Les aérosols sont une composante variable de l'atmosphère, ayant un rôle important et complexe sur la qualité de l'air et le climat. La plupart des observations d'aérosols au sol sont limitées à des emplacements fixes, ce qui réduit la connaissance sur leur variabilité spatiale. Afin de compléter cette information, un système mobile d’observation des aérosols (MAMS - Mobile Aerosol Monitoring System) a été mis au point pour explorer la variabilité verticale et spatiale des propriétés optiques et microphysiques des aérosols. MAMS est un « laboratoire » conçu sur un véhicule, se distinguant des autres plateformes transportables par sa capacité à effectuer des mesures au cours du mouvement. Equipé d'instruments de télédétection et in situ, MAMS a exploré la variabilité des aérosols au travers de campagnes mobiles sur routes dans diverses situations. Ce travail présente les études de variabilité et des événements remarquables observés en France et en Chine. L’une des variables aérosols recherchée est leur concentration massique et leur distribution verticale. Ce défi est relevé dans ce travail. Le système mobile offre une grande flexibilité, et un bon rapport coût-efficacité, car il permet de réagir rapidement en cas d’événements aérosols soudains, tels que des épisodes de pollution, poussières, incendies ou éruptions volcaniques, démontrant son utilité pour les réseaux d’observation recherche et opérationnels. Les applications de la plateforme d'exploration mobile pour les activités de validation des missions spatiales d’observation de la Terre et de l’atmosphère, pour l’évaluation des modèles et les campagnes d’intercomparaison d’instruments sont présentées. Des nouvelles perspectives, tant au niveau instrumental que méthodologique, sont introduites, laissant la place à des améliorations dans les observations mobiles des aérosols. / Aerosols are a variable component of the atmosphere, having an important and complex role on air quality and climate. Most of the ground-based aerosol observations are limited to fixed locations, narrowing the knowledge on their spatial variability. In order to overcome this issue, a compact Mobile Aerosol Monitoring System (MAMS) has been developed to explore the vertical and spatial variability of aerosol optical and microphysical properties. MAMS is a vehicle-based laboratory, distinguished by other transportable platforms through its ability to perform measurements during the movement. Equipped with remote sensing and in situ instruments, MAMS explored the aerosol variability through mobile on-road campaigns in various situations. This work presents variability studies and remarkable events observed both in France and in China. One of the researched aerosol variables is their mass concentration and vertical distribution. This challenge is taken up in this work. The mobile system presents a great flexibility and is cost-effective, being able to respond quickly in case of sudden aerosol events such as pollution episodes, dust, fire or volcano outbreaks, proving to be a useful platform for aerosol observation and operational networks. Applications of the mobile exploratory platform for validation activities of space missions observing the Earth and the atmosphere, for models’ evaluation and for instrument intercomparison campaigns are presented. New perspectives, both on instrumental and methodology levels are introduced, leaving place for improvements in the mobile aerosol observations.

A field campaign was conducted in Greece during the summer of 2012 (June 8 – July 26) to investigate ambient particulate matter (PM) levels, chemical composition and contribution of regional and local sources. Simultaneous collection of PM1, PM2.5 and PM10 samples took place in seven different sampling sites in Greece. The sampling sites included: i) one urban and one suburban station in Patras, ii) one suburban in Thessaloniki, iii) one suburban and one background station in Athens, iv) one rural background station at the Navarino Environmental Observatory (NEO) in southwest Peloponnese and v) one remote background site at Finokalia in the northeast part of Crete. These different sites were chosen in order to estimate the contributions of the local emissions sources and long range transport. A suite of continuous/online instruments was deployed in selected sites including an Aerodyne High Resolution Time of Flight Aerosol Mass Spectrometer (HR-ToF AMS), an Aerosol Chemical Speciation Monitor (ACSM), a Proton-Transfer Reaction Mass Spectrometer (PTR-MS), a PM2.5/PM10 Tapered Element Oscillating Microbalance (TEOM), filter samplers (PM1, PM2.5 and PM10), nephelometers, aethalometers and gas-phase monitors. The campaign PM2.5 average ranged from 14 to 20 μg m-3 for the different sites. The fine PM mass concentration and chemical measurements were quite similar in all sites suggesting significant contributions of transported regional pollution and smaller contributions of local sources. Sulfate and organics were major PM2.5 components in all sites. Also nitrate, dust and sea-salt for the coastal areas were also important components of the PM10 fraction. The sulfate levels were similar in all sites, while the concentration of the organics and dust were more variable. Most of the organic aerosol was highly oxygenated. Back trajectory analysis, based on FLEXPART, identified five source regions (Greece, Athens, Turkey, Balkans, marine) each of which influenced the PM1 aerosol composition. / --

