Με την βοήθεια τεχνικών για συστήματα αλληλεπιδρώντων σωματιδίων, σκιαγραφήθηκαν και αποδείχθηκαν θεωρήματα για μοντέλα γνώμης και πολιτιστικής δυναμικής. Τα χωρικά αυτά στοχαστικά μοντέλα εξετάζονται ως γενικεύσεις με μια παράμετρο εμπιστοσύνης ε του γνωστού μοντέλου ψηφοφόρου. Το κεντρικό ερώτημα είναι ο καθορισμός της ασυμπτωτικής δυναμικής, η οποία ενδέχεται να εμφανίζει μετάβαση φάσης από μια ποιοτική συμπεριφορά σε κάποια άλλη. Τα παραχθέντα θεωρήματα αφορούν: α) στην επέκταση του θεωρήματος ομαδοποίησης του Lanchier (2012) σε αυθαίρετους γράφους απόψεων, και β) στην εφαρμογή της μεθοδολογίας των Bramson και Griffeath (1989) σε δυο συστήματα με ουδέτερες αλληλεπιδράσεις, την ουδέτερη εκδοχή των κυκλικών συστημάτων σωματιδίων και γ) το μοντέλο Axelrod για την διάχυση των πολιτιστικών περιοχών. Στα δυο τελευταία μοντέλα εξετάζονται τα φαινόμενα τόσο της καθήλωσης (η άποψη κάθε δράστη μεταβάλλεται πεπερασμένα συχνά) όσο και του κατακερματισμού (μη ομαδοποίηση) του άπειρου συστήματος. / By the use of techniques from interacting particle systems, heuristics and proof have been produced for opinion and cultural dynamical models. These stochastic spatial models are investigated as generalizations with a confidence parameter ε of the well-known voter model. The main question is the characterization of dynamics in the asymptotic limit of time, which may exhibit phase transition from one qualitative behavior to another. The produced theorems are: a) an extension of the clustering theorem by Lanchier (2012) to arbitrary opinion graphs, and b) the appropriation of the Bramson and Griffeath (1989) methodology for systems with neutral interactions, namely, a neutral version of cyclic particle systems and c) the model of Axelrod for the diffusion of cultural domains. In the last two models, the studied phenomena is the fixation of the infinite system (each agent changes her opinion finitely often) to a fragmented configuration (non-clustering).

This thesis is focused on the aerosols and clouds optical properties and the effects that these parameters have on the solar radiation transfer in the atmosphere. The first chapter provides a brief description of the basic concepts of radiative transfer. The radiative transfer theory is described, along with various approximations, used to address specific atmospheric transfer problems. The atmospheric constituents, which are of interest of this thesis, aerosols and clouds, are described, in terms of their types and radiative properties and the main aspects of the scattering and absorption that they induce on the solar radiation, are provided. The second chapter provides a description of the networks, models and satellite instruments, whose data were used in this thesis, along with a description of the radiative transfer model, used for the simulations. Chapter three focuses on the aerosol optical properties in the ultraviolet and visible wavelength ranges, in the Mediterranean. Three datasets, from ground-based stations, global aerosol models and satellite instruments, are used to simulate the corresponding irradiances in the UV and VIS, in eight stations in the Mediterranean basin. Data from AERONET, AeroCom and MODIS are used and the differences on the modeled irradiances, which arise from the different aerosol optical properties provided by each dataset, are examined. The irradiance simulations are performed with the libRadtran radiative transfer model. The MODIS aerosol optical depth climatology shows better agreement with AERONET data. The highest difference in the monthly average values is equal to 0.09 at 550nm, while the differences between the AERONET and the AeroCom climatologies reach 0.25 and 0.15 in the UV and VIS wavelengths respectively. As a result, the AERONET modeled VIS and UV irradiances are closer to MODIS, with the absolute differences in average values reaching 6%, while absolute differences with AeroCom irradiances can reach up to 12%. The differences are higher in areas affected by desert dust aerosols. In chapter four, the aerosol direct effect on the UV solar irradiance, is examined, at a typical West European site. Measurements from a Brewer instrument, operating at the site, are used, along with model simulations, provided from libRadtran, to estimate the aerosol forcing efficiency in the 300-360 nm spectral region and in the UV-B region of 300-315nm. Instrument measurements and model calculations are subsequently used to derive the aerosol single scattering albedo at low UV-A and at UV-B wavelengths. In the 300-360 nm spectral region, the highest values were revealed at 30o (-6.9 ± 0.9 W/m2), while at 60o the RFE was almost 2.5 times lower (-2.7 ±0.1 W/m2). In the UV-B region (300-315nm), the RFE value at 60o and 30o was estimated to be equal to -0.069 ±0.005 W/m2 and -0.35 ±0.04 W/m2, respectively. The estimated monthly averages of the Brewer single scattering albedo at 320 nm are in very close agreement (within ±0.01) with measurements at 440nm from a collocated CIMEL sunphotometer. Chapter five focuses on the aerosol effect on the Direct Normal Irradiance, in the area of Europe. Data from the MODIS satellite instrument, AERONET network and model simulations with SBDART, are used to calculate the daily amount of Direct Normal Irradiance received in the European continent, with a spatial resolution of 1°x1°, for a 13-year period. The clear-sky aerosol radiative forcing is calculated and possible variations in the received Direct Normal Irradiance, during the 13-year studied period, are examined. The clear-sky aerosol radiative forcing on Direct Normal