StratoFIRE: Προσομοιώνοντας τις επιδράσεις του καπνού από pyroCbs στη στρατόσφαιρα
Ο μάλλον αποκρυφιστικός όρος “pyroCumulonimbus” ή πιο σύντομα ‘PyroCB’, είναι μια σχετικά πρόσφατη προσθήκη στην διεθνή μετεωρολογική ορολογία. Πρόκειται ουσιαστικά για σύννεφα μεγάλης και ταχείας κατακόρυφης ανάπτυξης στην ατμόσφαιρα που μοιάζουν με τους τυπικούς σωρειτομελανίες (cumulonimbus), τα πολύ γνωστά καταιγιδοφόρα νέφη των θερινών ειδικά μηνών, αλλά που προκαλούνται από την ακραία ενέργεια που απελευθερώνεται από τεράστιες δασικές πυρκαγιές. Η ένταση της κατακόρυφης ανάπτυξης είναι τόσο μεγάλη που σε πολλές περιπτώσεις ο εκλυόμενος καπνός διαπερνά ταχύτατα το χαμηλότερο τμήμα της ατμόσφαιρας, που ονομάζεται τροπόσφαιρα (τα πρώτα δηλαδή 12-18 Χλμ), και φτάνει μέχρι τη στρατόσφαιρα, σε ύψη μεγαλύτερα των 30 Χλμ. Έτσι τα νέφη pyroCumulonimbus λειτουργούν σαν μία «καμινάδα» καπνού που συνδέει τεράστιες δασικές πυρκαγιές με το κλίμα της Γης.
Χωρίς διεργασίες ταχείας απομάκρυνσης (π.χ. βροχόπτωση) στη στρατόσφαιρα, ο καπνός μπορεί να αιωρείται για μήνες, πολύ περισσότερο από τυπικές δασικές πυρκαγιές. Πρόσφατες μελέτες έδειξαν ότι τα PyroCBs δημιουργούν ένα πέπλο σωματιδίων καπνού σε μεγάλά ύψη που κυκλώνουν την Γη και μεταβάλουν τον τρόπο που η ηλιακή ακτινοβολία διαπερνά την ατμόσφαιρα, με άγνωστες συνέπειες για το κλίμα. Η στρατόσφαιρα όμως είναι σημαντική για ένα επιπλέον λόγο: είναι το τμήμα της ατμόσφαιρας που βρίσκουμε το όζον που μας προστατεύει από την επιβλαβή υπεριώδη ακτινοβολία. Δορυφορικές μετρήσεις μας παρέχουν ενδείξεις ότι ο καπνός στην στρατόσφαιρα λειτουργεί ως εργαστήριο καταστροφής τους όζοντος, αλλά οι μηχανισμοί δεν είναι ακόμη πλήρως κατανοητοί.
Το καλοκαίρι του 2017, το παρατηρητήριο PANGEA στο νησί των Αντικυθήρων, που λειτουργεί από την Ομάδα ReACT του Εθνικού Αστεροσκοπείου Αθηνών, ανίχνευσε στρώματα καπνού σε ύψη 14 Χλμ που προέρχονταν από μεγάλες δασικές πυρκαγιές στον Καναδά. Οι μετρήσεις από το Lidar στα Αντικύθηρα μας έδειξαν ότι τα σωματίδια καπνού μπορεί να έχουν διαφορετικές οπτικές ιδιότητες από αυτές που τυπικά χρησιμοποιούντα σε κλιματικά μοντέλα. Αυτό αλλάζει τον τρόπο που ο καπνός επιδρά στην ακτινοβολία και τελικά το αποτύπωμα του στο κλίμα.
Εικόνα 1. Στρώματα καπνού όπως ανιχνευτήκαν στο παρατηρητήριο PANGEA στα Αντικύθηρα (Credit: NOA–ReACT).
