Πώς τα σωματίδια συμβάλλουν στο σχηματισμό σύννεφων

Τα σύννεφα είναι ένας από τους κύριους παράγοντες που επηρεάζουν το ατμοσφαιρικό σύστημα:είναι ένα από τα πιο σημαντικά στοιχεία στην ισορροπία της ακτινοβολίας στη Γη και εμπλέκονται στον υδρολογικό κύκλο, επηρεάζοντας έτσι το κλίμα με γενικό τρόπο. Η επίδραση των νεφών σε όλες αυτές τις διεργασίες εξαρτάται από τα χαρακτηριστικά των σωματιδίων που συμμορφώνονται με τα σύννεφα:κρυστάλλους πάγου και/ή σταγονίδια.

Τα σωματίδια του νέφους ξεκινούν από τη διαδικασία που ονομάζεται πυρήνωση. Ο σχηματισμός πυρήνων ονομάζεται ετερογενής πυρήνωση όταν ένα ξένο σωματίδιο ενεργεί ως πυρήνας. Τα σωματίδια που σχηματίζουν πυρήνα είναι σωματίδια πυρήνων πάγου  (INP) ή πυρήνες συμπύκνωσης νέφους  (CCN) εάν συμβάλλουν στην προέλευση κρυστάλλων πάγου ή σταγονιδίων σύννεφων, αντίστοιχα. Συγκεκριμένα, όσον αφορά το σχηματισμό κρυστάλλων πάγου, σε θερμοκρασίες υψηλότερες από –36°C, ο μόνος τρόπος για να σχηματιστούν σωματίδια πάγου είναι η παρουσία INPs.

Υπάρχουν διαφορετικοί τρόποι ετερογενούς πυρήνωσης του πάγου (Vali, 1985). Ο κύριος τρόπος, ο οποίος εμπλέκεται στο σχηματισμό κρυστάλλων πάγου σε σύννεφα μικτής φάσης (σύννεφα που σχηματίζονται από σωματίδια πάγου και σταγονίδια νερού), είναι ο τρόπος κατάψυξης με εμβάπτιση. Παράγεται όταν ένα INP βυθίζεται σε μια σταγόνα νερού σε θερμοκρασίες χαμηλότερες από 0°C. Διαφορετικά αερολύματα μπορούν να λειτουργήσουν ως INP στη λειτουργία εμβάπτισης:γύρη (Pummer et al., 2012), βακτήρια (Haga et al., 2014), σπόρια μυκήτων (Spracklen y Heald, 2014), βιογονικά σωματίδια (O'Sullivan et al. , 2014), ηφαιστειακή τέφρα (Hoyle et al., 2011), σωματίδια από καύση βιομάζας (Petters et al., 2009) κ.λπ. Ωστόσο, έχει αποδειχθεί ότι τα σωματίδια ορυκτής σκόνης έχουν κυρίαρχο ρόλο ως INP με κατάψυξη με εμβάπτιση ( Hoose et al., 2010).

Οι πηγές των φυσικών ορυκτών σωματιδίων στην ατμόσφαιρα είναι οι άνυδρες περιοχές. Για παράδειγμα, η Παταγονία, στην Αργεντινή, είναι η πιο σημαντική πηγή σκόνης στη Νότια Αμερική (Prospero et al., 2002). Τα σωματίδια που παράγονται σε αυτή την περιοχή μπορούν ακόμη και να φτάσουν στην Ανταρκτική όταν μεταφέρονται από τον άνεμο (Gassó et al., 2010) και συμβάλλουν στο σχηματισμό σωματιδίων πάγου. Επομένως, λαμβάνοντας υπόψη τη μεγάλη συμβολή αυτών των σωματιδίων στη συγκέντρωση μάζας αερολύματος στην ατμόσφαιρα και τη σημασία των INPs, μελετάμε την ικανότητα αυτών των σωματιδίων ως INP με τρόπο κατάψυξης εμβάπτισης.

Αυτή η μελέτη διεξήχθη χρησιμοποιώντας φυσικά ορυκτά σωματίδια που συλλέχθηκαν σε μια τοποθεσία στην Παταγονία. Παρασκευάστηκαν διαφορετικές συγκεντρώσεις εναιωρήματος προκειμένου να αναλυθεί η επίδραση αυτών των σωματιδίων στις θερμοκρασίες πήξης των σταγονιδίων νερού όταν αυτά τα σωματίδια βυθίζονται. Ο όγκος των σταγονιδίων νερού κυμαινόταν μεταξύ 2,5 και 100 mL. Η εξέλιξη της πτώσης κατά τη μείωση της θερμοκρασίας ακολουθήθηκε με ψηφιακή κάμερα. Οι αλλαγές στην ανακλαστικότητα και την αδιαφάνεια των σταγόνων κατά τη διάρκεια της διαδικασίας κατάψυξης επέτρεψαν την καταγραφή της θερμοκρασίας κατάψυξης. Για παράδειγμα, το Σχήμα 1 δείχνει αυτές τις αλλαγές κατά τη διάρκεια της κατάψυξης μιας σταγόνας.

