Τα μεγάλα σωματίδια σκόνης: Μια αθέατη δύναμη στην ατμόσφαιρα

Τα σωματίδια σκόνης, μικροσκοπικά θραύσματα δηλαδή, που σηκώνονται από ξηρά και άγονα τοπία, είναι ισχυροί παράγοντες που διαμορφώνουν την ατμόσφαιρα και επηρεάζουν το κλίμα της Γης. Ενώ οι περισσότερες έρευνες επικεντρώνονται στα μικρού μεγέθους σωματίδια σκόνης (<10 μm σε διάμετρο), περισσότερο λόγω της ικανότητάς τους να διανύουν τεράστιες αποστάσεις και να επηρεάζουν την ποιότητα του αέρα, τα μεγαλύτερα σε μέγεθος σωματίδια (coarse, super coarse και giant,με διαμέτρους 2,5-10 μm, 10-62,5 μm και >62,5 μm αντίστοιχα) έχουν λάβει λιγότερη προσοχή.

Για να γίνει όμως περισσότερο κατανοητός ο διαχωρισμός των μεγεθών των σωματιδίων σκόνης, αξίζει να τα συγκρίνουμε με κάτι που όλοι γνωρίζουμε. Η διάμετρος μίας ανθρώπινης τρίχας για παράδειγμα κυμαίνεται μεταξύ 50-180 μm, ενώ οι λεπτοί κόκκοι άμμου έχουν διαμέτρους περίπου 90μm. Τα μεγέθη αυτά είναι αρκετά κοντά στα λεγόμενα giant σωματίδια σκόνης.

Παρά τη μικρότερη διάρκεια ζωής τους στην ατμόσφαιρα, αυτά τα μεγαλύτερα σωματίδια διαδραματίζουν συγκεκριμένους και σημαντικούς ρόλους στις ατμοσφαιρικές διεργασίες. Συμβάλλουν, για παράδειγμα, στην αλληλεπίδραση ακτινοβολίας και νεφών, επηρεάζουν τα επίπεδα κατακρημνίσεων και συμβάλλουν στις βιοχημικές διεργασίες σε διάφορα οικοσυστήματα.

Το παρόν άρθρο έχει διττό στόχο. Αφενός, να ενημερώσει σχετικά με τους πολύπλοκους μηχανισμούς που οδηγούν στη μεταφορά μεγάλων σωματιδίων σκόνης και τις ευρύτερες επιπτώσεις τους στην ατμόσφαιρα, αφετέρου να παρουσιάζει πρόσφατες ερευνητικές εξελίξεις σχετικά με την αποτύπωσή τους στα ατμοσφαιρικά μοντέλα.

Ατμοσφαιρικές αλληλεπιδράσεις
Σε σύγκριση με τα μικρότερα σωματίδια, η διάρκεια ζωής των μεγάλων σωματιδίων σκόνης είναι μικρότερη. Παρ’ όλα αυτά, εξακολουθούν να έχουν σημαντικό αντίκτυπο στην ατμόσφαιρα λόγω των ιδιαίτερων χαρακτηριστικών τους:

Μέγεθος, μάζα και επιφάνεια: Το μεγάλο μέγεθος και η μάζα αυτών των σωματιδίων τα αναγκάζουν να καθιζάνουν από την ατμόσφαιρα πιο γρήγορα υπό την επίδραση των βαρυτικών δυνάμεων. Ωστόσο, υπό ορισμένες συνθήκες, μπορεί ακόμη να μεταφερθούν σε αρκετή απόσταση από τις πηγές τους, όταν υπάρχουν ισχυροί άνεμοι ή αναταράξεις.