Οι πιο πρόσφατες πυρκαγιές στο Κεμπέκ του Καναδά έχουν κάψει τουλάχιστον 42 εκατομμύρια στρέμματα με πολλαπλές συνέπειες στην ποιότητα του αέρα και υγειά των κατοίκων στις Βορειοανατολικές περιοχές Αμερικής. Η ένταση των πυρκαγιών είναι τόσο μεγάλή που έχουν παρατηρηθεί πολλά pyroCBs, σαν αυτά τη 1 Ιουνίου του 2023. Η κλιματικής αλλαγή εντείνει το μέγεθος και τη συχνότητα τεράστιων δασικών πυρκαγιών με αποτέλεσμα να αναμένουμε περισσότερα pyroCBs στο όχι και τόσο μακρινό μέλλον. Μέχρι τώρα μελετούσαμε τις επιδράσεις των μεγάλων ηφαιστειακών εκρήξεων στην στρατόσφαιρα και το κλίμα. Τώρα πρέπει να προσθέσουμε στα κλιματικά μας μοντέλα και την επίδραση των pyroCBs, γιατί σε πολλές περιπτώσεις τα νέφη αυτά στέλνουν ποσότητα σωματιδίων στην στρατόσφαιρα συγκρίσιμη με μεγάλες ηφαιστειακές εκρήξεις.
Εικόνα 2. Δορυφορική εικόνα στις 1 Ιουνίου του 2023 που δείχνει τον σχηματικό 4 PyroCbs στην περιοχή του Κεμπέκ, Καναδάς (Credit: David Peterson, Twitter).
Παρατηρήσεις των τελευταίων ετών δείχνουν ότι ο στρατοσφαιρικός καπνός είναι ενα εκπληκτικά συχνό φαινόμενο το καλοκαίρι στα μεσαία γεωγραφικά πλάτη με συνέπεια τα PyroCBs να έχουν αναδειχθεί ως νέα ημι-εποχική πηγή αερολυμάτων στη στρατόσφαιρα, η οποία προηγουμένως δεν λαμβανόταν υπόψη σε μελέτες σύγκρισης μεταξύ μοντέλων και σε εκθέσεις αξιολόγησης. Η μεγαλύτερη γνωστή συγκέντρωση στρατοσφαιρικού καπνού προήλθε από τις καταστροφικές πυρκαγιές της Αυστραλίας το “Μαύρο Καλοκαίρι” του 2019/2020. Πολυάριθμες πυρκαγιές εκτόξευσαν πάνω από 1 εκατομμύριο τόνους καπνού στη στρατόσφαιρα, φτάνοντας σε ύψος έως και 35 χιλιόμετρα. Η μάζα και η έκταση του στρατοσφαιρικών αερολυμάτων ξεπέρασε όλες τις προηγούμενες περιπτώσεις ηφαιστειακών αερολυμάτων τα τελευταία 30 χρόνια. Δορυφορικές και επίγειες μετρήσεις μέτρησαν μια σημαντική θέρμανση της στρατόσφαιρας και σημαντική μείωση του όζοντος στα μέσα γεωγραφικά πλάτη του νοτίου ημισφαιρίου που διήρκεσε αρκετούς μήνες. Κατά τη διάρκεια του Νοεμβρίου-Δεκεμβρίου 2020, η τρύπα του όζοντος στην Ανταρκτική έφθασε σε δεκαετή υψηλά επίπεδα σε μέγεθος και διάρκεια, σε συνδυασμό με ρεκόρ χαμηλών πολικών στρατοσφαιρικών θερμοκρασιών. Ωστόσο, παραμένει αβέβαιο αν το γεγονός αυτό σχετίζεται με τις πυρκαγιές της Αυστραλίας ή οφείλεται σε άλλους παράγοντες.
Εικόνα 3. Συντελεστές εξασθένησης (γραμμές) κατά μέσο όρο μεταξύ 20ºS και 60ºS στις προσομοιώσεις με το μοντέλο EMAC. Οι κουκκίδες υποδεικνύουν τους συντελεστές εξασθένησης από τα σύνολα δεδομένων SAGE (μπλε) και GLOSSAC (πράσινο). Μονάδες σε 1/Km (Credit: StratoFIRE).