Irradiance is high in areas influenced by desert dust and intense anthropogenic activities, such as the Mediterranean basin and the Po Valley in Italy. In May, the attenuation from aerosols, over these areas, can reach values up to 35% and 35-45%, which corresponds to 4 and 4.5-6 kWh/m2 per day, respectively. The Direct Normal Irradiance received, seems to have increased during the recent period, due to the decreasing trend of aerosol load, over many parts of Europe. The largest increases are around 6 to 12%, which correspond to an amount of 0.5 to 1.25 more kWh/m2 received per day. Finally, chapter six focuses on the retrieval of solar irradiance on the ground, based on satellite-derived cloud data. The SEVIRI instrument, onboard the MSG satellites, is used to provide data regarding the cloud modification factor. These data are used, along with model simulations, performed with libRadtran, to derive the global solar irradiance incident on a horizontal surface, a surface with a tilted orientation and the direct normal irradiance. The study focuses on the area of Greece and the work is part of the Hellenic Network for Solar Energy, developed to support solar energy applications. The daily amount of solar energy, as well as the monthly and annual sums, are estimated, during an 11-year period and a monthly climatology is derived. Results are compared with measurements from various ground stations in Greece. Comparison shows a general good agreement between satellite and stations data, with the highest differences occurring in cases of broken cloud conditions or very thick clouds. Solar energy collected from surfaces under tilted orientations can provide 15-25 % higher amounts than horizontal surfaces. In Greece, the highest collected monthly solar energy values are found during summer months, in Southern Peloponnese, Crete and the Cyclades islands, and exceed 250 kWh/m2. / Η παρούσα διατριβή ασχολείται με τις οπτικές ιδιότητες των αιωρούμενων σωματιδίων και των νεφών και τις επιδράσεις που αυτές έχουν στη διάδοση της ηλιακής ακτινοβολίας στην ατμόσφαιρα. Το πρώτο κεφάλαιο παρέχει μια σύντομη περιγραφή των βασικών αρχών που διέπουν τη διάδοση της ηλιακής ακτινοβολίας. Η θεωρία της διάδοσης της ακτινοβολίας περιγράφεται, μαζί με διάφορες προσεγγίσεις, που χρησιμοποιούνται για τη λύση συγκεκριμένων προβλημάτων στις ατμοσφαιρικές επιστήμες. Τα συστατικά της ατμόσφαιρας, που είναι άμεσου ενδιαφέροντος σε αυτήν τη διατριβή, τα αιωρούμενα σωματίδια και τα νέφη, περιγράφονται, με βάση τους τύπους τους και τις οπτικές τους ιδιότητες, ενώ περιγράφονται ακόμα οι βασικές αρχές της σκέδασης και της απορρόφησης, μέσω των οποίων επηρρεάζουν τη διάδοση της ηλιακής ακτινοβολίας. Το δεύτερο κεφάλαιο παρέχει μια περιγραφή των επίγειων δικτύων, μοντέλων και δορυφορικών οργάνων, των οποίων τα δεδομένα χρησιμοποιήθηκαν, για τη διεκπαιρέωση αυτής της διατριβής, μαζί με την περιγραφή του μοντέλου διάδοσης της ακτινοβολίας, που χρησιμοποιήθηκε για τους θεωρητικούς υπολογισμούς. Το τρίτο κεφάλαιο επικεντρώνεται στις οπτικές ιδιότητες των αιωρούμενων σωματιδίων, στο υπεριώδες και ορατό κομμάτι του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος, στην Μεσόγειο. Τρεις ξεχωριστές βάσεις δεδομένων, από επίγειους σταθμούς, μοντέλα και δορυφορικά όργανα, χρησιμοποιούνται για τον υπολογισμό της ακτινοβολίας στο υπεριώδες και ορατό, σε οχτώ σταθμούς στην περιοχή της Μεσογείου. Χρησιμοποιούνται δεδομένα από το AERONET, το AeroCom και το MODIS και μελετούνται οι διαφορές στις υπολογιζόμενες, από το μοντέλο, ακτινοβολίες, οι οποίες προκύπτουν από τις διαφορές στις οπτικές ιδιότητες των αιωρούμενων σωματιδίων, που παρέχονται από κάθε βάση δεδομένων. Οι ακτινοβολίες υπολογίζονται με το μοντέλο διάδοσης ακτινοβολίας libRadtran. Τα δεδομένα του MODIS βρίσκονται σε καλύτερη συμφωνία με αυτά του AERONET, με τη μέγιστη διαφορά στο οπτικό βάθος, στα 550 nm, να είναι ίση με 0.09, ενώ οι αντίστοιχες διαφορές με το AeroCom υπολογίζονται στα 0.25 και 0.15, για το υπεριώδες και ορατό αντίστοιχα. Ως αποτέλεσμα, οι απόλυτες διαφορές στις υπολογιζόμενες ακτινοβολίες, μεταξύ AERONET και MODIS υπολογίζονται γύρω στο 6%, ενώ αυτές που αφορούν την κλιματολογία AeroCom φτάνουν το 12%. Οι μεγαλύτερες διαφορές αφορούν περιοχές που επηρεάζονται από σωματίδια ερημικής σκόνης. Στο τέταρτο κεφάλαιο, η άμεση επίδραση των αιωρούμενων σωματιδίων, στην υπεριώδη ακτινοβολία, μελετάται, για μια τυπική περιοχή της Δυτικής Ευρώπης. Μετρήσεις από ένα όργανο Brewer, που λειτουργεί στην περιοχή και θεωρητικοί υπολογισμοί με το μοντέλο libRadtran, χρησιμοποιούνται για τον υπολογισμό της ικανότητας κλιματικού εξαναγκασμού των αιωρούμενων σωματιδίων, στο φάσμα 300-360 nm και στο UV-B φάσμα των 300-315nm. Μετρήσεις από το όργανο και θεωρητικοί υπολογισμοί, χρησιμοποιούνται στη συνέχεια για τον υπολογισμό της ανακλαστικότητας μεμονωμένης σκέδασης των αιωρούμενων σωματιδίων, σε χαμηλά UV-A και σε UV-B μήκη κύματος. Στο φάσμα 300-360 nm, οι μεγαλύτερες τιμές της ικανότητας κλιματικού εξαναγκασμού, παρατηρούνται στις 30o (-6.9 ± 0.9 W/m2), ενώ στις 60o οι τιμές είναι σχεδόν 2.5 φορές χαμηλότερες (-2.7 ±0.1 W/m2). Στο UV-B κομμάτι του φάσματος (300-315nm), οι αντίστοιχες τιμές στις 60o και 30o υπολογίζονται ίσες με -0.069 ±0.005 W/m2 και -0.35 ±0.04 W/m2. Συγκρίνοντας τις τιμές που προκύπτουν για την ανακλαστικότητα μεμονωμένης σκέδασης στα 320 nm, με αυτές από το γειτονικό CIMEL στα 440 nm, προκύπτει πολύ καλή συμφωνία (±0.01). Το πέμπτο κεφάλαιο, επικεντρώνεται στην επίδραση των αιωρούμενων σωματιδίων στην άμεση ηλιακή ακτινοβολία, σε επίπεδο κάθετο στην κατεύθυνση της ακτινοβολίας, στην περιοχή