Le premier objectif de cette étude est d’analyser la cohérence entre les restitutions d’aérosols au-dessus des nuages (AAC) réalisées à partir de mesures spatiales passive et active. Nous avons considéré la méthode basée sur les mesures polarisées de POLDER, la méthode développée pour le lidar spatial CALIOP et la méthode basée sur le rapport de dépolarisation CALIOP (DRM), pour laquelle nous proposons une version calibrée. Nos analyses régionale et pluriannuelle globale mettent en évidence un bon accord statistique entre les restitutions DRM et POLDER AOT (R2=0,68 - échelle globale), qui donne confiance dans notre capacité à mesurer les propriétés de l'AAC. Des différences se produisent lors du contact entre les couches d'aérosols et de nuages. La méthode opérationnelle de CALIOP sous-estime l’AOT, comparé aux deux autres méthodes. Le second objectif est d'étudier l'impact des aérosols sur les propriétés des nuages et leur forçage radiatif, sur l'océan Atlantique Sud. Nous avons considéré une synergie entre les restitutions CALIOP et POLDER avec des paramètres météorologiques colocalisés. Nous réalisons des calculs de transfert radiatif dans les domaines visible et infrarouge, et analysons l'effet de la charge en aérosol sur les propriétés des nuages et la météorologie. Nous avons trouvé que les aérosols et le contenu en vapeur d’eau pourraient impacter la convection des nuages. Nos résultats montrent que sous de fortes charges de AAC, les nuages deviennent optiquement plus épais, avec une augmentation du contenu en eau liquide de 20 g.m-2 et des altitudes plus basses du sommet du nuage (~200 m); indiquant un potentiel effet semi-direct des aérosols au-dessus des nuages. / One of the main objectives of this study is to analyze the consistency between the aerosol above clouds (AAC) retrievals from passive and active satellite measurements. We consider the method based on the passive polarization measurements provided by the POLDER instrument, the operational method developed for the space borne lidar CALIOP, and the CALIOP-based depolarization ratio method (DRM), for which we also propose a calibrated version. We perform a regional analysis and a global multi-annual analysis to provide robust statistics results. Our findings show good agreement between DRM and POLDER AOT retrievals (R2=0.68 at global scale). This result gives confidence in our ability to measure the properties of AAC. Differences occur when the aerosol and cloud layers are in contact. CALIOP operational method is largely underestimating the above cloud AOT, compared to the other two methods.The second objective is to study the impact of aerosols on the cloud properties and their radiative forcing, over the South Atlantic Ocean. We perform a synergy between CALIOP vertical profiles and POLDER retrievals, with collocated meteorological parameters. We performed radiative transfer calculations in the short- and longwave domains, and analyzed the effect of aerosol loading on the cloud properties and meteorology. We found that aerosols and water vapor effects could impact the cloud convection. Our results show that under large loads of AACs, clouds become optically thicker, with an increase in liquid water path of 20 g.m-2 and their cloud top altitudes are lower by 200 m, which may indicate a potential semi-direct effect of aerosols above clouds.