Τα σωματίδια σκόνης είναι επίσης πλούσια σε μέταλλα όπως ο φώσφορος και ο σίδηρος, τα οποία είναι απαραίτητα για τα οικοσυστήματα μακριά από τις πηγές τους. Όσο μεγαλύτερα είναι τα σωματίδια, τόσο μεγαλύτερη είναι η μάζα τους και η περιεκτικότητά τους σε αυτά τα θρεπτικά συστατικά, με αποτέλεσμα η εναπόθεσή τους να επηρεάζει σημαντικά το ισοζύγιο των θρεπτικών συστατικών ιδιαίτερα στα οικοσυστήματα που έχουν έλλειψη. Για παράδειγμα, η εναπόθεση σκόνης εμπλουτίζει περιοχές, όπως το τροπικό δάσος του Αμαζονίου και οι ωκεανοί.

Επιπλέον, τα μεγαλύτερα σωματίδια σκόνης έχουν και μεγαλύτερη επιφάνεια, η οποία ευνοεί τις χημικές αλληλεπιδράσεις στην ατμόσφαιρα, όπως για παράδειγμα, τη δημιουργία πυρήνων παγοποίησης (INP) και συμπύκνωσης (CCN). Λόγω των χαρακτηριστικών τους, λοιπόν, τα πιο μεγάλα σωματίδια σκόνης χρησιμεύουν πιο αποτελεσματικά ως πυρήνες πάνω στους οποίους δημιουργούνται παγοκρύσταλλοι και υδροσταγόνες επηρεάζοντας στη συνέχεια, τις αλυσιδωτές διεργασίες που ακολουθούν το αρχικό σχηματισμό μιας υδροσταγόνας ή παγοκρυστάλλου, έως την δημιουργία του νέφους και του υετού.

Οπτικές ιδιότητες: Οι αλληλεπιδράσεις των μεγαλύτερων σωματιδίων σκόνης με την ακτινοβολία – τόσο μικρού όσο και μεγάλου μήκους κύματος – επηρεάζουν το ενεργειακό ισοζύγιο της Γης και τις επακόλουθες επιπτώσεις αυτού στην δυναμική της ατμόσφαιρας. Λόγω της υποεκτίμησης των φορτίων των μεγάλων σωματιδίων από τα τρέχοντα ατμοσφαιρικά μοντέλα, οι αλληλεπιδράσεις αυτές παραλείπονται, συχνά επιφέροντας μεγάλη αβεβαιότητα, ιδίως σε ξηρές και άγονες περιοχές από τις οποίες εκπέμπονται και μεγάλες ποσότητες σκόνης. Μία ακριβέστερη ποσοτικοποίηση του φορτίου των μεγάλων σωματιδίων σκόνης στην ατμόσφαιρα μπορεί να οδηγήσει σε εκτιμήσεις χαμηλότερης ψύξης ή και θέρμανσης, αντί της ψύξης που εκτιμάται σήμερα από τα μοντέλα.

Προκλήσεις που αντιμετωπίζει η επιστημονική κοινότητα κατά την μελέτη της μεταφοράς των μεγάλων σωματιδίων σκόνης

Η διερεύνηση της μεταφοράς και των αλληλεπιδράσεων των μεγαλύτερων σωματιδίων σκόνης παρουσιάζει ενδιαφέρουσες προκλήσεις.

Τα μεγάλα σωματίδια συνήθως ανυψώνονται στην ατμόσφαιρα κατά τη διάρκεια σφοδρών γεγονότων, που εμπεριέχουν υψηλή κινητική ενέργεια, όπως είναι οι ισχυροί άνεμοι, οι καταιγίδες ή έντονα ανοδικά ρεύματα. Μεταξύ των βασικών παραγόντων που επηρεάζουν τη μεταφορά αυτών των σωματιδίων σκόνης, περιλαμβάνονται οι αεροδυναμικές ροές που αναπτύσσονται γύρω τους λόγω του μεγέθους τους, του σχήματός τους αλλά και της σχετικής τους θέσης ως προς τη ροή του αέρα, που μπορούν να διατηρήσουν τα μεγαλύτερα σωματίδια σε αιώρηση στην ατμόσφαιρα για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα από ό,τι θα προέβλεπε η βαρυτική έλξη από μόνη της. Επιπλέον, οι αλληλεπιδράσεις με το ατμοσφαιρικό οριακό στρώμα επηρεάζουν έντονα την οριζόντια και κατακόρυφη κατανομή των σωματιδίων σκόνης.