της Ευρώπης. Δεδομένα από το MODIS, το AERONET και θεωρητικοί υπολογισμοί με το μοντέλο SBDART, χρησιμοποιούνται για τον υπολογισμό της ημερήσιας ποσότητας άμεσης ηλιακής ακτινοβολίας, στην Ευρώπη, με χωρική ανάλυση 1°x1° για μια χρονική περίοδο 13 ετών. Ο κλιματικός εξαναγκασμός, υπό ανέφελο ουρανό, των αιωρούμενων σωματιδίων και πιθανές μεταβολές στην ληφθείσα άμεση ακτινοβολία κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου, μελετούνται. Οι επιδράσεις των αιωρούμενων σωματιδίων είναι σημαντικές σε περιοχές που επηρεάζονται από σωματίδια ερημικής σκόνης και περιοχές με έντονη ανθρωπογενή δραστηριότητα, όπως η Μεσόγειος και η κοιλάδα του Πάδου στην Ιταλία. Σε αυτές τις περιοχές η μείωση της ακτινοβολίας, λόγω αιωρούμενων σωματιδίων, φτάνει, το Μάιο, το 35% και 35-45%, που αντιστοιχεί σε 4 και 4.5-6 kWh/m2 την ημέρα. Η ληφθείσα άμεση ακτινοβολία έχει αυξηθεί κατά τα τελευταία χρόνια, λόγω ελάττωσης της συγκέντρωσης των αιωρούμενων σωματιδίων σε πολλά μέρη της Ευρώπης. Οι μεγαλύτερες αυξήσεις κυμαίνονται μεταξύ 6 και 12%, ποσοστό που αντιστοιχεί σε 0.5 με 1.25 kWh/m2 την ημέρα. Στο έκτο κεφάλαιο, αυτής της διατριβής, μελετάται ο υπολογισμός της ηλιακής ακτινοβολίας στο έδαφος, χρησιμοποιώντας δορυφορικά δεδομένα για την επίδραση των νεφών. Το όργανο SEVIRI, στους δορυφόρους MSG, χρησιμοποιείται για την παροχή δεδομένων σχετικά με το συντελεστή επίδρασης των νεφών. Τα δεδομένα αυτά, μαζί με θεωρητικούς υπολογισμούς με το μοντέλο libRadtran, χρησιμοποιούνται για τον υπολογισμό της ολικής ηλιακής ακτινοβολίας, σε οριζόντια επιφάνεια και σε επιφάνεια υπό κλίση, καθώς και τον υπολογισμό της άμεσης συνιστώσας σε επιφάνεια κάθετη στη διεύθυνση της ακτινοβολίας. Η μελέτη πραγματοποιείται για της περιοχή της Ελλάδας και αποτελεί κομμάτι του Ελληνικού Δικτύου Ηλιακής Ενέργειας, που έχει αναπτυχθεί για την υποστήριξη εφαρμογών και συστημάτων ηλιακής ενέργειας. Υπολογίζονται οι ημερήσιες ποσότητες ακτινοβολίας, οι μηνιαίες και οι ετήσιες τιμές, για μια περίοδο 11 ετών, καθώς και η μηνιαία κλιματολογία που προκύπτει για αυτήν την περίοδο. Η σύγκριση των αποτελεσμάτων με μετρήσεις από επίγειους σταθμούς, δίνει πολύ καλή συμφωνία, ενώ οι μεγαλύτερες διαφορές παρατηρούνται σε περιπτώσεις πολύ πυκνών νεφών. Η ηλιακή ακτινοβολία που συλλέγεται σε κεκλιμένη επιφάνεια, παρέχει 15-25 % μεγαλύτερα ποσά, σε σχέση με αυτήν που παρέχουν οριζόντιες επιφάνειες συλλογής. Στην Ελλάδα, τα μεγαλύτερα μηνιαία ποσά ηλιακής ενέργειας, παρατηρούνται κατά τους θερινούς μήνες, στη Νότια Πελοπόννησο, την Κρήτη και τις Κυκλάδες και ξεπερνούν τις 250 kWh/m2.

Σύμφωνα με την πρόσφατη έκθεση της Διακυβερνητικής Επιτροπής για την Κλιματική Αλλαγή (Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC), η επίδραση των αιωρούμενων σωματιδίων στο ενεργειακό ισοζύγιο της ατμόσφαιρας κρίνεται ως ιδιαίτερα σημαντική. Αυτό οφείλεται στα φαινόμενα σκέδασης και απορρόφησης που προκαλούν στην ηλιακή ακτινοβολία κατά τη διάδοσή της στην ατμόσφαιρα και στην επίδρασή τους στις ιδιότητες των νεφών. Στην παρούσα διπλωματική εργασία έγινε μια προσπάθεια ανάλυσης των δεδομένων που έχουμε στη διάθεσή μας από το διεθνές δίκτυο επίγειων σταθμών AERONET που λειτουργεί υπό την αιγίδα της NASA και από το δορυφορικό όργανο MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectoradiometer) που βρίσκεται στους δορυφόρους πολικής τροχιάς Terra και Aqua με σκοπό την εξαγωγή συμπερασμάτων σχετικά με τη χωρική και εποχική διακύμανση των οπτικών ιδιοτήτων των αιωρούμενων σωματιδίων και σχετικά με την αντιπροσωπευτικότητα των επιγείων σταθμών σε σύγκριση με το MODIS των δορυφόρων Terra και Aqua. Η μελέτη έγινε για τρεις αστικές περιοχές της Ελλάδας, την Αθήνα, το Ηράκλειο και τη Θεσσαλονίκη, όπου υπάρχουν επίγειοι σταθμοί και δορυφορικά δεδομένα από τη γύρω περιοχή με χωρική ανάλυση 10x10 km2. Η δομή της εργασίας έχει ως εξής: Στο πρώτο κεφάλαιο, δίνεται ο ορισμός των αιωρούμενων σωματιδίων, αναλύεται η χημική τους σύσταση, οι μορφές στις οποίες απαντώνται στην ατμόσφαιρα, οι πηγές προέλευσής τους, η κατανομή τους σε διάφορες κατηγορίες με διαφορετικά κριτήρια όπως επίσης και οι μηχανισμοί απομάκρυνσής τους από την ατμόσφαιρα. Στο δεύτερο κεφάλαιο, αναλύονται οι φυσικές ιδιότητες των αιωρούμενων σωματιδίων και οι μηχανισμοί επίδρασής τους στην ακτινοβολία. Ιδιαίτερη σημασία δίνεται στον εκθέτη Angstrom και στο οπτικό βάθος των αιρούμενων σωματιδίων καθώς είναι το αντικείμενο της μελέτης μας. Στη συνέχεια, στο τρίτο κεφάλαιο, γίνεται μια αναφορά στις επιδράσεις των αιωρούμενων σωματιδίων όσον αφορά στο κλίμα και στο ενεργειακό ισοζύγιο καθώς επίσης στην υγεία και στην ορατότητα. Στο τέταρτο κεφάλαιο, γίνεται αρχικά μια αναφορά στο διεθνές δίκτυο επιγείων σταθμών AERONET και στο φασματο-ραδιόμετρο MODIS από όπου έχουμε τις μετρήσεις μας. Έπειτα, περιγράφεται το πρώτο στάδιο της επεξεργασίας των μετρήσεών μας, το οποίο περιλαμβάνει τη σχηματική σύγκριση των μετρήσεων που έχουμε από τους επιγείους σταθμούς και τους δορυφόρους. Περνώντας στο πέμπτο κεφάλαιο της εργασίας, αναλύεται η μέθοδος με την οποία γίνεται η χωρική ομαδοποίηση των μετρήσεων από τους δορυφόρους και στη συνέχεια ακολουθεί το δεύτερο στάδιο της επεξεργασίας των μετρήσεων κατά το οποίο αναπαρίστανται τα σχήματα ομαδοποίησης των δορυφορικών μετρήσεων με διάφορα κριτήρια. Τέλος, στο έκτο κεφάλαιο, σχολιάζονται τα τελικά αποτελέσματα και εξάγονται τα αντίστοιχα συμπεράσματα για την εποχική και χωρική διακύμανση των αιωρούμενων σωματιδίων, αλλά και την αντιπροσωπευτικότητα των επιγείων σταθμών σε σχέση με τους δορυφόρους. / According to a recent report by the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC), the