L’étude du cycle de l’eau est d’une importance cruciale pour toutes les sociétés et plus particulièrement pour celles du pourtour méditerranéen qui souffrent à la fois de sécheresses en été et d’inondations dues à des événements de précipitations extrêmes survenant en automne et en hiver. La température est l’un des principaux facteurs qui gouvernent l’intensité maximale des précipitations via la relation de Clausius-Clapeyron (CC). Cette loi exprime la quantité maximale de vapeur d’eau que peut contenir l’atmosphère à une température donnée. À l’aide de simulations climatiques régionales et d’observations, nous avons montré que les relations température-précipitations extrêmes du bassin méditerranéen présentent une forme en crochet avec une augmentation des précipitations extrêmes proche de CC aux basses températures puis une augmentation moins forte (voire une diminution) aux hautes températures. Présents en grande quantité sur le pourtour méditerranéen, les aérosols absorbent et réfléchissent une partie du rayonnement, ce qui contribue à refroidir les basses couches de l’atmosphère. Par leur action sur la température de surface, les aérosols réduisent les précipitations. L’étude de simulations numériques montre également une modification de la relation température-précipitations par les aérosols (leur effet sur les nuages) dans la région euro-méditerranéenne. En plus de faire baisser le contenu en vapeur d'eau disponible, les aérosols stabilisent l’atmosphère en refroidissant davantage les basses couches de l’atmosphère par rapport aux couches supérieures. On étudie souvent la relation température-précipitations d’un climat donné dans le but de prédire l’évolution des précipitations dans un climat futur plus chaud. Cependant cette extrapolation suppose que la relation entre la température et les précipitations ne change pas entre le climat présent et le climat futur, une hypothèse qui s’avère fragile au vu de la sensibilité de cette relation au contenu en aérosols de l’atmosphère, mais aussi au vu du changement de la disponibilité en vapeur d’eau dans un climat futur. Au cours de cette thèse, nous avons ainsi montré que pour plusieurs stations côtières les projections dans le futur de plusieurs modèles de climat régionaux suggèrent que les précipitations extrêmes devraient augmenter proportionnellement à l’augmentation des températures selon la loi de CC. Un phénomène que nous n’avons pas pu observer pour des régions plus isolées de la mer et où l’afflux de vapeur d’eau serait moindre. / The study of the water cycle is of crucial importance for all societies and more particularly for those around the Mediterranean which suffer both from droughts in summer and floods due to extreme precipitation events occurring in the autumn and in winter. Temperature is one of the main factors that govern the maximum intensity of precipitation through the Clausius-Clapeyron (CC) relationship. This law expresses the maximum amount of water vapor that the atmosphere can contain at a given temperature. Using regional climate simulations and observations, we have shown that the temperature-precipitation extremes relationships of the Mediterranean basin have a hooked shape with an increase in extreme precipitation near CC at low temperatures and then a smaller increase (or even a decrease) at higher temperatures. Aerosols, which are present in large quantities around the Mediterranean, absorb and reflect part of the radiation, helping to cool the lower layers of the atmosphere. By their action on the surface temperature, aerosols reduce precipitation. The study of numerical simulations also shows a modification of the temperature-precipitation relationship by aerosols (their effect on clouds) in the Euro-Mediterranean region. In addition to the lowering the available water vapor content, aerosols stabilize the atmosphere by further cooling the lower layers of the atmosphere relatively to the upper layers. The temperature-precipitation relationship of a given climate is often studied in order to predict precipitation trends in a warmer future climate. However, this extrapolation assumes that the relationship between temperature and precipitation does not change between the present climate and the future climate, a hypothesis which proves to be fragile when looking at the sensitivity of this relationship to the aerosol content of the atmosphere, but also in view of the change in the availability of water vapor in a future climate. In this thesis, we have shown that for several coastal stations, projections in the future of several regional climate models suggest that extreme precipitation should increase in proportion to the temperature increases according to CC law. A phenomenon that we have not been able to observe for more isolated areas from the sea and where the influx of water vapor would be reduced.

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.

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%). / --