Οι καταχωρημένες θερμοκρασίες κατάψυξης (T_f ) αναλύθηκαν ως συνάρτηση των όγκων σταγονιδίων και των συγκεντρώσεων του εναιωρήματος. Παρατηρήθηκε ότι T_f  αυξάνεται με τη συγκέντρωση του εναιωρήματος και τον όγκο σταγόνας. Και οι δύο τάσεις μπορούν να εξηγηθούν λαμβάνοντας υπόψη την παρουσία ενεργών θέσεων στην επιφάνεια των INP. Η διαδικασία κατάψυξης ξεκινά σε αυτές τις ενεργές τοποθεσίες. Δεδομένου ότι ο αριθμός αυτών των ενεργών θέσεων αυξάνεται όταν αυξάνεται ο όγκος σταγόνας και η συγκέντρωση του εναιωρήματος, T_f  κατά συνέπεια αυξάνεται. Αυτό φαίνεται στο Σχήμα 2, το οποίο δείχνει την τάση της θερμοκρασίας κατάψυξης σχετικά με αυτές τις δύο μεταβλητές.

Το σχήμα 3 δείχνει την αύξηση στο T_f  όταν η συγκέντρωση του εναιωρήματος αυξάνεται σε σταγόνες των 10 mL. Παρατηρήστε το οροπέδιο στο T_f  σε υψηλή συγκέντρωση εναιωρήματος. Σχετίστηκε με τη συσσωμάτωση των σωματιδίων όταν η συγκέντρωση του εναιωρήματος είναι αυξημένη. Ο σχηματισμός αυτών των συγκεντρωτικών στοιχείων συμβάλλει στη διατήρηση σταθερού αριθμού ενεργών τοποθεσιών και, ως εκ τούτου, στη διατήρηση σταθερού T_f .

Προκειμένου να ποσοτικοποιηθούν οι τάσεις στο πάγωμα της θερμοκρασίας, η ακόλουθη παραμετροποίηση για το T_f  (ºC) έναντι της συγκέντρωσης του εναιωρήματος (C , σε mg mL) πραγματοποιήθηκε για κάθε όγκο σταγόνας:

όπου T_∞ , A, και C₀  είναι οι παράμετροι προσαρμογής (αυτή η προσαρμογή φαίνεται επίσης στο σχήμα 3). T_∞  είναι η μέγιστη θερμοκρασία που μπορεί να επιτευχθεί για κάθε όγκο σταγόνας αυξάνοντας τη συγκέντρωση του εναιωρήματος. Η χαμηλότερη θερμοκρασία που επιτυγχάνεται για έναν δεδομένο όγκο πτώσης μπορεί να ληφθεί από την αφαίρεση μεταξύ T_∞  και A (στο εξής καλείται T_min ), και η υψηλότερη συγκέντρωση εναιωρήματος που συμβάλλει σημαντικά στην αύξηση της θερμοκρασίας κατάψυξης μπορεί να ληφθεί από C₀ . Ο πίνακας 1 δείχνει τις αντίστοιχες παραμέτρους προσαρμογής, καθώς και το τετράγωνο του συντελεστή συσχέτισης (R ). Τέλος, T_w  και SDT_w , που εμφανίζονται επίσης σε αυτόν τον πίνακα, είναι ο μέσος όρος και η τυπική απόκλιση, αντίστοιχα, του T_f  για καθαρό νερό, που ελήφθησαν πειραματικά.

Παρατηρήστε ότι T_λεπτά  και T_w  ήταν πολύ παρόμοια για κάθε όγκο σταγονιδίων, γεγονός που δείχνει την καλή εφαρμογή της Εξ. 1 για τα πειραματικά αποτελέσματα. Η αύξηση στο T_f  όταν η συγκέντρωση του εναιωρήματος αυξάνεται μπορεί να εξηγηθεί επειδή ο αριθμός των σωματιδίων που δρουν ως INP είναι μεγαλύτερος όταν η συγκέντρωση του εναιωρήματος αυξάνεται. Για ένα σταγονίδιο που περιέχει περισσότερα από ένα INP, T_f  θα ελέγχεται από το INP που πυρηνώνει τον πάγο στην υψηλότερη θερμοκρασία. Ο σχηματισμός αδρανών θα εξηγούσε τη σταθερά T_f  τιμές μετά από συγκεκριμένη συγκέντρωση εναιωρήματος και την έλλειψη τάσης στο C₀ τιμές.