effect of suspended particles in the energy balance of the atmosphere is considered as very important. This is due to scattering and absorption phenomena caused by solar radiation during propagation in the atmosphere and their effect on the properties of clouds. This thesis was an attempt to analyze the available data by the international network of ground aerosol stations AERONET and the satellite instrument MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectoradiometer) on-board the Terra and Aqua satellites and investigate the spatial and temporal variation of the optical properties of aerosols and the representativeness of the earth stations compared to the MODIS satellites Terra and Aqua. The study was conducted in three urban areas of Greece, Athens, Heraklion and Thessaloniki, where there are data from ground-based stations and satellite estimations from the surrounding area with a spatial resolution of 10x10 km2. The structure of this thesis is as follows: The first chapter begins with a definition of aerosols, the analysis of their chemical composition, the forms with which aerosols occur in the atmosphere, the sources of their origin, their distribution in categories with different criteria as well as the mechanisms for their removal from the atmosphere. The second chapter analyzes the physical properties of aerosols and mechanisms of their influence on radiation. Particular attention is given to the Angstrom exponent and the optical depth of aerosols, parameters that lie within the object of our study. In the third chapter, there is a description of the aerosol effects on climate and the energy balance as well as health and visibility. In the fourth chapter, there is firstly a description of the international AERONET network of ground stations and the MODIS spectral radiometer. Then, we describe the first stage of our measurement analysis, which includes the schematic comparison of measurements derived from ground stations and satellites. In the fifth chapter, we analyze the method for the spatial clustering of measurements from satellites and the clustering shapes of satellite measurements using different criteria. Finally, in the sixth chapter, we discuss the results and conclusions corresponding to the seasonal and spatial variability of aerosols, and the representativeness of the ground measurements in comparison with the satellite estimations.

Οι επιπτώσεις των αιωρουμένων σωματιδίων στην υγεία τεκμηριώνονται σε σειρά μελετών (π.χ. Griffiths, 2011). Κατά τα τελευταία χρόνια επίσης έχουν μελετηθεί οι πηγές των αιωρουμένων σωματιδίων οι οποίες διαφέρουν ανάλογα με τον τόπο, την εποχή καθώς και τις ανθρώπινες δραστηριότητες (π.χ. Koçak et al, 2011; Schleicher et al, 2011; Song and Gao, 2011). Οι άνθρωποι εκτίθενται στα αιωρούμενα σωματίδια όχι μόνο κατά την παραμονή τους σε εξωτερικούς χώρους αλλά και σε εσωτερικούς. Η έκθεση αυτή είναι και η σημαντικότερη, δεδομένου ότι η πλειοψηφία των ανθρώπων βρίσκεται το μεγαλύτερο διάστημα της ημέρας σε εσωτερικούς χώρους. Η ποιότητα εσωτερικού αέρα ως προς τα αιωρούμενα σωματίδια έχει μελετηθεί σε κατοικίες (π.χ. Massey et al, 2012), γυμναστήρια (π.χ. Braniš et al, 2011), μέσα μαζικής μεταφοράς (π.χ. Kim et al, 2011) κ.λ.π. Στην εργασία θα γίνει ανασκόπιση και κριτική ανάλυση της πρόσφατης διεθνούς επιστημονικής βιβλιογραφίας που αφορά στη μελέτη των αιωρουμένων σωματιδίων στο εσωτερικό κτιρίων διαφόρων τύπων χρήσης. Η εργασία θα εστιάσει στη βιβλιογραφική ανασκόπηση των πηγών των αιωρουμένων σωματιδίων σε εσωτερικούς χώρους καθώς και των παραγόντων που επηρεάζουν τις συγκεντρώσεις τους. Θα διερευνηθεί η σχέση μεταξύ συγκεντρώσεων αιωρουμένων σωματιδίων στους χώρους και ταυτοχρόνως στο εξωτερικό περιβάλλον ως συνάρτηση των επικρατουσών κλιματολογικών συνθηκών. Θα δοθεί έμφαση στην ανάλυση των διαφόρων ερευνητικών αποτελεσμάτων και θα επιχειρηθεί η μεταξύ τους σύνδεση. Θα δοθεί ιδιαιτέρως έμφαση στη διερεύνηση και συγκριτική αξιολόγηση των μεθόδων που χρησιμοποιήθηκαν για την εξαγωγή των αποτελεσμάτων και στη σύγκριση και αντιπαραβολή των αποτελεσμάτων αυτών. Θα επιχειρηθεί επίσης και κριτική θεώρηση των στόχων της μεθοδολογίας, των αποτελεσμάτων και των συμπερασμάτων όσον αφορά στις επιπτώσεις σε διάφορους επιστημονικούς τομείς. / The impact of particulate matters (PM) on health is documented in a series of studies (e.g. Griffiths, 2011). Also the sources of PM have been studied recently. These differ, depenting on the location, the season and the type of human activities. (e.g. Kocak et al, 2011; Schleicher et al,2011; Song and Gao, 2011). Humans are exposed to PM not only outdoors but also in indoor spaces. This indoor exposure has a more important impact, since the majority of the population spend most of their time indoors. The indoor air quality (IAQ) with respect to PM has been studied in residential buildings (e.g. Massey et al, 2012), sports halls (e.g. Branis et al, 2011), public transportation means (e.g. Kim et al, 2011), etc. This work reviews and analyses the recent international scientific literature related to PM in indoor spaces of various uses. It focuses on the review of indoor PM sources and on the parameters affenting their concentrations. The relation between indoor and outdoor PM concentrations as a funtion of the weather conditions will also be studied. Emphasis willbe given on the analysis and synthesis of the variouw research results. Acomparative evaluation of the methods used will be performed. Also the aims of the methodology and the conclusions regarding their impact on various scientific fields will be critically analysed.

