“Ξεκλειδώνει” με τη χρήση καινοτόμου Laser τα μυστικά των ρυπογόνων αιωρούμενων σωματιδίων, της γύρης και της αφρικανικής σκόνης

Μικρά και ιδιαίτερα δύσκολα στη σύλληψη τους από τα επιστημονικά όργανα, αυτή τη στιγμή που εμείς ανέμελοι περπατάμε και ζούμε στην επιφάνεια της γης, κάνουν τον γύρο της γης χαμηλά ή ακόμη και σε πολύ μεγάλα ύψη, στην τροπόσφαιρα και «…ακόμη χειρότερα στη στρατόσφαιρα όπου άπαξ και πάνε θα κάνουν πάρα πολύ καιρό, χρόνια ακόμη να φύγουν…».

Ο λόγος για τα αιωρούμενα σωματίδια που από την αυγή του 21ου αιώνα είναι όλο και περισσότερο στο “στόχαστρο” των επιστημόνων. Κάπου εδώ ξεκινά η ιστορία μιας επιστήμονα που είναι πρωτοπόρος στον κόσμο στην επιστημονική χρήση τεχνολογιών LiDAR για τον εντοπισμό ατμοσφαιρικής γύρης. Είναι μια Ελληνίδα με καταγωγή από τη Θεσσαλονίκη, σπουδές στο ΑΠΘ και έρευνα που έφερε μια μπροστά σε μια στιγμή “εύρηκα” ιδιαίτερα σημαντική σε παγκόσμιο επίπεδο. «Ήταν μια στιγμή ιδιαίτερα εκείνη που εκκίνησε την εξειδίκευση που έχω. Βλέπετε, μέχρι κάποια στιγμή νομίζαμε πως με τα συστήματα laser τύπου LiDAR μπορούσαμε να μετρήσουμε διάφορα σωματίδια ποτέ όμως την ατμοσφαιρική γύρη. Νομίζαμε πως καθώς πρόκειται για ένα “μεγάλο” αιωρούμενο σωματίδιο που δεν θα μπορούμε να το δούμε με LiDAR στα μήκη κύματος που λειτουργεί αυτή η τεχνολογία laser. Η ιδιαίτερη στιγμή στην καριέρα μου ήρθε μια ημέρα όταν ήμουν στην Φινλανδία και έβλεπα από το παράθυρο του γραφείου μου τεράστιες ποσότητες από αυτή τη γύρη.

Την επόμενη ημέρα καθώς έβλεπα τα σήματα από το σύστημα αυτό, προσπαθούσα να καταλάβω εάν αυτό που έβλεπα στην εικόνα ήταν π.χ φωτιές από τη Ρωσία ή σκόνη από τη Σαχάρα και τίποτα δεν ταίριαζε για το ταυτοποιήσω με αυτό που έδειχνε το laser. Ήταν εκείνη τη στιγμή που είπα, «λες αυτό που φαίνεται να είναι η γύρη;!”». Αυτή ήταν η πρώτη φορά που επιστήμονες είδαμε ατμοσφαιρική γύρη με LiDAR και ήταν η έναρξη της δημιουργίας της συγκεκριμένης τεχνογνωσίας που έφερα επιστρέφοντας στην Ελλάδα…» εξήγησε μιλώντας στον ραδιοφωνικό σταθμό του ΑΠΕ ΜΠΕ, “Πρακτορείο 104.9FM” για το επίτευγμα της η Θεσσαλονικιά Ελίνα Γιαννακάκη. Η κα Γιαννακάκη σήμερα είναι επίκουρος καθηγήτρια στο ΕΚΠΑ, πειραματικός φυσικός, μια από τις λίγες επιστήμονες στον κόσμο που ειδικεύεται στην χρήση τεχνολογιών LiDAR (Light Detection and Ranging), τουτέστιν ενεργητικής τηλεπισκόπησης με οπτική τεχνολογία laser. Το ερευνητικό της έργο εστιάζεται στις επίγειες και τις δορυφορικές μετρήσεις ενεργής τηλεπισκόπησης lidar με σκοπό την ανάκτηση των γεωμετρικών, οπτικών και μικροφυσικών ιδιοτήτων των αιωρούμενων σωματιδίων και των νεφών, την μελέτη της αλληλεπίδρασης μεταξύ σωματιδίων και νεφών, και την επίδραση τους στο κλιματικό ισοζύγιο της ακτινοβολίας ενώ ειδικά σε ότι αφορά την έρευνα για τις μικροφυσικές ιδιότητες των αιωρούμενων σωματιδίων και των νεφώνη, η κα. Γιαννακάκη είναι πιθανότατα η μοναδική με αυτή την ειδίκευση στην Ελλάδα.

