Προσδιορισμός της επίδρασης των αερολυμάτων στο κλιματικό ισοζύγιο ακτινοβολίας με χρήση δορυφορικών δεδομένων και δεδομένων επανανάλυσης

Abstract

In the present thesis, the spatio-temporal variation of the aerosol direct radiative effect (DRE) was investigated. The study was performed on a monthly, global scale using the deterministic spectral radiation transfer model FORTH and aerosol optical properties based on satellite observations and reanalysis data. In the first part of the thesis we employed vertically resolved aerosol optical depth (AOD) data based on the CALIOP lidar onboard the CALIPSO satellite. The DRE was calculated on a 2.5° × 2.5° grid over the 2007-2009 period, under all-sky conditions using cloud data from ISCCP-D2. We emphasized the study of the DRE vertical profile and the effects of the cloud-aerosols superposition. According to the model results, due to scattering and absorption of solar radiation, aerosols cool the Earth’s surface (by 4.23 Wm⁻², on a mean global annual scale), especially over regions with high surface albedo, high aerosol load and relatively low cloud amount (e.g. Arabian Sea, tropical N. Atlantic Ocean). The absorption of radiation from aerosols results in a heating of the atmosphere (by 2.40 Wm⁻², on a mean global annual scale), especially when the aerosol load consists of relatively absorbing particles. We found that this heating effect is enhanced when the underlying surface albedo is high. From the vertical profile of the DRE we calculated the atmospheric heating rates profile due to aerosols. The heating rates were found to be stronger in altitudes where the aerosol load is larger (lower troposphere). At the top of the atmosphere (TOA) aerosols result generally in an increase of the planetary albedo (cooling effect), equal to 1.83 Wm⁻² on a mean global annual scale. The DRE at TOA is very sensitive to the underlying surface albedo. Characteristically, we found that when aerosol particles of continental origin are advected over oceanic regions (low surface albedo) and the cloud amount is low, the aerosol planetary cooling becomes very strong. On the other hand, we found that the presence of relatively absorbing particles over regions with high surface albedo results either on a small planetary cooling or a even a planetary warming effect (e.g over the Sahara desert). A similar warming effect was observed when absorbing aerosol particles are located above clouds (tropical South Atlantic Ocean). This is attributed to the modification of radiative fluxes mainly through scattering of the solar radiation by clouds which increases the available radiative energy above the cloud layer and decreases the available energy below them. The cloud effect on the aerosol DRE depends strongly on the aerosol optical properties and the relative position between clouds and aerosols (aerosol load fraction above clouds). The sensitivity of the aerosol DRE to the use of detailed vertically-resolved aerosol data was assessed comparing the DRE calculated from the CALIOP AOD vertical profile and the results obtained using exponentially decreasing “standard” AOD profiles. We found a small sensitivity for the surface DRE, but a much larger for the effects within the atmosphere and at TOA. When relatively absorbing aerosols are lifted higher in the atmosphere, the outgoing shortwave radiation at TOA decreases, due to the increase of UV and visible radiation absorption by particles. This process intensifies when clouds (especially low) are present, due to the increase of the above-cloud aerosol fraction, depicting the importance of the accurate identification of the cloud-aerosols relative position. On the other hand, when scattering aerosols are located in higher altitudes the planetary albedo increase, mainly through the more efficient backscatter by aerosols and the decrease of the NIR radiation absorption by atmospheric gases below the scattering aerosol layer. In the second part of the present thesis we investigated the DREs of the main aerosol types (sulfate, desert dust, sea salt, organic carbon and black carbon) as well as of the total aerosol load, on a global (0.5°×0.625° grid) and climatological scale (1980–2019). For this purpose we used reanalysis data from MERRA-2 as input in the FORTH radiation transfer model. The study was performed under clear-sky conditions, emphasizing the attribution of the total DRE to each aerosol type and the DREs interannual variation. The model results revealed large differences between the DREs of different particle types. Both on the Earth’s surface and within the atmosphere, the light-absorbing black carbon and desert dust particles are characterized by stronger forcing efficiency (DRE per unit AOD) compared to the scattering particle types. We found that the main contributors to the surface cooling are desert dust particles, due to their large AOD combined with their strong forcing efficiency, followed by sulfate and sea salt particles. The main contributors to the atmospheric warming effect are black carbon particles (despite their small AOD) and desert dust. The strongest TOA cooling effect is caused by the strongly scattering sulfate and sea salt particles. On the other hand, the light-absorbing black carbon results in a planetary warming effect, which in association with its high TOA forcing efficiency highlights the important climatic role of this particle type. However the relative contribution of different particle types to the total DRE varies significantly from one region to another. Characteristically, the role of desert dust becomes dominant over arid and semi-arid regions of the planet, while carbonaceous aerosols (organic and black carbon) contribute more to the total DRE over regions where extensive biomass burning occurs. Over regions affected by anthropogenic (urban/industrial) emissions (e.g. East Asia, India), the role of sulphate and black carbon aerosols is particularly important. During the study period it was found that the aerosol load and DREs exhibit a considerable interannual variability. The most remarkable feature of the interannual variation is the distinct and relatively long-lasting impact of large-scale volcanic eruptions (El Chichón and Pinatubo in the early 1980s and early 1990s, respectively) through the emitted sulfate particles which resulted in surface and TOA cooling. The decreasing of anthropogenic sulfate load due to the implementation of air pollution mitigation policies resulted in a surface and TOA warming tendency over Europe and western USA. However, on a global scale these tendencies are counterbalanced by an increase of the anthropogenic aerosol load over eastern and south Asia (India, China). Moreover, above most regions affected by biomass burning we observed surface cooling and atmospheric warming tendencies, due to the increase of carbonaceous aerosol load over the study period.