The Particulate Matter Source Apportionment Technology (PSAT) is used together with PMCAMx, a regional chemical transport model, to estimate how local emissions and pollutant transport affect primary and secondary particulate matter concentration levels in European megacities such as Paris, London and Po Valley. The case of Paris megacity was investigated in detail. During the summer and the winter period examined, only 13% of the PM2.5 is due to local Paris emissions, with 36% due to mid range (within 500 km from the center of the Paris) sources and 51% resulting from long range transport (more than 500 km from the center of the Paris). The local emissions contribution to elemental carbon (EC) is significant, with almost 60% of the EC originating from local sources during both summer and winter. Approximately 50% of the fresh primary organic aerosol (POA) originated from local sources and another 45% from areas 100-500 km from the receptor region during summer. Regional sources dominated the secondary PM components. More than 70% of the sulfate originated from SO2 emitted more than 500 km away from the center of the Paris. Also more than 45% of secondary organic aerosol (SOA) was due to the oxidation of VOC precursors that were emitted 100-500 km from the center of the Paris. Long range sources are more important during winter because the photochemical activity is lower. PSAT results for contributions of local and regional sources were also compared with observation-based estimates from field campaigns that took place during the MEGAPOLI project. PSAT predictions are in general consistent with these estimates OA and sulfate but PSAT predicts lower transported EC for both seasons. / Ο καταμεριστικός αλγόριθμος ατμοσφαιρικών σωματιδίων (PSAT, Particulate Matter Source Apportionment Technology) χρησιμοποιείται σε συνδυασμό με το τρισδιάστατο μοντέλο χημικής μεταφοράς PMCAMx με σκοπό να εκτιμήσει κατά πόσο οι τοπικές εκπομπές και η μεταφορά της ρύπανσης επηρεάζουν τα πρωτογενή και τα δευτερογενή επίπεδα σωματιδιακών συγκεντρώσεων σε Ευρωπαϊκές μεγαλουπόλεις όπως το Παρίσι, το Λονδίνο και η κοιλάδα του ποταμού Πάδου στη βόρεια Ιταλία (Po Valley). Η περίπτωση του Παρισιού μελετήθηκε λεπτομερώς. Κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού και του χειμώνα που εξετάστηκε, μόνο το 13% των PΜ2.5 σωματιδίων προέρχονται από τοπικές πηγές, 36% προέρχεται από ενδιάμεσες πηγές (μεταξύ 500 km από το κέντρο του Παρισιού) και 51% από απομακρυσμένες περιοχές (σε αποστάσεις μεγαλύτερες των 500 km από το κέντρο του Παρισιού). Η συνεισφορά των τοπικών πηγών στο στοιχειακό άνθρακα είναι σημαντική, 60% περίπου του στοιχειακού άνθρακα προέρχεται από τοπικές πηγές κατά τη διάρκεια τόσο του καλοκαιριού όσο και του χειμώνα. Σχεδόν 50% των φρέσκων πρωτογενών οργανικών σωματιδίων (POA) προέρχονται από τοπικές πηγές και 45% από περιοχές 100-500 km από των αποδέκτη κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού. Οι συνεισφορά από απομακρυσμένες περιοχές κυριαρχεί στα δευτερογενή σωματίδια. Περισσότερο από 70% των θεϊκών σωματιδίων προέρχεται από διοξείδιο του θείου το οποίο εκπέμπεται από αποστάσεις μεγαλύτερες των 500 km από το κέντρο του Παρισιού. Επίσης περισσότερο από το 45% των δευτερογενών οργανικών σωματιδίων οφείλεται στην οξείδωση των πτητικών οργανικών ενώσεων (VOCs) που εκπέμπονται από 100 έως 500 km μακριά από το κέντρο του Παρισιού. Οι απομακρυσμένες περιοχές είναι πιο σημαντικές κατά τη διάρκεια του χειμώνα λόγω της ελάχιστης φωτοχημείας. Τα αποτελέσματα που προέκυψαν από τον αλγόριθμο PSAT για τις συνεισφορές των τοπικών όσο και των απομακρυσμένων περιοχών επίσης συγκρίνονται με μετρήσεις πεδίου από πειραματικές διατάξεις στο πλαίσιο του διεθνούς προγράμματος MEGAPOLI. Ο αλγόριθμος PSAT προβλέπει γενικά ικανοποιητικά τις συνεισφορές σε σχέση με αυτές που υπολογίστηκαν από τις μετρήσεις πεδίου.

Atmospheric aerosol is an important component of our atmosphere influencing human health, regional and global atmospheric chemistry and climate. The organic component of submicron aerosol contributes around 50% of its mass and is a complex mixture of tens of thousands of compounds. Real-time aerosol mass spectrometry was the major measurement tool used in this work. The Aerodyne High Resolution Time of Flight Aerosol Mass Spectrometer (HR-ToF-AMS) can quantitatively measure the chemical composition and size distribution of non-refractory submicron aerosol (NR-PM1). The mass spectra provided by the instrument every few minutes contain information about aerosol sources and processes. This thesis uses the HR-ToF-AMS measurements in two areas of Greece to quantify the contributions of organic aerosol sources to the corresponding organic aerosol levels. Local and regional air pollution sources were monitored and characterized in two sites during intensive campaigns. The first campaign took place during the fall of 2011 (September 24 to October 23) in Finokalia, Crete, a remote-background coastal site without any major human activity. The aim of the study was to quantify the extent of oxidation of the organic aerosol (OA) during autumn, a season neither too hot nor cold, with reduced solar radiation in comparison to summer. The second one took place during the winter of 2012 (February 26 to March 5), in the third major city of Greece, Patras. The measurements were conducted in the campus of the Technological Educational Institute of Patras (TEI), in order to quantify the severity of the wintertime air pollution problem in the area and its sources. The contributions of traffic and residential wood burning were the foci of that study. The Finokalia site is isolated and far away from anthropogenic sources of pollution, making it ideal for the study of organic aerosol coming from different directions, usually exposed to high levels of atmospheric oxidants. The fine PM measured during the Finokalia Atmospheric Measurement Experiment (FAME-11) by the AMS and a Multi Angle Absorption Photometer (MAAP) was mostly ammonium sulfate and bisulfate (60%), organic compounds (34%), and BC (5%). The aerosol sampled