Οι φυσικές διεργασίες που επηρεάζουν τη μεταφορά των μεγαλύτερων σωματιδίων είναι ακόμη ένα ανοικτό ερευνητικό ζήτημα. Αυτό οφείλεται εν μέρει στο γεγονός ότι οι παραδοσιακές τεχνικές μέτρησης συχνά δυσκολεύονται να «δουν» με ακρίβεια τα μεγαλύτερα σωματίδια, με αποτέλεσμα να υποεκπροσωπούνται στα δεδομένα παρατήρησης. Ωστόσο, τα σύγχρονα όργανα βελτιώνουν την κατανόηση ως προς την μεταφοράς των μεγάλων σωματιδίων.

Ταυτόχρονα, τα περισσότερα ατμοσφαιρικά μοντέλα αποκλείουν τα σωματίδια σκόνης που έχουν διαμέτρους μεγαλύτερες από 20 μm. Σε μια πρόσφατη μελέτη, ερευνητές της ομάδας ReACT του Εθνικού Αστεροσκοπείου Αθηνών, χρησιμοποίησαν πιο ρεαλιστικές κατανομές μεγέθους για να ενσωματώσουν στο μοντέλο WRF-L σωματίδια σκόνης με διάμετρο έως 100μm. Η ανάπτυξη ενός τέτοιου μοντέλου σκόνης, περιλαμβάνει τις φυσικές διεργασίες για την εκπομπή και τη μεταφορά σωματιδίων σκόνης με μεγέθη σε ολόκληρο το φάσμα μεγεθών που συναντάμε στην ατμόσφαιρα, και αποτελεί ένα χρήσιμο εργαλείο για τη διερεύνηση σε βάθος αυτών των διεργασιών καθώς και των αλληλεπιδράσεών τους. Στην ίδια μελέτη βρέθηκε ότι υπάρχουν υποκείμενες φυσικές διεργασίες οι οποίες δεν έχουν αντιπροσωπευτεί επαρκώς στο μοντέλο και που η ενσωμάτωσή τους θα ισοδυναμούσε με μία σχετική μείωση στην ταχύτητα καθίζησης των σωματιδίων περίπου 60-80%.

Γιατί τα σωματίδια σκόνης μεγάλου μεγέθους έχουν σημασία: Περαιτέρω έρευνα

Η κατανόηση του ρόλου των μεγάλων σωματιδίων σκόνης είναι απαραίτητη για τη βελτίωση των κλιματικών μοντέλων και την πρόβλεψη των συνοδευόμενων κλιματικών επιπτώσεων. Η τεχνολογική πρόοδος στον τομέα των παρατηρήσεων και η βελτίωση των προσομοιώσεων έχουν δημιουργήσει ισχυρές βάσεις για νέες εξελίξεις σε αυτόν τον τομέα. Ωστόσο, απομένουν πολλά να αποκαλυφθούν σχετικά με τους μηχανισμούς μεταφοράς, τις διαδικασίες εναπόθεσης και τις ατμοσφαιρικές αλληλεπιδράσεις αυτών των σωματιδίων. Η ενίσχυση της έρευνας σε αυτό το πεδίο θα επιτρέψει καλύτερες προβλέψεις του ρόλου των σωματιδίων σκόνης στη δυναμική του κλίματος και των οικοσυστημάτων.

Τα μεγάλα σωματίδια σκόνης δεν είναι απλώς μεγαλύτερες εκδοχές των μικρότερων, αλλά παρουσιάζουν μοναδική συμπεριφορά και διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο στις ατμοσφαιρικές διεργασίες. Τα σωματίδια αυτά επηρεάζουν τη διάχυση και απορρόφηση της ακτινοβολίας, το σχηματισμό των νεφών και συμβάλλουν στους κύκλους των θρεπτικών συστατικών, υπογραμμίζοντας τις περίπλοκες συνδέσεις μεταξύ των συστημάτων της ατμόσφαιρας και της επιφάνειας της Γης. Η βαθύτερη κατανόηση του ρόλου των μεγάλων σωματιδίων σκόνης είναι ζωτικής σημασίας για τη βελτίωση της ακρίβειας των κλιματικών μοντέλων και την πρόβλεψη των κλιματικών επιπτώσεων. Στο πλαίσιο ενός ταχέως μεταβαλλόμενου κλίματος, η κατανόηση αυτών των δυναμικών είναι πιο σημαντική από ποτέ.

