Μια αξονική τομογραφία στην ατμόσφαιρα

Φανταστείτε μια αόρατη στο ανθρώπινο μάτι δέσμη λέιζερ, με διάμετρο μερικών εκατοστών, η οποία εκπέμπεται στην ατμόσφαιρα και για μερικά δισεκατομμυριοστά του δευτερολέπτου «φωτίζει» τα αιωρούμενα βιοσωματίδια, σαν να είναι πυγολαμπίδες. Στη συνέχεια, αυτά φθορίζουν και έτσι «μαρτυρούν» την παρουσία τους. Έτσι λειτουργεί το σύστημα τηλεπισκόπησης laser (τεχνική lidar) που αναπτύχθηκε στο Εργαστήριο Οπτοηλεκτρονικής και Lasers του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου.

Αυτή ήταν και η μέθοδος που χρησιμοποιήθηκε την περίοδο των γιορτών για την καταγραφή της συγκέντρωσης αιωρούμενων σωματιδίων από καύση βιομάζας σε τζάκια και κεντρικές θερμάνσεις στο Λεκανοπέδιο Αθηνών, η οποία ήταν δύο και τρεις φορές πάνω από το επιτρεπτό όριο της Ευρωπαϊκής Ένωσης.

Πρωτοποριακό σε παγκόσμιο επίπεδο

Το σύστημα τεχνολογίας lidar που έχει κατασκευαστεί και αναπτυχθεί εξ ολοκλήρου στη σχολή Εφαρμοσμένων Μαθηματικών και Φυσικών Επιστημών του ΕΜΠ πρωτοπορεί παγκοσμίως, καθώς είναι το μόνο που παρέχει πληροφορίες συνδυάζοντας τρεις διαφορετικές παραμέτρους (χρόνο, χώρο και είδος/χημική σύσταση των σωματιδίων) και τρεις διαφορετικές επιστήμες (Φυσική, Χημεία, Μαθηματικά). Παρόμοια δεδομένα για την ατμόσφαιρα μπορούμε να πάρουμε μόνο με μετρήσεις που γίνονται από αεροπλάνα – με πολύ μεγαλύτερο κόστος προφανώς.

Στόχος του συστήματος είναι να παρακολουθεί τη χωροχρονική μεταβολή της κατακόρυφης κατανομής όχι μόνο των βιοσωματιδίων (βακτήρια, μύκητες ή γυρεόκοκκοι) αλλά και διαφορετικών ειδών σωματιδίων (ερημικής σκόνης, ηφαιστειακής τέφρας, καπνού) στην κατώτερη ατμόσφαιρα. 

Ο άνθρωπος που έφερε την τεχνολογία αυτή στην Ελλάδα και είναι διευθυντής του Εργαστηρίου Οπτοηλεκτρονικής και Lasers του ΕΜΠ, ο Αλέξανδρος Παπαγιάννης, την περιγράφει «σαν μια αξονική τομογραφία πάνω σε έναν τρισδιάστατο χάρτη, σε πραγματικό χρόνο». Ουσιαστικά, γίνονται μετρήσεις ανά 7,5 μέτρα με το συνολικό εύρος του συστήματος να φτάνει τα 20.000 χιλιόμετρα.

Σε γενικές γραμμές, όπως εξηγεί, το σύστημα λειτουργεί ως εξής: εκπέμπεται μια δέσμη λέιζερ στην ατμόσφαιρα, όπου αλληλεπιδρώντας με τα διάφορα σωματίδια και μόρια, επιστρέφει ένα σήμα. Καθώς είναι γνωστή η ταχύτητα του φωτός, οι επιστήμονες του ΕΜΠ μπορούν να υπολογίσουν την απόσταση από την οποία έρχεται αυτή η πληροφορία.

Χάρη στη μέθοδο του φθορισμού, καταγράφονται σωματίδια εξαιρετικά μικρά, μερικών μικρομέτρων ή ακόμα και νανομέτρων. Μέσω του φθορισμού, κάθε διαφορετικό σωματίδιο απαντά στο δικό του φάσμα, βάζει την υπογραφή του, θα λέγαμε, και αποκαλύπτει τη δική του ιδιαίτερη ταυτότητα. 

Από τη ρύπανση μέχρι την αεροπλοΐα και τα πυρηνικά ατυχήματα

Η τεχνική lidar, λοιπόν, είναι χρήσιμη στην καταγραφή της αέριας ρύπανσης που είναι επικίνδυνη τόσο για το περιβάλλον, όσο και για τον άνθρωπο. Η μελέτη των βιοσωματιδίων και η επίδρασή τους στον ανθρώπινο οργανισμό αποτελεί ένα ερευνητικό πεδίο που μελετά το Εργαστήριο Οπτοηλεκτρονικής και Lasers από το 2019, πρωτοπορώντας και πάλι σε παγκόσμιο επίπεδο.

Ο κ. Παπαγιάννης επισημαίνει τις σοβαρές επιπτώσεις των σωματιδίων και παραγώγων καύσης βιομάζας στην υγεία. Η κυριότερη από αυτές είναι η αλλοίωση του DNA μέσω της οξείδωσής του, η οποία με τη σειρά της οδηγεί σε φλεγμονές του αναπνευστικού και ενδεχομένως σε κυτταρικές μεταλλάξεις που καταλήγουν σε καρκινογένεση.