originated mainly from Turkey during the first days of the study, but also from Athens and Northern Greece during the last days of the campaign. By performing Positive Matrix Factorization (PMF) analysis on the AMS organic spectra for the whole dataset the organic aerosol (OA) composition could be explained by two components: a low volatility factor (LV-OOA) and a semi-volatile one (SV-OOA). Hydrocarbon-like organic aerosol (HOA) was not present, consistent with the lack of strong local sources. The second field campaign took place in the suburbs of the city of Patras, 4 km away from the city center during the winter of 2012. During this 10-day campaign, organics were responsible for 70% during the day and 80% during the evening of the total PM1. The OA mean concentration during that period was approximately 20 μg m-3 and reaching hourly maximum values as high as 85 μg m-3. Sulfate ions and black carbon followed with 10% and 7% of the PM1. PMF analysis of the organic mass spectra of PM1 explained the OA observations with four sources: cooking (COA), traffic (HOA), biomass burning (BBOA), and oxygenated aerosol (OOA), related to secondary formation and long range transport. On average, BBOA represented 58% of the total OM, followed by OOA with 18%, COA and HOA, with the last two contributing of the same percentage (12%). / --

Η παρούσα διατριβή ασχολείται με τη μελέτη και την ανάπτυξη μοντέλων ταξινόμησης τα οποία βασίζονται στα Πιθανοτικά Νευρωνικά Δίκτυα (ΠΝΔ). Τα προτεινόμενα μοντέλα αναπτύχθηκαν ενσωματώνοντας στατιστικές μεθόδους αλλά και μεθόδους από διάφορα πεδία της Υπολογιστικής Νοημοσύνης (ΥΝ). Συγκεκριμένα, χρησιμοποιήθηκαν οι Διαφοροεξελικτικοί αλγόριθμοι βελτιστοποίησης και η Βελτιστοποίηση με Σμήνος Σωματιδίων (ΒΣΣ) για την αναζήτηση βέλτιστων τιμών των παραμέτρων των ΠΝΔ. Επιπλέον, ενσωματώθηκε η τεχνική bagging για την ανάπτυξη συστάδας μοντέλων ταξινόμησης. Μια άλλη προσέγγιση ήταν η ανάπτυξη ενός Μπεϋζιανού μοντέλου για την εκτίμηση των παραμέτρων του ΠΝΔ χρησιμοποιώντας τον δειγματολήπτη Gibbs. Επίσης, ενσωματώθηκε μια Ασαφή Συνάρτηση Συμμετοχής για την καλύτερη στάθμιση των τεχνητών νευρώνων του ΠΝΔ καθώς και ένα νέο σχήμα διάσπασης του συνόλου εκπαίδευσης σε προβλήματα ταξινόμησης πολλαπλών κλάσεων όταν ο ταξινομητής μπορεί να επιτύχει ταξινόμηση δύο κλάσεων.Τα προτεινόμενα μοντέλα ταξινόμησης εφαρμόστηκαν σε μια σειρά από πραγματικά προβλήματα από διάφορες επιστημονικές περιοχές με ενθαρρυντικά αποτελέσματα. / The present thesis is dealing with the study and the development of classification models that are based on Probabilistic Neural Networks (PNN). The proposed models were developed by the incorporation of statistical methods as well as methods from several fields of Computational Intelligence (CI) into PNNs. In particular, the Differential Evolutionary optimization algorithms and Particle Swarm Optimization algorithms are employed for the search of promising values of PNNs’ parameters. Moreover, the bagging technique was incorporated for the development of an ensemble of classification models. Another approach was the construction of a Bayesian model for the estimation of PNN’s parameters utilizing the Gibbs sampler. Furthermore, a Fuzzy Membership Function was incorporated to achieve an improved weighting of PNN’s neurons. A new decomposition scheme is proposed for multi-class classification problems when a two-class classifier is employed. The proposed classification models were applied to a series of real-world problems from several scientific areas with encouraging results.

Τα γαλακτώματα είναι η κολλοειδής διασπορά δύο μη αναμίξιμων υγρών, τα οποία είναι κατά κανόνα θερμοδυναμικά ασταθή συστήματα. Οι πρωτεΐνες γάλακτος είναι γνωστές επιφανειοδραστικές ουσίες και ως εκ τούτου χρησιμοποιούνται ως συστατικά σε ένα ευρύ φάσμα γαλακτωμάτων τροφίμων. Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η εύρεση των κατάλληλων συνθηκών για την παρασκευή σταθερών γαλακτωμάτων πρωτεϊνών γάλακτος. Το μέγεθος των λιποσφαιριδίων διαδραματίζει τον κυρίαρχο ρόλο στη σταθερότητα του γαλακτώματος πρωτεϊνών γάλακτος. Η μέτρηση του μεγέθους των λιποσφαιριδίων έγινε με την τεχνική της Μονοφασικής Χρωματογραφίας Φυγοκεντρικού Πεδίου. Πιο συγκεκριμένα, μελετήθηκε η επίδραση της συγκέντρωσης (0,5 έως 3,0% w/w) και του τύπου (πρωτεΐνες ορού και καζεΐνες) των πρωτεϊνών γάλακτος, καθώς και των συνθηκών ομογενοποίησης (πίεση ομογενοποίησης 200 έως 600bar) του γαλακτώματος. Επίσης, μελετήθηκε η επίδραση της συγκέντρωσης γαλακτωματοποιητών εμπορίου (Tween 80) στη σταθερότητα των γαλακτωμάτων. Επιπρόσθετα, έγινε κινητική μελέτη συσσωμάτωσης των γαλακτωμάτων από πρωτεΐνες γάλακτος και στη συνέχεια μελετήθηκαν πιο συγκεκριμένα τα γαλακτώματα καζεϊνών, με σκοπό τον προσδιορισμό της σταθεράς ταχύτητας της συσσωμάτωσης των λιποσφαιριδίων σε θερμοκρασίες 30,5 και 80 ᵒC. Αυξάνοντας την πίεση ομογενοποίησης του γαλακτώματος παρατηρήθηκε μείωση της διαμέτρου των λιποσφαιριδίων. Τα γαλακτώματα που ομογενοποιήθηκαν σε πίεση μεγαλύτερη των 500 bar παρουσίασαν ευρύτερη κατανομή μεγέθους, λόγω της υψηλής θερμοκρασίας που αναπτύχθηκε κατά τη διάρκεια της ομογενοποίησης. Η πρωτεϊνική συγκέντρωση έχει σημαντικές επιπτώσεις στις φυσικοχημικές ιδιότητες του γαλακτώματος (λάδι σε νερό). Αυξανόμενης της συγκέντρωσης των πρωτεϊνών γάλακτος, μειώθηκε αισθητά η διάμετρος των λιποσφαιριδίων του γαλακτώματος και σε χαμηλές συγκεντρώσεις πρωτεϊνών (<1%κ.