Własności optyczne i mikrofizyczne aerozolu atmosferycznego pochodzącego ze spalania biomasy pozyskiwane na podstawie obserwacji lidarowych w Warszawie

Określenie właściwości cząsteczek zawieszonych w atmosferze jest istotne w kontekście ich wpływu na ziemski system klimatyczny. Szczególne zainteresowanie naukowców wzbudzają aerozole absorbujące promieniowanie słoneczne, ze względu na powodowanie lokalnego ocieplania atmosfery na wysokości ich występowania. Aerozol pochodzący ze spalania biomasy w otwartych pożarach naturalnych zbiorowisk (dym), ze względu na dużą zawartość czarnego węgla (przede wszystkim sadza), wykazuje właśnie takie właściwości. Niniejsza praca doktorska, jako pierwsza praca naukowa tego typu, przedstawia kompleksową charakterystykę aerozolu pochodzącego ze spalania biomasy nad obszarem Polski. Dane użyte do analizy pochodzą z nowoczesnego 12-kanałowego lidaru aerozolowo depolaryzacyjno-ramanowskiego PollyXT -UW działającego w ramach RS-Lab (Laboratorium Pomiarów Zdalnych, z ang. Remote Sensing Laboratory) Instytutu Geofizyki Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego. Wysokiej jakości pomiary lidarowe, wykonywane są w RS-Lab zgodnie z rekomendacją sieci pomiarowej EARLINET, będącej częścią pan-europejskiej rozproszonej infrastruktury badawczej ACTRIS. Takie podejście pozwala na wyznaczenie własności optycznych (takich jak aerozolowy współczynnik rozproszenia wstecznego β, aerozolowy współczynnik ekstynkcji α, aerozolowy współczynnik depolaryzacji liniowej δ) oraz stosunku zmieszania pary wodnej wv. A następnie, na podstawie tychże, na odzyskiwanie matematycznymi metodami odwrotnymi właściwości mikrofizycznych obserwowanych aerozoli atmosferycznych (takich jak rozkład wielkości cząsteczek aerozolu PSD, zespolony współczynnik refrakcji m, albedo pojedynczego rozpraszania SSA). W prezentowanej pracy doktorskiej podjęto się wyznaczenia, na podstawie istniejących obserwacji lidarowych, charakterystyki fizyko-chemicznej aerozolu pochodzącego ze spalania biomasy obserwowanego nad Warszawą. Została przeprowadzona analiza uwzględniająca źródła i kierunki napływu cząsteczek aerozolu. Omówiono przypadki napływu nad Warszawę aerozoli pochodzących ze spalania biomasy ze źródeł naturalnych, takich jak pożary lasów, łąk i torfowisk. Obserwowane aerozole były zróżnicowane pod względem miejsca emisji (np. Europa Zachodnia, Ameryka Północna), czasu przebywania aerozolu w atmosferze (od jednego do kilku dni) oraz wysokości zawieszenia aerozolu w warstwie granicznej i w wolnej troposferze (w przedziale wysokości ~ 1 - 8 km). Badania były wspomagane obliczeniami i analizą trajektorii wstecznych, modeli transportu zanieczyszczeń oraz danymi satelitarnymi. Wartości własności optycznych i właściwości mikrofizycznych aerozolu pochodzącego ze spalania biomasy różnią się w zależności od czasu przebywania w atmosferze i źródła pochodzenia. Ze względu na obszar pochodzenia można wyróżnić nad Warszawą odmienne typy aerozolu napływowego pochodzącego ze spalania biomasy. Napływ wyróżnionych typów aerozolu jest zależny od panującej sytuacji synoptycznej. W pracy doktorskiej szczególna uwaga została poświęcona metodologii odzyskiwania z pomiarów lidarowych zestawu własności optycznych aerozoli (3β+2α+2δ)+wv oraz właściwości mikrofizycznych aerozoli odzyskiwanych na podstawie zestawu własności optycznych (3β+2α) w wykorzystaniem matematycznych metod odwrotnych z regularyzacją. Prace takie są nieliczne na świecie i jest to zagadnienie nieeksplorowane dotychczas w pracach naukowych dotyczących aerozoli nad Polską. Szczegółowej analizie poddane zostały wybrane przypadki napływu nad Warszawę aerozoli pochodzących ze spalania biomasy. Ze względu na to, że część z nich została opublikowana w artykułach ko-autorskich doktorantki (wymienione poniżej w pkt. 1-4), w niniejszej dysertacji uwaga została skupiona na wynikach dotychczas nie publikowanych (pkt. 5). 1) Analiza danych pomiarowych lidaru PollyXT -UW względem innych stacji działających w ramach sieci PollyNET. Publikacja: Baars et al. 2016. 2) Analiza przypadku napływu nad Warszawę aerozoli pochodzących z dalekosiężnego transportu starego aerozolu z kanadyjskich pożarów lasów w dniach 8-10 lipca 2013 roku. Publikacje: Janicka et al., 2016; Markowicz et al., 2016; Ortiz-Amezcua et al., 2017; Janicka et al., 2017. 3) Analiza skomplikowanej struktury aerozolowej, zawierającej dym ze spalania biomasy z kilku źródeł europejskich, zmieszany z zanieczyszczeniami antropogenicznymi, obserwowany w Warszawie w dniach 9-11 sierpnia 2015 w sąsiedztwie quasi-stacjonarnego frontu atmosferycznego w czasie trwającej fali upałów. Drobnoskalowa analiza właściwości mikrofizycznych wykonana dla skomplikowanej struktury aerozolowej występującej w dniach 9-11 sierpnia 2015. Publikacje: Janicka et al., 2018; Janicka i Stachlewska, 2019; Janicka et al., 2020. 4) Analiza wpływu aerozoli ze spalania biomasy z Ukrainy i Portugalii na parametry warstwy granicznej atmosfery w sytuacji wyżu barycznego nad Polską Centralną w dniach 25-27 sierpnia 2016. Publikacja: Stachlewska et al., 2018. 5) Analiza porównawcza przedstawiająca stan wiedzy zgromadzonej w badaniach własnych na temat aerozoli ze spalania biomasy obserwowanych nad Warszawą. Zestawienie optycznych i mikrofizycznych wielkości charakteryzujących aerozole na podstawie pomiarów z długiego okresu 2013-2020. Istotną częścią pracy doktorskiej było stworzenie uniwersalnych narzędzi do wizualizacji i analizy porównawczej profili lidarowych, tj. narzędzia PROfiler opracowanego samodzielnie przez doktorantkę.