Εμβάθυνση στη χρήση του ατμοσφαιρικού μοντέλου WRF-L για την έρευνα των διεργασιών μεταφοράς σκόνης

H ανάπτυξη του μοντέλου WRF-L είναι προϊόν συνέργειας παρατηρήσεων και θεωρητικής μοντελοποίησης. Πιο συγκεκριμένα, ερευνητές της ομάδας ReACT του Εθνικού Αστεροσκοπείου Αθηνών χρησιμοποίησαν την μέση κατανομή μεγέθους που μετρήθηκε πάνω από τις πηγές της Σαχάρας κατά τη διάρκεια της πειραματικής εκστρατείας FENNEC για να παραμετροποιήσουν τις εκπομπές σκόνης στο μοντέλο WRF-Chem (Εικόνα 1).

Εικόνα 1: Παρουσιάζονται τα βήματα που ακολουθήθηκαν και οι κατάλληλες τροποποιήσεις για την ανάπτυξη και αξιολόγηση της συμπεριφοράς του μοντέλου WRF-L. Πηγή: Drakaki et. al., 2021, ACP

Το μοντέλο WRF-L εφαρμόστηκε για την προσομοίωση της μεταφοράς σκόνης από την Σαχάρα προς τον Ατλαντικό. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι το μοντέλο υποεκτιμά σημαντικά τις συγκεντρώσεις των σωματιδίων σκόνης με διάμετρο μεγαλύτερη από 10 μm. Στην συνέχεια εφαρμόστηκαν τεστ ευαισθησίας με τη χρήση του μοντέλου, στα οποία η ταχύτητα καθίζησης των σωματιδίων μειώθηκε κατά 20, 40 , 60 και 80% (UR20, UR40, UR60, UR80). Από την σύγκριση των αποτελεσμάτων των προσομοιώσεων με παρατηρήσεις κατανομών συγκεντρώσεων σκόνης στην περιοχή του Ατλαντικού (Εικόνα 2), βρέθηκε ότι η μείωση κατά 60-80% οδηγεί σε βελτιωμένη συμφωνία μεταξύ του μοντέλου και των παρατηρήσεων.

Εικόνα 2: Η μέση κατανομή μεγέθους σωματιδίων (PSD) που συλλέχθηκε κατά την διάρκεια της πειραματικής εκστρατείας AER-D/ICE-D απεικονίζεται με κόκκινα τετράγωνα. Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης με το μοντέλο WRF-L απεικονίζονται ως συνεχείς γραμμές. Με μαύρο χρώμα τα αποτελέσματα του μοντέλου, χωρίς καμία επιπλέον μείωση στην ταχύτητα των σωματιδίων (CONTROL), ενώ με χρώματα μπλε, πορτοκαλί, πράσινο και μωβ αποτυπώνονται τα αποτελέσματα από τα σενάρια μείωσης της ταχύτητας καθίζησης κατά 20, 40 , 60 και 80 % (UR20, 40, 60, 80).

