Πρώτες τρισδιάστατες μετρήσεις πυρήνων συμπύκνωσης νεφών από δορυφόρο

Σήμερα έχει αναγνωριστεί ο ρόλος των αιωρούμενων σωματιδίων στο σχηματισμό και την τροποποίηση των μάκρο- και μικροφυσικών ιδιοτήτων των νεφών. Μάλιστα, η τελευταία έκθεση της Διακυβερνητικής Επιτροπής για την Κλιματική Αλλαγή (Intergovernmental Panel on Climate Change; IPCC, 2013) αναγνωρίζει αυτές τις διεργασίες ως μία από τις μεγαλύτερες αβεβαιότητες στη μελέτη του κλίματος.

Εικόνα 1: Υπό μελέτη τροχιά του δορυφόρου CALIPSO στις 9 Σεπτεμβρίου 2011 πάνω από την Ανατολική Ευρώπη, τη Μεσόγειο και την Αφρική.

Συγκεκριμένα, τα αιωρούμενα σωματίδια μπορούν να δράσουν ως πυρήνες συμπύκνωσης νεφών ανάλογα πάντα με το μέγεθος και τη σύστασή τους. Αυξημένες συγκεντρώσεις αιωρούμενων σωματιδίων μπορούν να οδηγήσουν σε νέφη περισσότερο ανακλαστικά όπως και να αυξήσουν το χρόνο ζωής των νεφών και τη νεφοκάλυψη και σε κάποιες περιπτώσεις να μειώσουν ή να καθυστερήσουν τη βροχόπτωση. Παράλληλα, η ύπαρξη στην  ατμόσφαιρα αιωρούμενων σωματιδίων που απορροφούν την ηλιακή ακτινοβολία μπορεί να οδηγήσει σε αύξηση ή μείωση της νεφοκάλυψης μέσω θερμοδυναμικών διεργασιών.

Οι παρατηρήσεις από περιβαλλοντικούς δορυφόρους παίζουν σημαντικό ρόλο στην κατανόηση αυτών των περίπλοκων ατμοσφαιρικών διεργασιών καθώς έχουν την ικανότητα να καταγράφουν μια σειρά από παραμέτρους που αφορούν τα αιωρούμενα σωματίδια και τα νέφη. Οι περισσότερες μελέτες βασίζονται στην υπόθεση ότι οι οπτικές παράμετροι των αιωρούμενων σωματιδίων που μετράνε οι δορυφόροι αποτελούν μία καλή προσέγγιση της συγκέντρωσης των αιωρούμενων σωματιδίων στην ατμόσφαιρα. Δυστυχώς όμως αυτό ισχύει μόνο κάτω από συγκεκριμένες συνθήκες εισάγοντας μεγάλο βαθμό αβεβαιότητας (π.χ. Shinozuka et al., 2015).

Κεντρικό ρόλο σε αυτό παίζει το γεγονός ότι οι περισσότεροι δορυφόροι δεν μπορούν να ξεχωρίσουν τον τύπο των σωματιδίων που υπάρχει στην ατμόσφαιρα. Ο αισθητήρας CALIOP (Cloud-Aerosol Lidar with Orthogonal Polarization) στο δορυφόρο CALIPSO (Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observations) έχει τη δυνατότητα αυτή.  Συγκεκριμένα, το CALIOP, που είναι ένα όργανο τύπου lidar, εκπέμπει μία δέσμη πολωμένου φωτός η οποία διαπερνά διάφορα στρώματα της ατμόσφαιρας. Μέρος της δέσμης αυτής επιστρέφει λόγω οπισθοσκέδασης από τα διάφορα ατμοσφαιρικά συστατικά και συλλέγεται από ένα τηλεσκόπιο που αποτελεί μέρος της διάταξης.

Εικόνα 2: Συγκεντρώσεις πυρήνων συμπύκνωσης νεφών για διάφορους τύπους αιωρούμενων σωματιδίων (πάνω: ηπειρωτικά, κέντρο: σκόνη και κάτω: θαλάσσια σωματίδια) από το CALIOP/CALIPSO πάνω από διάφορες περιοχές.

Το CALIOP μετρώντας το οπισθοσκεδαζόμενο σήμα και την πόλωση του οπισθοσκεδαζόμενου φωτός παρέχει κατακόρυφα προφίλ οπτικών ιδιοτήτων των αιωρούμενων σωματιδίων από το έδαφος έως και το ύψος των 30km και αποδίδει σε κάθε ατμοσφαιρικό στρώμα έναν ξεχωριστό τύπο σωματιδίων. Ο CALIPSO αποτελεί μέλος της ομάδας δορυφόρων A-Train και πετάει σε ύψος 705km σε ηλιοσύγχρονη πολική τροχιά, περνώντας από τον ισημερινό περίπου στις 13:30 τοπική ώρα και σαρώνοντας το ίδιο σημείο κάθε 16 μέρες.