Από την πρώτη της ανακάλυψη μέχρι σήμερα μια σειρά από τεχνολογικές καινοτομίες των τελευταίων ετών επιτρέπουν την καλύτερη και βαθύτερη μελέτη τους ενώ νέα συστήματα χρησιμοποιούνται ώστε να γίνουν κατανοητές οι οπτικές ιδιότητες όλων των πραγμάτων που υπάρχουν στην ατμόσφαιρα και την σκεδάζουν «… δηλαδή τα αιωρούμενα σωματίδια, τα μικρά, μικρά αυτά κομματάκια είτε ανθρωπογενή, είτε φυσικά που αιωρούνται στην ατμόσφαιρα και φτιάχνουν σύννεφα, τα σωματίδια που προέρχονται από φυσικές αλλά και ανθρωπογενείς πηγές», όπως εξηγεί η ειδικός.

Απόφοιτη του Φυσικού τμήματος του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης η κα Γιαννακάκη απέκτησε μετά από την πρωτοποριακή ιδέα που είχε, την σπάνια ειδικότητα όταν εργάστηκε στο Finnish Meteorological Institute (FMI) στο Κουόπιο της Φινλανδίας. Από τότε ειδικεύεται στη χρήση των ενεργών συστημάτων για την μελέτη αυτών των σωματιδίων. «Η λέξη-κλειδί εδώ είναι είναι το «ενεργητική», που σημαίνει πως επειδή ξέρω τι φως στέλνω στην ατμόσφαιρα, ξέρω πότε το στέλνω και γνωρίζω την ταχύτητα του φωτός, μπορώ να καταλάβω πότε αυτό το φως μου γυρίζει πίσω και άρα μπορώ να καταλάβω από ποια απόσταση αυτό μου έχει γυρίσει και έτσι, να καταλάβω και την κατακόρυφη κατανομή αυτού που θέλω να μετρήσω. Ξέρω δηλαδή κάθε στιγμή, από που μου γυρνάει αυτό το σήμα. Αυτό είναι σημαντικό γιατί στην ατμόσφαιρα μας έχουμε πάρα πολλούς σκεδαστές -που σκεδάζουν το φως- όπως π.χ έντομα, γύρη, σωματίδια, νέφη, πουλιά, αλλά και κάθε τι που θα βρεθεί στο δρόμο αυτής της δέσμης laser και θα σκεδάσει, θα κρύψει δηλαδή σαν ανάκλαση ένα ποσοστό του φωτός που θα στείλω. Με αυτό τον τρόπο και με τη χρήση ενός κατάλληλου δέκτη που θα συλλέξει αυτό το φως, τα φωτόνια – ένα τηλεσκόπιο για παράδειγμα – μετράω τα φωτόνια που μου έρχονται πίσω και μπορώ να εμμέσως να καταλάβω τι μου ήρθε και από ποια απόσταση μου ήρθε», εξηγεί η πειραματικός φυσικός.