Αυτή η σημαντική υποεκτίμηση του μοντέλου υποδηλώνει ότι είτε υπάρχουν περιορισμοί στον τρόπο που αποτυπώνονται οι φυσικές διεργασίες στο μοντέλο ή στις αριθμητικές μεθόδους που χρησιμοποιούνται για την επίλυση αυτών των διεργασιών είτε δεν λαμβάνονται υπόψην καθόλου κάποιες φυσικές διεργασίες. Πρόσφατα, έχουν γίνει προσπάθειες να εξεταστεί η επίδραση της αριθμητικής διάχυσης που περιέχεται στους αριθμητικούς αλγόριθμους επίλυσης της μεταφοράς παραμέτρων όπως η συγκέντρωση σκόνης, στην ακρίβεια των προσομοιώσεων. Συγκεκριμένα, αντικαθιστώντας το προεπιλεγμένου αριθμητικό σχήμα πρώτης τάξης upwind (BASE), που χρησιμοποιείται εξ ορισμού για την καθίζηση της σκόνης στο WRF-L, με ένα αριθμητικό σχήμα τρίτης τάξης (UNO3) που εμπεριέχει μικρότερο σφάλμα λόγω αριθμητικής διάχυσης, οι ερευνητές της ομάδας ReACT, συνέκριναν την απόδοση των δύο σχημάτων σε μια ιδεατή 2-D μεταφορά ενός νέφους σκόνης. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι χρησιμοποιώντας το σχήμα τρίτης τάξης, το μοντέλο τείνει να διατηρεί τη συγκέντρωση μάζας σκόνης υψηλότερη καθ’ όλη τη διάρκεια της περιόδου μεταφοράς, ενώ το προεπιλεγμένο σχήμα (BASE) διατηρεί τις χαμηλές τιμές συγκέντρωσης για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα (Εικόνα 3). Τα αποτελέσματα υποδηλώνουν μια πιθανή επίδραση της αριθμητικής διάχυσης στη μεταφορά σκόνης, η οποία θα πρέπει να αξιολογηθεί σε μελέτες μεταφοράς σκόνης κάτω από πραγματικές συνθήκες.

Εικόνα 3: Η χρονική εξέλιξη της συγκέντρωσης σκόνης των μεγάλων σωματιδίων παρουσιάζεται στα πλαίσια (α, β) για τις προσομοιώσεις που έχουν χρησιμοποιηθεί τα σχήματα UNO3 και BASE. Στις προσομοιώσεις το μοντέλο έχει διαμορφωθεί χρησιμοποιώντας 30 κατακόρυφα επίπεδα (UNO3 και BASE).

Acknowledgements: Το ερευνητικό έργο υποστηρίχτηκε από το Ελληνικό Ίδρυμα Έρευνας και Καινοτομίας (ΕΛ.ΙΔ.Ε.Κ.) στο πλαίσιο της Δράσης «3η Προκήρυξη ερευνητικών έργων ΕΛ.ΙΔ.Ε.Κ. για την ενίσχυση Μεταδιδακτορικών Ερευνητών/τριών» (πρόγραμμα REVEAL, Αριθμός Έργου: 07222) και υπολογιστικούς πόρους από το Εθνικό Δίκτυο Υποδομών Τεχνολογίας και Έρευνας (ΕΔΥΤΕ) στο σύστημα ARIS – με αριθμό έργου ID pr016030_thin-MIAMI. Τα αποτελέσματα που παρουσιάζονται σε αυτό το άρθρο, είναι προϊόν ερευνητικού έργου της ομάδας ReACT του ΙΑΑΔΕΤ/ΕΑΑ.

Σχετικές Δημοσιεύσεις και αντίστοιχοι σύνδεσμοι

• Drakaki, E., Amiridis, V., Tsekeri, A., Gkikas, A., Proestakis, E., Mallios, S., Solomos, S., Spyrou, C., Marinou, E., Ryder, C. L., Bouris, D., and Katsafados, P.: Modeling coarse and giant desert dust particles, Atmos. Chem. Phys., 22, 12727–12748, https://doi.org/10.5194/acp-22-12727-2022, 2022.
• Drakaki, E., Mallios, S., Amiridis, V., Tsekeri, A., Bouris, D., and Katsafados, P.: Numerical diffusion on vertical advection due to gravitational settling in WRF: 2D simulations, EGU General Assembly 2023, Vienna, Austria, 24–28 Apr 2023, EGU23-9364, https://doi.org/10.5194/egusphere-egu23-9364, 2023.