Στην παρούσα διατριβή μελετήθηκε η χωροχρονική μεταβολή της άμεσης επίδρασης των αερολυμάτων (DRE) στο ισοζύγιο της ηλιακής ακτινοβολίας. Η μελέτη πραγματοποιήθηκε σε πλανητική κλίμακα και μηνιαία χρονική ανάλυση με χρήση του ντετερμινιστικού φασματικού μοντέλου διάδοσης ακτινοβολίας FORTH και οπτικών ιδιοτήτων αερολυμάτων από δορυφορικές παρατηρήσεις και δεδομένα επανανάλυσης. Στο πρώτο μέρος της διατριβής έγινε χρήση δορυφορικών δεδομένων οπτικού πάχους αερολυμάτων κατακόρυφης ανάλυσης από το lidar CALIOP το οποίο βρίσκεται στον δορυφόρο CALIPSO. Ο προσδιορισμός της DRE πραγματοποιήθηκε σε πλέγμα 2.5°×2.5° για την περίοδο 2007-2009, υπό όλες τις συνθήκες νεφοκάλυψης, με χρήση δεδομένων νεφών από το ISCCP D2. Ιδιαίτερη έμφαση δόθηκε στην μελέτη του κατακόρυφου προφίλ της DRE εντός της ατμόσφαιρας και στην εξέταση των αποτελεσμάτων που έχει η κατακόρυφη υπέρθεση μεταξύ νεφών και αερολυμάτων. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα του μοντέλου, λόγω σκέδασης και απορρόφησης ηλιακής ακτινοβολίας, τα αερολύματα ψύχουν την επιφάνεια της Γης (κατά 4.23 Wm⁻², σε μέση ετήσια πλανητική κλίμακα), ιδιαίτερα πάνω από περιοχές με μικρή επιφανειακή λευκαύγεια, υψηλό φορτίο αερολυμάτων και σχετικά μικρή νεφοκάλυψη (π.χ. Αραβική Θάλασσα, τροπικός Β. Ατλαντικός). Η απορρόφηση ακτινοβολίας από τα αερολύματα έχει ως αποτέλεσμα την θέρμανση της ατμόσφαιρας (2.40 Wm⁻², σε μέση ετήσια πλανητική κλίμακα), ιδιαίτερα όταν το φορτίο των αερολυμάτων αποτελείται από σχετικά απορροφητικά σωματίδια. Η θέρμανση διαπιστώθηκε πως ενισχύεται στην περίπτωση που η λευκαύγεια του υποκείμενου εδάφους είναι υψηλή. Από το κατακόρυφο προφίλ της DRE υπολογίσθηκαν επίσης οι ρυθμοί θέρμανσης της ατμόσφαιρας λόγω της παρουσίας σωματιδίων αερολυμάτων, οι οποίοι διαπιστώθηκε πως είναι σαφώς ισχυρότεροι σε ύψη στα οποία ευρίσκεται το μεγαλύτερο κλάσμα της μάζας των αερολυμάτων (κατώτερη τροπόσφαιρα). Στην κορυφή της ατμόσφαιρας τα αερολύματα προκαλούν γενικά αύξηση της πλανητικής ανακλαστικότητας (ψύξη), η οποία βρέθηκε ότι είναι ίση με 1.83 Wm⁻² σε μέση ετήσια πλανητική κλίμακα. Η DRE στην κορυφή της ατμόσφαιρας παρουσιάζει μεγάλη ευαισθησία ως προς την λευκαύγεια της υποκείμενης επιφάνειας της Γης. Χαρακτηριστικά, βρέθηκε ότι πάνω από ωκεάνιες περιοχές (μικρή επιφανειακή λευκαύγεια), όταν μεταφέρονται ηπειρωτικής προέλευσης αερολύματα και η νεφοκάλυψη είναι μικρή, η πλανητική ψύξη καθίσταται πολύ ισχυρή. Αντίθετα, η παρουσία σχετικά απορροφητικών αερολυμάτων πάνω από περιοχές με υψηλή επιφανειακή λευκαύγεια διαπιστώθηκε ότι προκαλεί είτε μια μικρή πλανητική ψύξη, είτε πλανητική θέρμανση (π.