Από το έδαφος, τα αεροπλάνα και τώρα το Διάστημα

Στη “μάχη” για την κατανόηση του τρόπου λειτουργίας τους η κα Γιαννακάκη εξηγεί πως εδώ και πολλά χρόνια για τη μέτρηση αιωρούμενων σωματιδίων συχνά χρησιμοποιούνται επιτόπιες (in-situ) μετρήσεις, οι οποίες προσφέρουν λεπτομερή περιγραφή της σωματιδιακής ρύπανσης. Ωστόσο, όπως εξηγεί, οι πλατφόρμες πάνω στις οποίες πραγματοποιούνται προσφέρουν μόνο τοπική περιγραφή των αιωρούμενων σωματιδίων, οι οποίες δεν μπορούν να θεωρηθούν αντιπροσωπευτικές της ευρύτερης περιοχής. «Οι in-situ μετρήσεις που πραγματοποιούνται από ένα αεροπλάνο προσθέτουν μια επιπλέον διάσταση, την κατακόρυφη. Όμως τέτοιου είδους μετρήσεις πραγματοποιούνται συνήθως μόνο κατά την διάρκεια μετρήσεων πεδίου και ως εκ τούτου δεν είναι δυνατή η συνεχής καταγραφή της σωματιδιακής ρύπανσης τόσο οριζόντια όσο και κατακόρυφα. Κατά τις προηγούμενες δεκαετίες, τα ηλιακά φωτόμετρα αποτέλεσαν την πιο συστηματική μέθοδο καταγραφής των ατμοσφαιρικών συνθηκών. Οι παραγόμενες ποσότητες όμως αναφέρονται στην ολική ατμοσφαιρική στήλη και αυτό σημαίνει ότι δεν υπάρχει διαχωρισμός των ιδιοτήτων των αιωρούμενων σωματιδίων του οριακού στρώματος που συνήθως επηρεάζονται από τις τοπικές πηγές και των σωματιδίων της ελεύθερης τροπόσφαιρας, που συχνά είναι αποτέλεσμα μεταφοράς σωματιδίων από μεγάλες αποστάσεις. Το ίδιο ισχύει και για τους παθητικούς αισθητήρες δορυφορικών οργάνων που χρησιμοποιούνται για τη συνεχή καταγραφή των αιωρούμενων σωματιδίων σε παγκόσμια κλίμακα. Οι παθητικοί αισθητήρες είναι ικανοί να διακρίνουν τα λεπτόκοκκα από τα χονδρόκοκκα αιωρούμενα σωματίδια ως αποτέλεσμα των ανθρωπογενών και φυσικών σωματιδίων ατμοσφαιρικής ρύπανσης, με αβεβαιότητα 30%. Αυτή η τιμή αβεβαιότητας ισχύει στον ωκεανό, ενώ στην ξηρά οι αβεβαιότητες είναι μεγαλύτερες, λόγω του ανακλώμενου από την επιφάνεια της Γης σήματος», περιγράφει η ειδικός στις συγκεκριμένες τεχνολογίες με την ιδιαίτερη εξειδίκευση.

Η κα Γιαννακάκη τονίζει πως τώρα πια με τη χρήση laser, η επιστημονική κοινότητα έχει ένα σημαντικό όπλο για την παρακολούθηση των σωματιδίων. «Νέες τεχνολογίες που αξιοποιούν την ενεργητική τηλεπισκόπηση είναι πολλά υποσχόμενες για την αντιμετώπιση πολλών από τους προαναφερθέντες περιορισμούς. Συγκεκριμένα η τεχνική LiDAR χρησιμοποιεί τη δική της πηγή φωτός, ξεπερνώντας έτσι τους περιορισμούς ανάκλασης της επιφάνειας και μπορεί τελικά να παρέχει εξίσου ακριβείς ανακτήσεις τόσο πάνω από τη ηπειρωτική επιφάνεια όσο και πάνω από τον ωκεανό. Επιπλέον, είναι δυνατή η ανίχνευση οπισθοσκεδασμένων σημάτων από διαφορετικά υψόμετρα/αποστάσεις το οποίο επιτρέπει την εξαγωγή της κατακόρυφης κατανομής των αιωρούμενων σωματιδίων» εξηγεί. Η Ελληνίδα πειραματικός φυσικός τονίζει μάλιστα πως λόγω των πλεονεκτημάτων της μεθόδου LiDAR στην παρακολούθηση της συγκέντρωσης των αιωρούμενων σωματιδίων η χρήση της έχει ελκύσει το ενδιαφέρον της ερευνητικής κοινότητας τα τελευταία χρόνια ενώ εξηγεί και πως τα συστήματα ενεργητικής τηλεπισκόπησης LiDAR έχουν επίσης χρησιμοποιηθεί για τον χαρακτηρισμό και την καθ΄ ύψος αποδόμηση των αιωρούμενων σωματιδίων.