β.) παρατηρήθηκε σχηματισμός συσσωματωμάτων. Παρατηρήθηκε μικρή μεταβολή της διαμέτρου των λιποσφαιριδίων των γαλακτωμάτων που σχηματίστηκαν με διαφορετικές αναλογίες κλασμάτων πρωτεϊνών ορού/καζεϊνών. Οι δύο τύποι των πρωτεϊνών του γάλακτος παρουσίασαν πολύ καλή γαλακτωματοποιητική δράση και τα γαλακτώματα που σχηματίστηκαν ήταν πολύ σταθερά. Παρατηρήθηκε ότι, αυξάνοντας τη συγκέντρωση των πρωτεϊνών του ορού γάλακτος και ταυτόχρονα μειώνοντας τη συγκέντρωση των καζεϊνών, μειώθηκε η διάμετρος των λιποσφαιριδίων του γαλακτώματος. Η σταθερότητα των γαλακτωμάτων σε σχέση με τον χρόνο οφείλεται στη δομή των μορίων των πρωτεϊνών που σταθεροποιούν τα γαλακτώματα αυτά. Κατά συνέπεια, τα μόρια των καζεϊνών και των πρωτεϊνών ορού, προσδίδουν διαφορετικές ιδιότητες στα γαλακτώματα λόγω της διαφορετικής δομής τους. Τα γαλακτώματα που σχηματίστηκαν με καζεΐνες ήταν πιο ανθεκτικά στην θερμοκρασία και παρουσίασαν μακροπρόθεσμη σταθερότητα σε σχέση με τα γαλακτώματα που περιείχαν μόνο πρωτεΐνες ορού. Η υπολογισθείσα φαινόμενη σταθερά συσσωμάτωσης των γαλακτωμάτων καζεϊνών στη θερμοκρασία των 30,5 ᵒC βρέθηκε να είναι σχεδόν 14 φορές μικρότερη από αυτή των γαλακτωμάτων που συσσωματώθηκαν στη θερμοκρασία 80,0 ᵒC. Επομένως, η διαδικασία της συσσωμάτωσης συμβαίνει ταχύτερα σε πιο υψηλές θερμοκρασίες θέρμανσης για τα γαλακτώματα καζεϊνών, ωστόσο έφτασαν στο μέγιστο βαθμό συσσωμάτωσης σε ίδιο χρονικό διάστημα. / In the food industry, when referring to an oil-in-water emulsion, is usually described in which oil is dispersed in the form of small spherical droplets in the continuous phase. Food emulsions are thermodynamically unstable. Nevertheless, food scientists are able to slow down the above physicochemical mechanisms responsible for emulsion instability and thus, extend the self-life of such products by a relatively simple and well studied process, termed emulsification. Surface active materials termed emulsifiers, such as proteins help produce small droplets and contribute to the stability of the emulsion. Emulsifiers decrease the interfacial tension between the oil and water phases through rapid adsorption to the surface of the newly formed oil droplets. Milk proteins (caseins and whey proteins) are well known surfactants and hence are used as ingredients in a wide range of food emulsions. One of the important parameters affecting the quality, appearance and taste of the final food products is the particle size of the ingredients included. For example, particle size of fat globules plays predominant role in the stability of the milk-protein stabilized emulsion. Milk protein-stabilized model emulsions were formed using high-pressure homogenization and the effect of homogenization pressure during emulsification, protein concentration, type of milk proteins (casein and whey proteins) and the effect of the surfactant Tween-80 were studied. The kinetic of milk protein emulsions aggregation was also studied and moreover, the apparent rate constant was calculated for the aggregation of caseinate stabilized emulsions in different temperatures (30,5 and 80,0 ᵒC). Sedimentation field flow fractionation was employed for the size characterization of oil droplets and the results obtained are consistent with those of other studies. Increasing protein content results in significant reduction in emulsion particle size for the concentration range (0.5 – 3.0 % w/w) employed in this study. Low protein content (<1%) may be correlated with bridging flocculation leading to increased particle size, as indicated by optical microscopy. Similarly, increasing pressure during the homogenization process results in decreasing significantly the particle size of the oil-in-water emulsions, for the pressure range (200 – 600 bar) utilized in this study. Increased heating associated with high levels of pressure during the homogenization process, can result in changes in the oil or protein structure, which in turn may have an impact on the physicochemical properties of the oil-in-water emulsions on a long-term basis. The two types of milk proteins appeared to be both good emulsifiers and the formed emulsions were very stable. Increasing whey protein content and together decreasing the casein content, results in small reduction in emulsion particle size. Different proteins depending on their composition and structure posses’ properties, which render them, better emulsifiers than others. Caseinate stabilized emulsions were more resistant in heating time than whey stabilized emulsions. The calculated apparent rate constant for the aggregation of caseinate stabilized emulsions at the temperature of 30,5 ᵒC was found to be fourteen times smaller than the one at the temperature of 80,0 ᵒC. Therefore, the aggregation process is faster in high temperatures for caseinate stabilized emulsions, although the maximum of aggregation point is attained at the same time in both temperatures.

Η σφυρηλάτηση με βολή σωματιδίων (shot peening) είναι μία επιφανειακή κατεργασία που πραγματοποιείται με σκοπό την αύξηση της αντοχής μεταλλικών υλικών και εφαρμόζεται στο τελευταίο στάδιο της γραμμής παραγωγής. Η αύξηση της αντοχής επιτυγχάνεται με την ανάπτυξη θλιπτικών παραμενουσών τάσεων κοντά στην επιφάνεια του υλικού έπειτα από την κρούση σωματιδίων με υψηλές ταχύτητες. Η ανάπτυξη θλιπτικών παραμενουσών τάσεων αυξάνει την αντοχή σε κόπωση, σε εργοδιάβρωση, καθώς και σε άλλες μηχανικές καταπονήσεις και επιτρέπει την μείωση του βάρους σχεδιάζοντας διατομές με μικρότερο πάχος. Στην παρούσα Διδακτορική Διατριβή παρουσιάζεται μια ολοκληρωμένη αριθμητική προσομοίωση της κατεργασίας και εξετάζεται η μηχανική συμπεριφορά των υπό κατεργασία υλικών σε υψηλούς ρυθμούς καταπόνησης. Συγκεκριμένα η μεθοδολογία που αναπτύσσεται περιλαμβάνει την ανάπτυξη ενός αριθμητικού προτύπου για την προσομοίωση της κατεργασίας της σφυρηλάτησης με βολή σωματιδίων και τον υπολογισμό των αποτελεσμάτων της στο υλικό. Τα βήματα που ακολουθηθήκαν για την ανάπτυξη του αριθμητικού προτύπου είναι, α) ο χαρακτηρισμός του κράματος αλουμινίου 7449-Τ7651 σε υψηλούς ρυθμούς καταπόνησης μέσω της πειραματικής διάταξης Split Hopkinson Bar που σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε στο Εργαστήριο Τεχνολογίας και Αντοχής Υλικών, β) η ανάπτυξη βοηθητικών επιμέρους αριθμητικών μοντέλων, γ) η ανάπτυξη κινηματικών μοντέλων προσομοίωσης της ροής των σωματιδίων, δ) η ανάπτυξη κριτηρίων και η εφαρμογή τους για τον υπολογισμό του ελαχίστου απαιτούμενου αριθμού σωματιδίων για την προσομοίωση, καθώς και των θέσεων κρούσης, ε) η ανάπτυξη ενός αριθμητικού προτύπου πλήρους γεωμετρίας της πλάκας για την κρούση του απαιτούμενου αριθμού σωματιδίων και στ) η πειραματική επαλήθευση του αριθμητικού προτύπου. Με το αριθμητικό πρότυπο που αναπτύχτηκε υπολογίστηκαν τα αποτελέσματα