Reconstruction of past UV radiation

Solar ultraviolet (UV) radiation has a broad range of effects concerning life on Earth. Soon after the mid-1980s, it was recognized that the stratospheric ozone content was declining over large areas of the globe. Because the stratospheric ozone layer protects life on Earth from harmful UV radiation, this lead to concern about possible changes in the UV radiation due to anthropogenic activity. Initiated by this concern, many stations for monitoring of the surface UV radiation were founded in the late 1980s and early 1990s. As a consequence, there is an apparent lack of information on UV radiation further in the past: measurements cannot tell us how the UV radiation levels have changed on time scales of, for instance, several decades. The aim of this thesis was to improve our understanding of past variations in the surface UV radiation by developing techniques for UV reconstruction. Such techniques utilize commonly available meteorological data together with measurements of the total ozone column for reconstructing, or estimating, the amount of UV radiation reaching Earth's surface in the past. Two different techniques for UV reconstruction were developed. Both are based on first calculating the clear-sky UV radiation using a radiative transfer model. The clear-sky value is then corrected for the effect of clouds based on either (i) sunshine duration or (ii) pyranometer measurements. Both techniques account also for the variations in the surface albedo caused by snow, whereas aerosols are included as a typical climatological aerosol load. Using these methods, long time series of reconstructed UV radiation were produced for five European locations, namely Sodankylä and Jokioinen in Finland, Bergen in Norway, Norrköping in Sweden, and Davos in Switzerland. Both UV reconstruction techniques developed in this thesis account for the greater part of the factors affecting the amount of UV radiation reaching the Earth's surface. Thus, they are considered reliable and trustworthy, as suggested also by the good performance of the methods. The pyranometer-based method shows better performance than the sunshine-based method, especially for daily values. For monthly values, the difference between the performances of the methods is smaller, indicating that the sunshine-based method is roughly as good as the pyranometer-based for assessing long-term changes in the surface UV radiation. The time series of reconstructed UV radiation produced in this thesis provide new insight into the past UV radiation climate and how the UV radiation has varied throughout the years. Especially the sunshine-based UV time series, extending back to 1926 and 1950 at Davos and Sodankylä, respectively, also put the recent changes driven by the ozone decline observed over the last few decades into perspective. At Davos, the reconstructed UV over the period 1926-2003 shows considerable variation throughout the entire period, with high values in the mid-1940s, early 1960s, and in the 1990s. Moreover, the variations prior to 1980 were found to be caused primarily by variations in the cloudiness, while the increase of 4.5 %/decade over the period 1979-1999 was supported by both the decline in the total ozone column and changes in the cloudiness. Of the other stations included in this work, both Sodankylä and Norrköping show a clear increase in the UV radiation since the early 1980s (3-4 %/decade), driven primarily by changes in the cloudiness, and to a lesser extent by the diminution of the total ozone. At Jokioinen, a weak increase was found, while at Bergen there was no considerable overall change in the UV radiation level.

Auringon ultraviolettisäteily (UV-säteily) vaikuttaa usealla tavalla elämään maan päällä. 1980-luvun puolivälin jälkeen huomattiin, että stratosfäärin otsonimäärä oli vähenemässä etenkin Etelämantereen kevätkaudella mutta myös maapallonlaajuisesti. Stratosfäärin otsonikerros suojelee elämää maan päällä haitalliselta UV-säteilyltä, ja havaitut otsonikerroksen muutokset aiheuttivat huolta ihmiskunnan mahdollisesti aiheuttamista muutoksista UV-säteilymäärissä. Tämän seurauksena useimmat UV-säteilyn mittausasemat ovat perustettuja juuri tähän aikaan 1990-luvun taitteessa. UV-säteilyn mittausaikasarjat ovat siis melko lyhyitä, ja ne pystyvät tyypillisesti kertomaan meille UV-säteilyn vaihteluista vain viimeisten noin 15 vuoden ajalta. Tämän väitöskirjatyön tavoitteena oli tuottaa uutta tietoa UV-säteilyn vaihteluista menneisyydessä kehittämällä ns. UV-rekonstruointimenetelmiä, joissa hyödynnetään yleisiä meteorologisia mittauksia ja kokonaisotsonitietoa menneen ajan UV-säteilyn arvioimiseen. Tässä työssä kehitettiin kaksi UV-rekonstruointimenetelmää. Molemmissa lasketaan aluksi säteilynkuljetusmallilla pilvettömän sään UV-säteilymäärä. Pilvien vaikutus otetaan tämän jälkeen huomioon joko auringon paistehavaintojen tai pyranometrimittauksien perusteella. Lisäksi kumpikin menetelmä ottaa huomioon lumen aiheuttamat vaihtelut maan pinnan heijastuvuudessa. Ilmakehän pienhiukkaset ovat mukana laskuissa tyypillisenä määränä kullakin paikkakunnalla. Näitä kahta menetelmää käyttäen tuotettiin pitkiä aikasarjoja menneen ajan UV-säteilystä viidelle asemalle Euroopassa. Asemat olivat Sodankylä ja Jokioinen Suomessa, Bergen Norjassa, Norrköping Ruotsissa ja Davos Sveitsissä. Kumpikin tässä työssä kehitetty menetelmä ottaa huomioon tärkeimmät UV-säteilymäärään vaikuttavat tekijät ja tulokset ovat hyviä verrattaessa riippumattomiin havaintoihin. Tämän vuoksi menetelmiä voidaan pitää luotettavina. Pyranometrimittauksiin perustuva menetelmä on tarkempi kuin paistehavaintoihin perustuva etenkin päiväkohtaisia arvoja verrattaessa. Kuitenkin paistehavaintoihin perustuva menetelmä on kuukausiarvoja tarkasteltaessa lähes yhtä tarkka kuin pyranometrimenetelmä, mikä tarkoittaa että paistemenetelmä on suurin piirtein yhtä hyvä kuin pyranometrimenetelmä arvioitaessa pidemmän aikavälin vaihteluita kuten esimerkiksi vuosi vuodelta tapahtuvaa vaihtelua. Tässä työssä tuotetut pitkät UV-aikasarjat tuovat uutta tietoa UV-säteilyn ilmastollisesta käyttäytymisestä ja siitä kuinka UV-säteily on vaihdellut menneisyydessä. Esimerkiksi auringon paistehavaintoihin perustuvat aikasarjat ulottuvat vuoteen 1926 Davosissa ja vuoteen 1950 Sodankylässä. Näin ollen ne muodostavat myös uuden vertailukohdan viimeaikaisille muutoksille, joissa otsonikadolla on ollut merkitystä (noin 1980 alkaen). Davosissa UV-säteily on vaihdellut tuntuvasti koko tarkastelujaksolla 1926-2003. Korkeita arvoja oli 1940-luvun keskivaiheilla, 1960-luvun alussa ja 1990-luvulla. Lisäksi huomattiin, että pilvisyyden vaihtelut hallitsivat ennen vuotta 1980 tapahtuneita vaihteluita UV-säteilyssä. Toisaalta sekä pilvisyys että otsonin vähentyminen vaikuttivat jakson 1979-1999 aikana todettuun kasvuun UV-säteilyssä (4,5 %/vuosikymmen). Myös Sodankylässä ja Norrköpingissä UV-säteily on lisääntynyt 1980-luvun alusta (3-4 %/vuosikymmen). Näillä asemilla kasvun aiheutti ensisijaisesti pilvisyyden muutokset ja vähemmässä määrin otsonin vähentyminen. Jokioisissa ja Bergenissä UV-säteilyn muutokset olivat pieniä.