H διάσημη σαχαριανή σκόνη, η… πεισματάρα γύρη και η υγεία

H ατμοσφαιρική ρύπανση, που προκαλείται κατά κύριο λόγο από ανθρωπογενείς δραστηριότητες έχει, σύμφωνα με τον Παγκόσμιο Οργανισμό Υγείας (ΠΟΥ), σημαντικό μερίδιο στην κλιματική αλλαγή και νοσηρά αποτελέσματα στην ανθρώπινη υγεία, όπως σχολιάζει η κα. Γιαννακάκη που αναφέρει πως δεδομένα παρακολούθησης συγκεντρώσεων των μεγάλων αιωρούμενων σωματιδίων σε αστικά κέντρα έχουν αποδείξει την συσχέτισή τους με σοβαρές ασθένειες του ανθρώπινου αναπνευστικού και καρδιαγγειακού συστήματος, ενώ τα μικρότερα αποτελούν ακόμα πιο σοβαρή απειλή για την υγεία καθώς η σύσταση τους περιλαμβάνει, μεταξύ άλλων, υδατοδιαλυτά ιόντα. «Υπάρχουν πολλές μελέτες που συνδέουν και την ανθρωπογενή ατμοσφαιρική ρύπανση με το αντίστοιχο τοξικό στρες και πως αυτό επηρεάζει την υγεία των ανθρώπων», σημειώνει η επίκουρος καθηγήτρια στο ΕΚΠΑ. Η ατμοσφαιρική ρύπανση των αιωρούμενων σωματιδίων μάλιστα πυροδοτείται από μια τεράστια γκάμα πηγών.

«Οι πηγές των αιωρούμενων σωματιδίων μπορεί να είναι είτε ανθρωπογενείς είτε φυσικές. Οι ωκεανοί και οι θάλασσες είναι μια τεράστια πηγή φυσικών ρύπων. Ο ωκεανός εκλύει συνεχώς αιωρούμενα σωματίδια στην ατμόσφαιρα με την μορφή σωματιδίων άλατος τα οποία είναι διαβρωτικά για τα μέταλλα και τις κατασκευές. Επιπλέον σημαντική φυσική πηγή αιωρούμενων σωματιδίων είναι και οι έρημοι κάτι που π.χ γνωρίζει και ο κόσμος στην Θεσσαλονίκη την άνοιξη και τα τέλη καλοκαιριού με την σαχαριανή σκόνη. Φυσική πηγή αποτελούν και οι εκρήξεις ηφαιστείων κατά τις οποίες εκλύονται μεγάλες ποσότητες θειϊκών ενώσεων. Οι εκλύσεις μιας έκρηξης μπορεί να είναι τέτοιου μεγέθους που να δημιουργήσουν διαταραχή στο περιβάλλον σε μεγάλη απόσταση από την ηφαιστειακή πηγή κάτι που ονομάζουμε long range transport και είναι πολύ πιο σύνηθες από ότι νομίζουμε… Οι φωτιές στα δάση κατατάσσονται επίσης στις φυσικές πηγές παρότι μπορεί να πυροδοτήθηκαν αρχικά από ανθρώπινη αμέλεια και ασυνειδησία. Τέτοιες φωτιές εκλύουν μεγάλες ποσότητες ρύπων σε μορφή καπνού, άκαυστων πηγή υδρογονανθράκων. Τα πρωτογενή βιογενή αεροζόλ που αποτελούνται από θραύσματα φυτών, δομικά υλικά και μικροβιακά σωματίδια είναι μία φυσική πηγή αιωρούμενων σωματιδίων» τονίζει η σπάνιας ειδίκευσης Ελληνίδα επιστήμονας που εξηγεί ακόμη πως η κλιματική αλλαγή έχει επηρεάσει και την περίοδο της ανθοφορίας και έτσι για παράδειγμα στα δικά μας γεωγραφικά πλάτη της περιοχής της Ελλάδας έχουμε περισσότερη γύρη περισσότερους μήνες. «Είναι σωματίδια που βρίσκονται πάνω από το οριακό στρώμα στην ατμόσφαιρα δηλαδή σε ύψη όπως δύο, τρια, πέντε χιλιόμετρα που καταληκτικά θα πέσουν, θα μπούνε μέσα οριακό στρώμα και θα τα ανασαίνουμε» συμπληρώνει.