Από αυτά τα αποτελέσματα, φαίνεται ο ρόλος των συλλεγόμενων σωματιδίων ως INPs με τη λειτουργία κατάψυξης εμβάπτισης. Λαμβάνοντας υπόψη ότι, λόγω της δυτικής δυναμικής, η ατμοσφαιρική σκόνη της Παταγονίας δεν εναποτίθεται αποτελεσματικά στην ενδοχώρα, αλλά διοχετεύεται απευθείας στα ωκεάνια νερά (Gaiero et al., 2004), το αποτέλεσμα της έρευνάς μας μας οδηγεί να πιστεύουμε ότι το έδαφος της Παταγονίας, μια πηγή σκόνης , θα μπορούσε να επηρεάσει τη δημιουργία βροχοπτώσεων σε απομακρυσμένες περιοχές. Αυτή η έρευνα είναι μόνο η αρχή. Η μελέτη σχετικά με την επίδραση των ορυκτών σωματιδίων στην ικανότητα των ψυχρών νεφών να σχηματίζουν βροχόπτωση μέσω της φάσης του πάγου είναι η επόμενη πρόκληση.

Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται στο άρθρο με τίτλο Ο ρόλος των φυσικών ορυκτών σωματιδίων που συλλέγονται σε μια τοποθεσία στην Παταγονία ως πυρήνες πάγου που παγώνουν εμβάπτιση, που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο Atmospheric Research. Αυτή η εργασία διεξήχθη από την Δρ. María Laura López, Laura Borgnino και Eldo Ávila από το CONICET και το Εθνικό Πανεπιστήμιο της Κόρδοβα.

Αναφορές

• Gaiero, D.M. et al. (2004):Η υπογραφή των υλικών που μεταφέρονται από το ποτάμι και τον άνεμο που εξάγονται από την Παταγονία στα νότια γεωγραφικά πλάτη:μια άποψη από τις REE και επιπτώσεις για τις παλαιοκλιματικές ερμηνείες. Earth and Planetary Science Letters 219, 357-376.
• Gassó, S. et al. (2010):Μια συνδυασμένη προσέγγιση παρατήρησης και μοντελοποίησης για τη μελέτη της σύγχρονης μεταφοράς σκόνης από την έρημο της Παταγονίας στην Ανατολική Ανταρκτική. Atmos. Chem. Phys. 10, 8287-8303.
• Haga, D.I. et al. (2014):Πυρήνωση πάγου από σπόρια μυκήτων από τις κατηγορίες Αγαρομύκητες , Ustilaginomycetes και Ευρωτιομύκητες , και την επίδραση στην ατμοσφαιρική μεταφορά αυτών των σπορίων, Atmos. Chem. Phys., 14, 8611-8630.
• Hoose, C. et al. (2010):Μια παραμετροποίηση με βάση την κλασική θεωρία της ετερογενούς πυρήνωσης πάγου από ορυκτή σκόνη, αιθάλη και βιολογικά σωματίδια σε ένα παγκόσμιο κλιματικό μοντέλο, J. Atmos. Sci. 67, 2483-2503.
• Hoyle, C.R. et al. (2011):Ιδιότητες πυρηνοποίησης πάγου της ηφαιστειακής τέφρας από το Eyjafjallajökull. Atmos. Chem. Phys., 11, 9911-9926.
• O'Sullivan, D. et al. (2014):Πυρήνωση πάγου από σκόνες γόνιμου εδάφους:σχετική σημασία ορυκτών και βιογενών συστατικών, Atmos. Chem. Phys., 14, 1853-1867.
• Petters, M.D. et al. (2009):Εκπομπές πυρήνων πάγου από καύση βιομάζας. Journal of Geophysical Research 114, D07209.
• Prospero, J.M. et al. (2002):Περιβαλλοντικός χαρακτηρισμός παγκόσμιων πηγών ατμοσφαιρικής σκόνης εδάφους που προσδιορίζονται με το προϊόν απορροφήσεως αερολύματος nimbus 7 ολικού φασματόμετρου χαρτογράφησης όζοντος (TOMS), Rev. Geophys. 40, 1002.
• Pummer, B.G. et al. (2012):Τα αιωρούμενα μακρομόρια είναι υπεύθυνα για τη δραστηριότητα πυρηνοποίησης πάγου της γύρης σημύδας και κωνοφόρων, Atmos. Chem. Phys., 12, 2541-2550, 2012.
• Spracklen, D.V. and Heald, C.L. (2014):Η συμβολή των μυκητιακών σπορίων και βακτηρίων στους τοπικούς και παγκόσμιους αριθμούς αερολυμάτων και ρυθμούς κατάψυξης εμβάπτισης πυρήνων πάγου, Atmos. Chem. Phys., 14, 9051-9059.
• Vali, G. (1985):Nucleation Terminology, J. Aerosol S., 16 (6), 575-576.