radiative transfer model. Model inputs were outputs from global climate models participating in CMIP-5. Changes of surface reflectivity due to the severe sea-ice melting and the reduced snow cover, in conjunction with increased TOC and cloudiness would lead to large decreases of the monthly mean UV-B and UV-A irradiances relative to their present levels, which may exceed 40% locally, until the end of the 21st century. Thus, the already low levels of the erythemal irradiance and the effective dose for the production of vitamin D in the human skin would further decrease, affecting the health of more than two million people living inside the Arctic Circle.Summarizing, the present dissertation contributes in the improvement of the quality of spectral UV measurements, shows the important role of aerosols for the determination of the levels of UV irradiance over urban areas such as Thessaloniki and highlights the impact of climate change on the future levels of UV irradiance, especially due to the severe sea-ice melting over the higher latitudes of the northern hemisphere. Future work, based on the results of the present dissertation, may include further improvement of the characterization methods of measurements, more in depth study of the optical properties of aerosols in the UV region and their effects on the levels of the UV irradiance, and more accurate study of the complex interactions between UV radiation, ice, snow and clouds, especially over complex terrains.

Το αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η μελέτη των μακροχρόνιων τάσεων του φάσματος της υπεριώδους ηλιακής ακτινοβολίας, με τη χρήση μετρήσεων και θεωρητικών υπολογισμών. Παρόλο που η υπεριώδης ηλιακή ακτινοβολία αποτελεί ένα πολύ μικρό κομμάτι του ηλιακού φάσματος, είναι ζωτικής σημασίας για τη βιόσφαιρα. Μέσω της εξελικτικής διαδικασίας οι έμβιοι οργανισμοί έχουν προσαρμοστεί σταδιακά στα παρόντα επίπεδα και τις διακυμάνσεις της υπεριώδους ακτινοβολίας. Η υπεριώδης ακτινοβολία μεταβάλλεται περιοδικά κατά τη διάρκεια της ημέρας και του έτους εξαιτίας της ιδιοπεριστροφής της Γης και των μεταβολών της σχετικής απόστασης και θέσης Ηλίου – Γης αντίστοιχα. Μεταβάλλεται ακόμα εξαιτίας των διακυμάνσεων παραμέτρων όπως η ανακλαστικότητα της γήινης επιφάνειας, τα νέφη, το όζον και τα αιωρούμενα σωματίδια. Κατά τις τελευταίες δεκαετίες, τα επίπεδα της υπεριώδους ακτινοβολίας σε αρκετές περιοχές του πλανήτη μεταβλήθηκαν σημαντικά, κυρίως λόγω της καταστροφής του στρατοσφαιρικού όζοντος από τους ανθρωπογενείς χλωροφθοράνθρακες, των μεταβολών της ανακλαστικότητας της γήινης επιφάνειας εξαιτίας της κλιματικής αλλαγής, και των μεταβολών στα επίπεδα των ανθρωπογενών ρύπων. Το μέγεθος, ο ρυθμός και η κατεύθυνση των μεταβολών της υπεριώδους ακτινοβολίας παρουσιάζουν έντονη χωρική μεταβλητότητα, ενώ σε αρκετές περιπτώσεις είναι δύσκολο να εκτιμηθεί αν η παρατηρούμενη μεταβολή είναι στατιστικά σημαντική. Η μείωση των εκπομπών ουσιών που καταστρέφουν το στρατοσφαιρικό όζον σε συνδυασμό με τις επιπτώσεις της κλιματικής αλλαγής και την προβλεπόμενη βελτίωση της ποιότητας του αέρα αναμένεται να οδηγήσουν σε εξίσου σημαντικές μεταβολές του φάσματος της υπεριώδους ακτινοβολίας στο μέλλον.Η παρούσα διατριβή επικεντρώθηκε σε τρεις κυρίως στόχους. Ο πρώτος από αυτούς ήταν η μείωση της αβεβαιότητας των φασματικών μετρήσεων της υπεριώδους ακτινοβολίας μέσω της βελτίωσης των μεθόδων χαρακτηρισμού των φασματοφωτομέτρων τύπου Brewer. Για να επιτευχθεί αυτό, τα χαρακτηριστικά λειτουργίας των οργάνων διερευνήθηκαν σε βάθος και αξιολογήθηκαν οι χρησιμοποιούμενες μέθοδοι χαρακτηρισμού τους. Τελικά, επιτεύχθηκε η βελτίωση των μεθόδων χαρακτηρισμού των οργάνων σχετικά με την επίδραση που έχουν οι η θερμοκρασία και ο νεκρός χρόνος του φωτοπολλαπλασιαστή στη φασματική απόκριση του οργάνου. Ο δεύτερος στόχος ήταν να μελετηθούν οι βραχυχρόνιες και μακροχρόνιες μεταβολές του φάσματος της υπεριώδους ηλιακής ακτινοβολίας και της ερυθηματογόνου ακτινοβολίας στη Θεσσαλονίκη, και στη συνέχεια να διερευνηθεί η σχέση των μεταβολών αυτών με τις αντίστοιχες μεταβολές της ολικής στήλης όζοντος, των αιωρούμενων σωματιδίων και των νεφών. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα που προέκυψαν, η υπεριώδης ακτινοβολία αυξήθηκε σημαντικά στην Θεσσαλονίκη κατά την περίοδο 1994 - 2006 και παραμένει σχετικά σταθερή στη συνέχεια. Οι μεταβολές αυτές οφείλονται κυρίως σε μεταβολές στη συγκέντρωση και τις οπτικές ιδιότητες των αιωρούμενων σωματιδίων. Ο τρίτος και τελικός στόχος της παρούσας διατριβής ήταν να αναδείξει τη σημαντικότητα όλων των παραπάνω και πιο συγκεκριμένα της ανάγκης για αξιόπιστα δεδομένα και για συνέχιση της μελέτης των τάσεων της υπεριώδους ακτινοβολίας. Για να επιτευχθεί αυτό διερευνήθηκε η επίδραση των μεταβολών που λαμβάνουν χώρα στο έδαφος, στην επιφάνεια των ωκεανών και στην ατμόσφαιρα, στα επίπεδα της υπεριώδους ακτινοβολίας κατά το παρελθόν αλλά και στο μέλλον σύμφωνα με δύο διαφορετικά κοινωνικοοικονομικά σενάρια του IPCC, ένα μετριοπαθές και ένα ακραίο. Εστιάσαμε στις αλλαγές στην Αρκτική, όπου η υπεριώδης ακτινοβολία έχει αλλάξει σημαντικά κατά τις τελευταίες δεκαετίες και αναμένεται να αλλάξει εξίσου σημαντικά στο μέλλον. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα που προέκυψαν, η υπεριώδης ακτινοβολία αναμένεται να μειωθεί σημαντικά στο μέλλον σε σχέση με το παρόν. Συνοψίζοντας, η παρούσα διατριβή συμβάλλει στη βελτίωση της ποιότητας των φασματικών μετρήσεων της υπεριώδους ακτινοβολίας, αναδεικνύει το σημαντικό ρόλο των αιωρούμενων σωματιδίων για τον καθορισμό των επιπέδων της υπεριώδους ακτινοβολίας σε αστικές περιοχές όπως η Θεσσαλονίκη, και τέλος, τονίζει τις πιθανές επιπτώσεις της κλιματικής αλλαγής στα μελλοντικά επίπεδα της υπεριώδους ακτινοβολίας, κυρίως λόγω της μείωσης του όγκου και της έκτασης του θαλάσσιου πάγου στα υψηλότερα γεωγραφικά πλάτη του βορείου ημισφαιρίου.