της κατεργασίας της σφυρηλάτησης με βολή σωματιδίων στο υλικό και επιβεβαιώθηκαν μέσω συγκρίσεων με αντίστοιχα πειραματικά αποτελέσματα. Αποτελέσματα της κατεργασίας εκτός από τις παραμένουσες τάσεις αποτελούν και η πλαστική παραμόρφωση, η σκληρότητα, η επιφανειακή τραχύτητα και κατ' επέκταση ο συντελεστής έντασης τάσης. Στη συνέχεια, πραγματοποιήθηκε μια παραμετρική μελέτη για την επίδραση της διαμέτρου, της ταχύτητας και της γωνίας κρούσης στην ανάπτυξη των παραμενουσών τάσεων. Επίσης το αριθμητικό πρότυπο επαληθεύτηκε και για άλλα μεταλλικά υλικά. / Shot peening is a surface treatment process that is performed to increase the strength of metallic materials and is applied to the last stage of the production line (post manufacturing process). The increase in strength is achieved by the developed compressive residual stresses near the surface and the subsurface of the treated material after the impact of small diameter particles with high speeds. The developed compressive residual stresses increases the fatigue strength, the mechanical performance of the component under stress corrosion cracking (SCC), under higher stresses and allows lighter structure design. This PhD thesis presents a comprehensive numerical simulation of the Shot peening process and includes a comprehensive study of the mechanical behaviour of treated materials under high strain rates of deformation. Specifically, the methodology developed includes the development of a comprehensive numerical model to simulate Shot peening treatment and calculate the results on the treated material. The steps followed for the development of the numerical model are: a) the characterization of the Aluminium alloy 7449-T7651 at high strain rates using a Split Hopkinson Bar apparatus designed and built at the Laboratory of Technology and Strength of Materials, b) the development of auxiliary partial numerical models, c) the development of a kinematic simulation model for the analysis of the flow particles, d) the development and the application of two criteria for the successful calculation of the minimum number of particles that required for the simulation, and the impact positions e) the development of a numerical model describing the full plate geometry for the impact of the minimum number of particles required and f) the experimental verification of the numerical model. The process outcomes and results on the treated material were calculated by the numerical model developed. The numerical results that were calculated for the threaded material were confirmed by comparison with experimental results. Treatment results include the residual stresses, the plastic deformation, hardness, surface roughness, and hence the stress concentration factor. A parametric study on the effect of the diameter, speed and angle of impact to the development of residual stresses was performed. The numerical model was also verified for a number of other metallic materials.

Η παρούσα διατριβή ασχολείται με τη μελέτη, την ανάπτυξη και τη θεμελίωση νέων μεθόδων Υπολογιστικής Νοημοσύνης και Ευφυούς Βελτιστοποίησης. Συνοπτικά οργανώνεται στα ακόλουθα τρία μέρη: Αρχικά παρουσιάζεται το πεδίο της Υπολογιστικής Νοημοσύνης και πραγματοποιείται μία σύντομη αναφορά στους τρεις κύριους κλάδους της, τον Εξελικτικό Υπολογισμό, τα Τεχνητά Νευρωνικά Δίκτυα και τα Ασαφή Συστήματα. Το επόμενο μέρος αφιερώνεται στην παρουσίαση νέων, καινοτόμων οικογενειών των αλγορίθμων Βελτιστοποίησης Σμήνους Σωματιδίων (ΒΣΣ) και των Διαφοροεξελικτικών Αλγόριθμων (ΔΕΑ), για την επίλυση αριθμητικών προβλημάτων βελτιστοποίησης χωρίς περιορισμούς, έχοντας είτε ένα, είτε πολλαπλούς ολικούς βελτιστοποιητές. Οι αλγόριθμοι ΒΣΣ και ΔΕΑ αποτελούν τις βασικές μεθοδολογίες της παρούσας διατριβής. Όλες οι οικογένειες μεθόδων που προτείνονται, βασίζονται σε παρατηρήσεις των κοινών δομικών χαρακτηριστικών των ΒΣΣ και ΔΕΑ, ενώ η κάθε προτεινόμενη οικογένεια τις αξιοποιεί με διαφορετικό τρόπο, δημιουργώντας νέες, αποδοτικές μεθόδους με αρκετά ενδιαφέρουσες ιδιότητες και δυναμική. Η παρουσίαση του ερευνητικού έργου της διατριβής ολοκληρώνεται με το τρίτο μέρος στο οποίο περιλαμβάνεται μελέτη και ανάπτυξη μεθόδων ολικής βελτιστοποίησης για την εκπαίδευση Τεχνητών Νευρωνικών Δικτύων Υψηλής Τάξης, σε σειριακά και παράλληλα ή / και κατανεμημένα υπολογιστικά συστήματα. Η διδακτορική διατριβή ολοκληρώνεται με βασικά συμπεράσματα και τη συνεισφορά της. / The main subject of the thesis at hand revolves mainly around the development and foundations of new methods of computational intelligence and intelligent optimization. The thesis is organized into the following three parts: Firstly, we briefly present an overview of the field of Computational Intelligence, by describing its main categories, the Evolutionary Computation, the Artificial Neural Networks and the Fuzzy Systems. In the second part, we provide a detailed description of the newly developed families of algorithms for solving unconstrained numerical optimization problems in continues spaces with at least one global optimum. The proposed families are based on two well-known and widely used algorithms, namely the Particle Swarm Optimization (PSO) and the Differential Evolution (DE) algorithm. Both DE and PSO are the basic components for almost all methodologies proposed in the thesis. The proposed methodologies are based on common observations of the dynamics, the structural and the spacial characteristics of DE and PSO algorithms. Four novel families are presented in this part which exploit the aforementioned characteristics of the DE and the PSO algorithms. The proposed methodologies are efficient methods with quite interesting properties and dynamics. The presentation and description of our research contribution ends with the third and last part of the thesis, which includes the study and the development of novel global optimization methodologies for training Higher order Artificial Neural Networks in serial and parallel / distributed computational environments. The thesis ends with a brief summary, conclusions and discussion of the contribution of this thesis.