Το αβέβαιο των προβλέψεων και το πρωτοποριακό έργο

«Η εξάρτηση του σύγχρονου ανθρώπου από την βιομηχανία έχει ως αποτέλεσμα την κατάταξη της βιομηχανίας σε έναν από τους κυριότερους παράγοντες ανθρωπογενούς ρύπανσης. Ένα μεγάλο δε ποσοστό της βιομηχανικής ρύπανσης προέρχεται από την επεξεργασία πρώτων υλών π.χ. ορυκτά, ξυλεία, αργό πετρέλαιο για παραγωγή εξειδικευμένων προϊόντων και ενέργειας με την βιομηχανική ρύπανση να προκαλείται επίσης και από μεταποιητικές βιομηχανίες. Μη βιομηχανικές εκπομπές διαφυγόντων σωματιδίων ανθρωπογενούς προέλευσης αποτελούν οι μηχανικές διεργασίες όπως είναι η σκόνη που παρασύρεται από τα οχήματα, οι αγροτικές δραστηριότητες, οι καύσεις ορυκτών καυσίμων, η καύση βιομάζας», εξηγεί η κα. Γιαννακάκη. Την ίδια ώρα επισημαίνει πως είναι σημαντικό να γίνει κατανοητό πως οι ποσότητες στοιχειακού άνθρακα που παράγονται κατά την καύση ορυκτών καυσίμων είναι μεγαλύτερες σε σχέση με τις ποσότητες που προκύπτουν με την καύση βιομάζας και επιπλέον εξηγεί πως ο στοιχειακός άνθρακας προς στοιχειακό και οργανικό άνθρακα λαμβάνει μεγαλύτερες τιμές κατά την καύση ορυκτών καυσίμων έναντι της καύσης βιομάζας.

Υπάρχει ασφαλής διαδρομή για την βελτίωση της κατάστασης αυτής; την ρωτήσαμε. «Οι προβλέψεις για το κλίμα είναι εξαιρετικά αβέβαιες λόγω της υψηλής μεταβλητότητας της συγκέντρωσης των αιωρούμενων σωματιδίων και της ανεπαρκούς γνώσης μας για την επίδραση των αιωρούμενων σωματιδίων στις διεργασίες των νεφών» απαντά η επίκουρος καθηγήτρια στο ΕΚΠΑ που την ίδια ώρα τονίζει πως η βελτίωση της κατανόησής μας σχετικά με τους μηχανισμούς αλληλεπίδρασης μεταξύ των σωματιδίων και των νεφών απαιτεί «νέες τεχνικές για την εξαγωγή της κατακόρυφης κατανομής των ιδιοτήτων των νεφών καθώς και τη σύνδεση τους με το τύπο των σωματιδίων». Προς αυτή τη κατεύθυνση η Ελληνίδα πειραματικός φυσικός στο πλαίσιο του ερευνητικού προγράμματος το οποίο χρηματοδοτείται από το Ελληνικό Ίδρυμα Έρευνας και Καινοτομίας προτείνει «μια προσέγγιση αιχμής που θα χρησιμοποιεί την υψηλή κατακόρυφη ανάλυση που παρέχεται από τον δορυφόρο CALIPSO».

Το συγκεκριμένο έργο περιλαμβάνει νέες τεχνικές που αναπτύχθηκαν στο δίκτυο lidar EARLINET (σ.σ European Aerosol Research Lidar Network, EARLINET), δίκτυο που ιδρύθηκε το 2000 για την εκτίμηση της συγκέντρωσης εκείνων των σωματιδίων που σχετίζονται με το σχηματισμό νεφών. Τα αποτελέσματα του καινοτόμου ερευνητικού προγράμματος στο οποίο εργάζεται σήμερα η κα. Γιαννακάκη θα τα μελετήσει συνδυαστικά αφού επιπλέον θα επικυρωθούν με επιτόπιες παρατηρήσεις πυρήνων συμπύκνωσης νεφών (σ.σ CCN) και παγοποίησης (σ.σ INPs) από πειραματικές εκστρατείες. Την ίδια ώρα η αλληλεπίδραση μεταξύ των νεφών του πλανήτη μας και των σωματιδίων θα μελετηθεί, όπως εξηγεί, περαιτέρω με τη συνέργεια των σύγχρονων δορυφορικών παρατηρήσεων που ονομάζονται CloudSat και CALIPSO. Με άλλα λόγια θα πρέπει να είμαστε χαρούμενοι που σήμερα, το 2024, τεχνολογικά εργαλεία πάνω στη γη, σε αεροσκάφη αλλά, πια, και σε δορυφόρους είναι στο… κυνήγι των αιωρούμενων σωματιδίων και των νεφών. Προσεχώς ανακαλύψεις με ελληνική τεχνογνωσία λοιπόν…

πηγή ΑΠΕ ΜΠΕ