Για την καλύτερη κατανόηση τωv επιπτώσεων του καπνού στην στρατόσφαιρα και το κλίμα, ο Δρ. Αμοιρίδης συντονίζει ένα επιστημονικό πρόγραμμα χρηματοδοτούμενο από το ΕΛΙΔΕΚ. Το πρόγραμμα StratoFIRE (Fire smoke in the stratosphere: a new climate forcer) χρησιμοποιεί δορυφορικές μετρήσεις και προσομοιώσεις με ένα μοντέλο παγκόσμιου κλίματος για να αποτιμήσει τους κύριους μηχανισμούς με τους όποιους ο καπνός επιδρά στη φυσική, χημεία και δυναμική της στρατόσφαιρας, με πιθανές συνέπειες στο κλίμα.
Χρησιμοποιώντας την εθνική Υπερ-υπολογιστική υποδομή ARIS (https://www.hpc.grnet.gr/en/), προσομοιώσαμε με το παγκόσμιο μοντέλο κλίματος-χημείας EMAC Earth System Model (https://messy-interface.org/) τις ατμοσφαιρικές και κλιματικές αντιδράσεις στις Αυστραλιανές πυρκαγιές του 2019/2020. Το μοντέλο διαμορφώθηκε με (α) μικροφυσική αερολυμάτων, (β) χημεία με ετερογενείς αντιδράσεις, και (γ) ολοκληρωμένες αλληλεπιδράσεις χημείας-ακτινοβολίας-δυναμικής. Το μοντέλο EMAC συνδέει όλους τους βασικούς μηχανισμούς μεταξύ της στρατόσφαιρας και της επιφάνειας, γεγονός που καθιστά δυνατή την ποσοτικοποίηση του τρόπου με τον οποίο ο καπνός της στρατόσφαιρας επηρεάζει το παγκόσμιο ισοζύγιο ακτινοβολίας, την κυκλοφορία, τις συγκεντρώσεις όζοντος, τα επίπεδα υπεριώδους ακτινοβολίας στην επιφάνεια και τη βροχόπτωση.
Η εικόνα 3 δείχνει τους συντελεστές εξασθένησης αερολυμάτων (1/Km) κατά μέσο όρο από 20ºS έως 60ºS σε 14, 18 και 22 Km. Οι συντελεστές εξασθένησης από το μηνιαίο μέσο όρο των παρατηρήσεων GLOSSAC και SAGE-ISS εμφανίζονται με κουκκίδες. Το μοντέλο EMAC έδειξε γενικά ταχύτερη αύξηση των συντελεστών εξασθένησης τους πρώτους μήνες μετά τα pyroCbs, ενώ οι παρατηρήσεις δείχνουν μια πιο σταδιακή αύξηση, με κορύφωση τον Μάρτιο του 2020.
Παρόμοια συμπεριφορά προσομοιώνεται στα 20 χιλιόμετρα. Στα 24 χιλιόμετρα, το μοντέλο υποτίμησε σημαντικά το μέγεθος της εξασθένησης από τον καπνό που εκλύθηκε σε όλες τις δοκιμές ευαισθησίας. Όσον αφορά το ύψος εκπομπής, διαπιστώσαμε ότι η μέγιστη έκλυση καπνού στα 16 χιλιόμετρα απέδωσε την καλύτερη συσχέτιση με την παρατηρούμενη μεταβολή.
Το επόμενο βήμα είναι η ποσοτικοποίηση των διαταραχών της ακτινοβολίας στη στρατόσφαιρα και τo παγκόσμιο κλιματικό εξαναγκασμό μετά από τις Αυστραλιανές φωτιές. Ο καπνός, ωστόσο, παρουσιάζει αρκετά διαφορετικές ιδιότητες από τα υγρά, σφαιρικά, λιγότερο απορροφητικά σταγονίδια θειικού οξέος ηφαιστειακής προέλευσης που συνήθως βρίσκονται σε στρατοσφαιρικά ύψη. Ο χαρακτηρισμός των οπτικών και μικροφυσικών ιδιοτήτων του στρατοσφαιρικού καπνού, οι οποίες επί του παρόντος παραμένουν ελάχιστα κατανοητές, κυρίως λόγω της σπανιότητας των επιτόπιων παρατηρήσεων θα βοηθήσει σημαντικά στην κατανόηση των πιθανών κλιματικών επιπτώσεων των pyroCBs.
Σχετικοί Ιστότοποι