Παρότι η δυνατότητα του ποσοτικού προσδιορισμού της συγκέντρωσης των πυρήνων συμπύκνωσης νεφών με τη χρήση επίγειων διατάξεων lidar είχε αποδειχθεί από μια σειρά εργασιών τα τελευταία χρόνια (π.χ. Mamouri and Ansmann, 2016), μόλις πρόσφατα η τεχνογνωσία αυτή μεταφέρθηκε για πρώτη φορά σε δορυφορικές παρατηρήσεις. Η έρευνα αυτή αποτελεί προϊόν συνεργασίας του Τομέα Μετεωρολογίας και Κλιματολογίας του ΑΠΘ, του Εθνικού Αστεροσκοπείου Αθηνών (ΙΑΑΔΕΤ/ΕΑΑ) και ερευνητών από το εξωτερικό και πραγματοποιήθηκε επί το πλείστον στο πλαίσιο του έργου ΠΑΝΑΚΕΙΑ (Πανελλαδική Υποδομή για Ατμοσφαιρική Σύσταση και Κλιματική Αλλαγή). Tα αποτελέσματα της εν λόγω έρευνας δημοσιεύτηκαν πολύ πρόσφατα στο διεθνές επιστημονικό περιοδικό Remote Sensing (Georgoulias et al., 2020).

Στην εργασία αυτή παρουσιάζονται οι πρώτες τρισδιάστατες εκτιμήσεις της συγκέντρωσης πυρήνων συμπύκνωσης νεφών για διάφορους τύπους αιωρούμενων σωματιδίων (σκόνη, ηπειρωτικά και θαλάσσια σωματίδια) από δορυφόρο. Οι μετρήσεις αφορούν ένα πέρασμα του δορυφόρου CALIPSO στις 9 Σεπτεμβρίου 2011 πάνω από την Ανατολική Ευρώπη, τη Μεσόγειο και την Αφρική (Εικόνα 1). Η συγκεκριμένη τροχιά επιλέχθηκε καθώς περνούσε από τη Θεσσαλονίκη τη στιγμή που λάμβαναν χώρα μετρήσεις με αεροσκάφος στο πλαίσιο της ερευνητικής καμπάνιας ACEMED (Evaluation of CALIPSO’s Aerosol Classification scheme over Eastern Mediterranean). Οι εναέριες μετρήσεις επέτρεψαν την αξιολόγηση των δορυφορικών μετρήσεων.

Γενικά, συγκεντρώσεις πυρήνων συμπύκνωσης νεφών υψηλότερες από 2000cm⁻³ εμφανίζονται πάνω από περιοχές όπου τα ηπειρωτικά σωματίδια επικρατούν όπως φαίνεται και στην Εικόνα 2. Σε περιοχές όπου κυριαρχεί η σκόνη εμφανίζονται συγκεντρώσεις πυρήνων συμπύκνωσης νεφών από σωματίδια της σκόνης της τάξεως των 80-140cm⁻³ και σε χαμηλά ύψη πάνω από τη θάλασσα εμφανίζονται συγκεντρώσεις πυρήνων συμπύκνωσης νεφών από θαλάσσια σωματίδια της τάξεως των 200cm⁻³. Όλες οι τιμές αναφέρονται σε επίπεδα υπερκορεσμού 0.15%. Οι πυρήνες συμπύκνωσης από τα ηπειρωτικά σωματίδια αποτελούν το 90% όλων των τύπων σωματιδίων μαζί.

Τα αποτελέσματα αυτά είναι σε συμφωνία με μετρήσεις από επίγειες διατάξεις lidar που εμφανίζονται σε παλαιότερες εργασίες και αφορούν άλλες περιοχές. Η σύγκριση των δορυφορικών μετρήσεων από το CALIPSO με τις εναέριες μετρήσεις από την ACEMED και μετρήσεις συγκεντρώσεων σε όλη την ατμόσφαιρα από τον αισθητήρα MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer) στους δορυφόρους Terra και Aqua έδειξαν ότι είναι δυνατός ο προσδιορισμός των συγκεντρώσεων των πυρήνων συμπύκνωσης νεφών από μια δορυφορική διάταξη lidar με μία αβεβαιότητα της τάξεως του 2 με 3 (περίπου όση είναι και η αβεβαιότητα των επίγειων διατάξεων lidar).

Πηγές:

• Georgoulias, A. K., Marinou, E., Tsekeri, A., Proestakis, E., Akritidis, D., Alexandri, G., Zanis, P., Balis, D., Marenco, F., Tesche, M., Amiridis, V.: A first case study of CCN concentrations from spaceborne lidar observations, Remote Sens., 12(10), 1557, doi:10.3390/rs12101557, 2020.
• IPCC: Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, edited by: Stocker, T. F., Qin, D., Plattner, G.-K., Tignor, M., Allen, S. K., Boschung, J., Nauels, A., Xia, Y., Bex, V., and Midgley, P. M., Cambridge University Press, Cambridge, UK and New York, NY, USA, 1535 pp., 2013.
• Mamouri, R.-E. and Ansmann, A.: Potential of polarization lidar to provide profiles of CCN- and INP-relevant aerosol parameters, Atmos. Chem. Phys., 16, 5905–5931, doi:10.5194/acp-16-5905-2016, 2016.
• Shinozuka, Y., Clarke, A. D., Nenes, A., Jefferson, A., Wood, R., McNaughton, C. S., Ström, J., Tunved, P., Redemann, J., Thornhill, K. L., Moore, R. H., Lathem, T. L., Lin, J. J., and Yoon, Y. J.: The relationship between cloud condensation nuclei (CCN) concentration and light extinction of dried particles: indications of underlying aerosol processes and implications for satellite-based CCN estimates, Atmos. Chem. Phys., 15, 7585–7604, doi:10.5194/acp-15-7585-2015, 2015.