Determination of the properties of particles suspended in the atmosphere is important in the context of their impact on the Earth's climate system. Aerosols that absorb solar radiation are of particular interest to scientists due to causing local warming of the atmosphere at the altitude of their occurrence. Aerosols from the biomass burning in open fires of natural communities (smoke), due to their high content of black carbon (mainly soot), show such properties. This doctoral dissertation, as the first scientific work of this kind, presents a comprehensive characterization of biomass burning aerosols over Poland. The data used for the analysis was obtained by the means of the modern 12-channel PollyXT -UW aerosol-depolarization-Raman lidar operating at the RS-Lab (Remote Sensing Laboratory) of the Institute of Geophysics, Faculty of Physics, University of Warsaw. High-quality lidar measurements are performed accordingly to the recommendations of the EARLINET network being part of the pan-European research infrastructure ACTRIS. They allow the determination of optical properties (such as particle backscattering coefficient β, particle extinction coefficient α, particle linear depolarization coefficient δ) and water vapor mixing ratio wv. Based on the sets of these physical quantities, it enables to retrieve the microphysical properties of observed atmospheric aerosols (such as aerosol particle size distribution PSD, composite refractive index m, single scattering albedo SSA) by the means of the mathematical inverse methods. In the presented work it was undertaken to determine, on the basis of existing lidar observations, the physical and chemical characteristics of biomass burning aerosol observed over Warsaw. The analysis considered the sources and directions of the inflow of aerosol particles and discusses cases of inflow over Warsaw of aerosols from biomass burning from natural sources, such as forest, grassland and peatland fires. The observed aerosols differed in terms of the place of emission (e.g., Western Europe, North America), the residence time of the aerosol in the atmosphere (from one to several days), and the height of suspension in the boundary layer and in the free troposphere (within the altitude range of ~ 1 - 8 km). The study was supported by calculations and analysis of the backward trajectories, the aerosol transport model outputs, and the satellite data. The values of optical and microphysical properties of biomass burning aerosol vary depending on the residence time in the atmosphere and the source of origin. Depending on the area of origin, different types of biomass burning aerosols inflowing over Warsaw can be distinguished. The inflow of those different types depends on the prevailing synoptic situation. In the dissertation, special attention was given to the methodology of the retrieval of a set of optical properties of aerosols (3β+2α+2δ)+wv from lidar measurements and microphysical properties of aerosols retrieved from the obtained sets of optical properties (3β+2α) using mathematical inverse methods with regularization. Such studies are sparse in the world, and this topic has not been explored so far in scientific papers on aerosols in Poland. The vast amount of selected cases of biomass burning aerosols inflow over Warsaw was analyzed in detail. Due to the fact that some of these analyses have been already published in the papers co-authored by the doctoral student (listed in points 1-4), in this dissertation attention has been focused on the results not yet published (point 5). 1) Analyses of PollyXT-UW data in Warsaw with respect to other stations being part of the PollyNET lidar network. Publication: Baars et al. 2016. 2) A case study of the long-range transport of aged biomass burning aerosols from Canadian forest fires over Warsaw on July 8-10, 2013. Publications: Janicka et al, 2016; Markowicz et al, 2016; Ortiz-Amezcua et al, 2017; Janicka et al, 2017. 3) The analysis of a complex aerosol structure containing smoke from biomass combustion from several European sources mixed with anthropogenic pollutants, observed in Warsaw on August 9-11, 2015 in the vicinity of a quasi-stationary atmospheric front during a heat wave conditions. Fine-scale analysis of microphysical properties performed for the complex aerosol structure occurring on August 9-11, 2015. Publications: Janicka et al., 2018; Janicka and Stachlewska, 2019; Janicka et al., 2020. 4) The analysis of the influence of aerosols from biomass burning from Ukraine and Portugal on the parameters of the atmospheric boundary layer in the situation of a high pressure system over Central Poland on August 25-27, 2016. Publication: Stachlewska et al., 2018. 5) Comparative analysis presenting the state of knowledge accumulated in own research on biomass burning aerosols observed over Warsaw. Compilation of optical and microphysical quantities characterizing aerosols based on measurements from the long period 2013-2020. An important part of the dissertation work was creation of the universal tools for visualization and comparative analysis of lidar profiles, i.e., the PROfiler tool developed solely by the dissertation author.