χ. πάνω από την έρημο Σαχάρα). Μια παρόμοια θέρμανση διαπιστώθηκε επίσης στην περίπτωση παρουσίας απορροφητικών αερολυμάτων πάνω από τα νέφη (τροπικός Νότιος Ατλαντικός ωκεανός). Το γεγονός αυτό αποδίδεται στην τροποποίηση των ροών ακτινοβολίας από τα νέφη, κυρίως μέσω της σκέδασης ηλιακής ακτινοβολίας, με αποτέλεσμα να αυξάνεται η διαθέσιμη ακτινοβόλος ενέργεια πάνω από τα νέφη και να ελαττώνεται κάτω από αυτά. Η επίδραση των νεφών στην DRE παρουσιάζει ισχυρή εξάρτηση από τις οπτικές ιδιότητες των αερολυμάτων και την σχετική θέση αερολυμάτων-νεφών (κλάσμα φορτίου αερολυμάτων υπεράνω των νεφών). Συγκρίνοντας τα αποτελέσματα του μοντέλου με χρήση των δεδομένων προφίλ AOD από το CALIOP με τα αντίστοιχα που προέκυψαν με χρήση «πρότυπων» κατακόρυφων προφίλ (εκθετικά φθινόντων με το ύψος) διερευνήθηκε η ευαισθησία που παρουσιάζει η DRE στη χρήση του αναλυτικού κατακόρυφου προφίλ του οπτικού πάχους των αερολυμάτων. Διαπιστώθηκε πως η ευαισθησία της DRE ως προς το κατακόρυφο προφίλ των αερολυμάτων είναι πολύ μικρή στην επιφάνεια της Γης, ενώ εντός και στην κορυφή της ατμόσφαιρας είναι αρκετά μεγαλύτερη. Όταν σχετικά απορροφητικά αερολύματα βρίσκονται υψηλότερα, βρέθηκε πως η εξερχόμενη μικρού μήκους κύματος ακτινοβολία στην κορυφή της ατμόσφαιρας ελαττώνεται λόγω της ενίσχυσης της απορρόφησης της υπεριώδους και ορατής ακτινοβολίας από τα σωματίδια. Το φαινόμενο αυτό ενισχύεται σημαντικά παρουσία χαμηλών νεφών λόγω της αύξησης του κλάσματος του φορτίου των αερολυμάτων που βρίσκονται υπεράνω των νεφών και δείχνει την μεγάλη σημασία του ορθού προσδιορισμού της σχετικής θέσης αερολυμάτων-νεφών. Από την άλλη πλευρά όταν σκεδαστικά αερολύματα βρίσκονται σε υψηλότερα στρώματα η πλανητική ανακλαστικότητα αυξάνεται, κυρίως λόγω της πιο αποτελεσματικής οπισθοσκέδασης της ηλιακής ακτινοβολίας από αυτά, ενώ η ατμοσφαιρική θέρμανση εξασθενεί λόγω της ελάττωσης της απορρόφησης ακτινοβολίας στην φασματική περιοχή του κοντινού υπέρυθρου από τα ατμοσφαιρικά αέρια που βρίσκονται κάτω από το στρώμα των σκεδαστικών αερολυμάτων. Στο δεύτερο μέρος της παρούσας διατριβής, μελετήθηκε η άμεση επίδραση των κύριων τύπων σωματιδίων αερολυμάτων (θειικά, σκόνη, θαλάσσιο άλας, οργανικός άνθρακας και μαύρος άνθρακας), καθώς και του ολικού φορτίου αερολυμάτων στο ισοζύγιο της ηλιακής ακτινοβολίας σε πλανητική κλίμακα (πλέγμα 0.5°×0.625°) και κλιματολογική βάση (1980–2019). Για τον σκοπό αυτόν εισήχθησαν στο μοντέλο διάδοσης ακτινοβολίας FORTH δεδομένα επανανάλυσης από το MERRA-2. Η μελέτη πραγματοποιήθηκε υπό συνθήκες καθαρού ουρανού και δόθηκε ιδιαίτερη έμφαση στον προσδιορισμό της συνεισφοράς των διαφορετικών τύπων σωματιδίων αερολυμάτων στην ολική υπολογισθείσα DRE, καθώς και στις διαχρονικές μεταβολές της. Βάσει των αποτελεσμάτων του μοντέλου διαπιστώθηκαν μεγάλες διαφορές μεταξύ των DRE διαφορετικών τύπων αερολυμάτων. Τόσο