Οι κόκκινες ενδείξεις πιστοποιούν τις υψηλές συγκεντρώσεις βιοσωματιδίων στην κατώτερη ατμόσφαιρα στις 22 Δεκεμβρίου 2022. Τα βιοσωματίδια εγκλωβίζονται σε ένα ρηχό ατμοσφαιρικό στρώμα από το έδαφος έως 1200 m.

Οι εφαρμογές της συγκεκριμένης τεχνικής είναι πολυδιάστατες. «Η όλη ιδέα είναι να αναλύσουμε την πληροφορία που μας έρχεται από διάφορες αποστάσεις. Η τεχνική lidar μάς επιτρέπει να καταγράψουμε την κατακόρυφη κατανομή διαφόρων παραμέτρων της ατμόσφαιρας, όπως η θερμοκρασία, η υγρασία, η συγκέντρωση των αιωρούμενων σωματιδίων και του όζοντος», σημειώνει ο κ. Παπαγιάννης.

Το Εργαστήριο Οπτοηλεκτρονικής και Lasers ανήκει στα ιδρυτικά μέλη του Ευρωπαϊκού Δικτύου Lidar (το όνομα αυτού Εarlinet), το οποίο καταγράφει τη συγκέντρωση των αιωρούμενων σωματιδίων στη Γηραιά Ήπειρο εδώ και 23 χρόνια. Έτσι, όπως εξηγεί και ο καθηγητής του ΕΜΠ, πανευρωπαϊκά καταγράφονται στοιχεία για την ποιότητα της ατμόσφαιρας, όπως τα φαινόμενα μεταφοράς σκόνης από ερημικές περιοχές (πχ. από τη Σαχάρα, το Καζακστάν, ακόμα και από την αραβική χερσόνησο) ή τα σωματίδια τέφρας από ηφαιστειακές εκρήξεις (όπως έγινε στην Ισλανδία το 2010 και πιο συχνά με τη γειτονική μας Αίτνα).

Ειδικά με περιπτώσεις σαν την τελευταία, η τεχνική lidar μπορεί να βοηθήσει στην αεροπλοΐα και την πολιτική προστασία. «Αντί να κλείσει όλος ο εναέριος χώρος και όλες οι πτήσεις στην Ευρώπη, όπως έγινε το 2010, είναι δυνατή η επιλογή των υψομέτρων όπου μπορούν να πετούν τα αεροπλάνα, χάρη στα διαθέσιμα δεδομένα για την ύπαρξη στρωματώσεων σωματιδίων τέφρας και την κατεύθυνσή τους, σε πραγματικό χρόνο».

Καταγραφή ηφαιστειακής σκόνης με την τεχνική lidar τη χρονική περίοδο 20-21.04.2010. Αποτυπώνονται οι κατακόρυφες κινήσεις των σωματιδίων τέφρας από τα 10000 m έως το έδαφος. Την περίοδο εκείνη, η τέφρα από την έκρηξη στην Ισλανδία είχε φτάσει στην Αθήνα.

Άλλη μια πιθανή χρήση είναι σε ένα πυρηνικό ή βιομηχανικό ατύχημα. Αν συμβεί κάτι τέτοιο, το συγκεκριμένο σύστημα τηλεπισκόπησης «μπορεί να δώσει καθ’ ύψος μετρήσεις σωματιδίων σε πραγματικό χρόνο. Αν έρχεται ένα τέτοιο κύμα είτε με πυρηνικά σωματίδια είτε με χημικές ενώσεις από κάποιο εργοστάσιο, μπορούμε να πάρουμε τα μέτρα μας, καθώς θα δούμε σε ποιο υψόμετρο είναι, πόσο γρήγορα κατεβαίνει στο έδαφος και πού πηγαίνει».

Επόμενος στόχος τα σύννεφα

Τέλος, είναι προφανές ότι η τεχνική lidar είναι χρήσιμη και στη μετεωρολογία, αλλά και στη μελέτη του παγκόσμιου κλίματος. «Αν γνωρίζουμε ποια είναι η κατακόρυφη κατανομή των σωματιδίων και ποια είναι η χημική τους σύσταση ανά 7,5 μέτρα μέχρι τα 20.000 χιλιόμετρα, μπορούμε να υπολογίσουμε την επίδραση των αιωρούμενων σωματιδίων στο κλίμα», σημειώνει ο διευθυντής του Εργαστηρίου Οπτοηλεκτρονικής και Lasers του ΕΜΠ.

Γι’ αυτό τον λόγο, ο κ. Παπαγιάννης θα βρεθεί το επόμενο εξάμηνο στην Ομοσπονδιακή Πολυτεχνική Σχολή της Λωζάννης ως επισκέπτης καθηγητής, όπου σε μια από κοινού έρευνα θα μελετηθεί η επίδραση των βιοσωματιδίων στη δημιουργία των νεφών.

«Θα δούμε ποια σωματίδια και πώς συμμετέχουν στο να δημιουργηθούν τα σύννεφα, όπως επίσης και το είδος των νεφών που δημιουργούνται (βροχής, ρύπανσης, σκόνης, που προκαλούν υπερθέρμανση)», καταλήγει. 

*Οι μετρήσεις βιοσωματιδίων πραγματοποιήθηκαν στο πλαίσιο της Εθνικής Υποδομής PANACEA/ΠΑΝΑΚΕΙΑ.

⇒ Ειδήσεις σήμερα

Ακολουθήστε το kathimerini.gr στο Google News και μάθετε πρώτοι όλες τις ειδήσεις

Δείτε όλες τις τελευταίες Ειδήσεις από την Ελλάδα και τον Κόσμο, στο kathimerini.gr