Modeling of Surface UV Radiation Using Satellite Data

Solar UV radiation is harmful for life on planet Earth, but fortunately the atmospheric oxygen and ozone absorb almost entirely the most energetic UVC radiation photons. However, part of the UVB radiation and much of the UVA radiation reaches the surface of the Earth, and affect human health, environment, materials and drive atmospheric and aquatic photochemical processes. In order to quantify these effects and processes there is a need for ground-based UV measurements and radiative transfer modeling to estimate the amounts of UV radiation reaching the biosphere. Satellite measurements with their near-global spatial coverage and long-term data conti-nuity offer an attractive option for estimation of the surface UV radiation. This work focuses on radiative transfer theory based methods used for estimation of the UV radiation reaching the surface of the Earth. The objectives of the thesis were to implement the surface UV algorithm originally developed at NASA Goddard Space Flight Center for estimation of the surface UV irradiance from the meas-urements of the Dutch-Finnish built Ozone Monitoring Instrument (OMI), to improve the original surface UV algorithm especially in relation with snow cover, to validate the OMI-derived daily surface UV doses against ground-based measurements, and to demonstrate how the satellite-derived surface UV data can be used to study the effects of the UV radiation. The thesis consists of seven original papers and a summary. The summary includes an introduction of the OMI instrument, a review of the methods used for modeling of the surface UV using satellite data as well as the con-clusions of the main results of the original papers. The first two papers describe the algorithm used for estimation of the surface UV amounts from the OMI measurements as well as the unique Very Fast Delivery processing system developed for processing of the OMI data received at the Sodankylä satellite data centre. The third and the fourth papers present algorithm improvements related to the surface UV albedo of the snow-covered land. Fifth paper presents the results of the comparison of the OMI-derived daily erythemal doses with those calculated from the ground-based measurement data. It gives an estimate of the expected accuracy of the OMI-derived sur-face UV doses for various atmospheric and other conditions, and discusses the causes of the differences between the satellite-derived and ground-based data. The last two papers demonstrate the use of the satellite-derived sur-face UV data. Sixth paper presents an assessment of the photochemical decomposition rates in aquatic environment. Seventh paper presents use of satellite-derived daily surface UV doses for planning of the outdoor material weathering tests.

Auringon emittoima UV-säteily on elämälle vahingollista, mutta onneksi ilmakehän happi ja otsoni absorboivat lähes kokonaan kaikkein energisimmän UVC-säteilyn fotonit. Kuitenkin osa auringon UVB- ja UVA-säteilystä läpäisee ilmakehän ja vaikuttaa ihmisten terveyteen, ympäristöön, materiaaleihin sekä aiheuttaa fotokemiallisia reaktioita ilmakehässä ja vesiympäristöissä. UV-säteilyn vaikutusten arviointiin ja sen aiheuttamien fotokemiallisten prosessien tutkimukseen tarvitaan kvantitatiivista tietoa biosfääriin saapuvasta UV-säteilystä. Satelliittimittaukset tarjoavat houkuttelevan vaihtoehdon arvioida maan pinnalle saapuvia UV-säteilymääriä. Työ keskittyy säteilynkuljetusteoriaan perustuviin menetelmiin arvioida maanpinnalle saapuvan UV-säteilyn määrää. Työn tavoitteena oli soveltaa NASA Goddard Space Flight Centerin kehittämää menetelmää suomalais-hollantilaisen Ozone Monitoring Instrument (OMI) –satelliittilaitteen mittauksien käyttöön maanpinnalle saapuvan UV-säteilyn arviointiin. Tavoitteena oli myös kehittää alkuperäistä menetelmää niin, että sillä saataisiin tarkkoja arvioita UV-säteilyn määrästä myös lumipeitteisille alueille. Lisäksi tavoitteena oli validoida OMI-mittauksiin perustuvia UV-säteilyarvioita vertaamalla niitä maanpintamittauksiin sekä osoittaa esimerkein, miten satelliittimittauksiin perustuvia UV-säteilyarvioita voidaan käyttää UV-säteilyn vaikutusten tutkimiseen. Väitöskirja koostuu seitsemästä julkaisusta ja yhteenvedosta. Yhteenveto sisältää OMI-instrumentin esittelyn, katsauksen menetelmiin, joita käytetään maanpinnalle saapuva UV-säteilyn mallintamiseen käyttäen satelliittimittauksia, sekä työhön sisällytettyjen julkaisujen päätulokset. Ensimmäiset kaksi julkaisua esittelevät algoritmin, jota käytetään maanpinnalle saapuvien UV-säteily¬määrien arviointiin OMI-mittauksista, sekä Very Fast Delivery –prosessointi¬järjestelmän, jota käytetään OMI-datan prosessointiin Sodankylän satelliittidatakeskuksessa. Kolmas ja neljäs julkaisu esittelevät algoritmiin tehtyjä parannuksia liittyen lumipeitteisen maan heijastuskykyyn. Viides julkaisu esittelee tulokset vertailusta, jossa OMI-mittauksista määritettyjä erytemaalisia päiväannoksia on verrattu maanpintamittauksiin. Kaksi viimeistä julkaisua esittelevät, miten satelliittimittauksiin perustuvia UV-säteilyarvioita voidaan käyttää UV-säteilyn vaikutusten tutkimiseen. Kuudennessa julkaisussa UV-säteilyarvioita on käytetty fotokemiallisten hajoamisnopeuksien arviointiin vesiympäristössä. Seitsemännessä julkaisussa arvioita UV-säteilyn päiväannoksista on käytetty ulkoilmassa tapahtuvien materiaalien ikääntymistestien suunnitteluun.