στην επιφάνεια της Γης, όσο και εντός της ατμόσφαιρας, τα απορροφητικά σωματίδια μαύρου άνθρακα και ερημικής σκόνης χαρακτηρίζονται από μεγαλύτερη διαταρακτική ικανότητα (DRE ανά μονάδα οπτικού πάχους) από ότι τα σκεδαστικά σωματίδια. Βρέθηκε πως στην επιφανειακή ψύξη συνεισφέρουν περισσότερο τα αερολύματα ερημικής σκόνης, λόγω του σχετικά υψηλού φορτίου τους, σε συνδυασμό με την ισχυρή διαταρακτική τους ικανότητα, ακολουθούμενα από τα θειικά αερολύματα και τα αερολύματα θαλασσίου άλατος. Στην ατμοσφαιρική θέρμανση συνεισφέρουν κυρίως τα αερολύματα μαύρου άνθρακα (παρά το μικρό οπτικό τους πάχος) και η ερημική σκόνη. Στην κορυφή της ατμόσφαιρας τα ισχυρώς σκεδαστικά θειικά αερολύματα και αερολύματα θαλασσίου άλατος προκαλούν την μεγαλύτερη ψύξη. Από την άλλη πλευρά τα απορροφητικά αερολύματα μαύρου άνθρακα διαπιστώθηκε πως προκαλούν πλανητική θέρμανση, γεγονός το οποίο σε συνδυασμό με την ισχυρή διαταρακτική ικανότητά τους αναδεικνύει τον σημαντικό κλιματικό τους ρόλο. Ωστόσο, η σχετική συνεισφορά των διαφόρων τύπων σωματιδίων αερολυμάτων στην ολική DRE διαφέρει σημαντικά από περιοχή σε περιοχή. Χαρακτηριστικά, ο ρόλος της ερημικής σκόνης καθίσταται κυρίαρχος πάνω από ξηρές και ημίξηρες περιοχές του πλανήτη, ενώ πάνω από περιοχές οι οποίες χαρακτηρίζονται από εκτεταμένη καύση βιομάζας τα ανθρακούχα αερολύματα (οργανικός και μαύρος άνθρακας) συνεισφέρουν περισσότερο στην ολική DRE. Σε περιοχές οι οποίες επηρεάζονται από ανθρωπογενείς αστικές/βιομηχανικές εκπομπές (π.χ. ανατολική Ασία, Ινδία) ιδιαίτερα σημαντικός είναι ο ρόλος των θειικών αερολυμάτων και του μαύρου άνθρακα. Κατά την διάρκεια της περιόδου μελέτης διαπιστώθηκε πως το φορτίο και η DRE των αερολυμάτων παρουσιάζουν αξιόλογη διαχρονική μεταβλητότητα. Το πιο αξιοσημείωτο χαρακτηριστικό της διαχρονικής μεταβολής είναι η ισχυρή και σχετικά μακροχρόνια επίδραση (ψύξη σε επιφάνεια και κορυφή ατμόσφαιρας) των ηφαιστειακών εκρήξεων μεγάλης κλίμακας (El Chichón, αρχές δεκαετίας του 1980 και Pinatubo, αρχές της δεκαετίας του 1990) λόγω των ισχυρών εκπομπών θειικών σωματιδίων. Η ελάττωση του φορτίου των ανθρωπογενών θειικών αερολυμάτων λόγω της λήψης μέτρων για τον περιορισμό της ατμοσφαιρικής ρύπανσης έχει ως αποτέλεσμα μια τάση θέρμανσης στην επιφάνεια της Γης και στην κορυφή της ατμόσφαιρας στην Ευρώπη και στις δυτικές ΗΠΑ. Ωστόσο, σε πλανητική κλίμακα οι μεταβολές αυτές αντισταθμίζονται από την αύξηση του ανθρωπογενούς φορτίου αερολυμάτων πάνω από την ανατολική και νότια Ασία (Ινδία-Κίνα). Επίσης, πάνω από τις περισσότερες περιοχές οι οποίες επηρεάζονται από καύση βιομάζας διαπιστώθηκε μια αύξηση της ψύξης στην επιφάνεια της Γης και της θέρμανσης εντός της ατμόσφαιρας λόγω της αύξησης του φορτίου των ανθρακούχων αερολυμάτων.