ΠΣΤΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΙΑ. Αιωροφμενα ςωματίδια και βροχόπτωςθ. ανδρισ Δθμιτριοσ Α.Ε.Μ. : Επιβλζπων Κακθγθτισ : Μπαλισ Δθμιτριοσ ΤΙΤΛΟΣ :

Transcript

1 ΠΣΤΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΙΑ ΤΙΤΛΟΣ : Αιωροφμενα ςωματίδια και βροχόπτωςθ ανδρισ Δθμιτριοσ Α.Ε.Μ. : Επιβλζπων Κακθγθτισ : Μπαλισ Δθμιτριοσ Φεβρουάριοσ 2011

2 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Τα αιωροφμενα ςωματίδια ςτθν ατμόςφαιρα, ζχουν πολφ ςθμαντικζσ περιβαλλοντικζσ ςυνζπειεσ. Θ όλο και αυξανόμενθ ςυγκζντρωςθ τουσ ςτθν ατμόςφαιρα τα τελευταία χρόνια (λόγω τθσ βιομθχανικισ δραςτθριότθτασ και τθσ μεγζκυνςθσ του πλθκυςμοφ τθσ Γθσ) ζχει οδθγιςει ςε πολλζσ μελζτεσ με ςτόχο τθν κατανόθςθ των ςυνεπειϊν αυτϊν. Θ εργαςία αυτι διαπραγματεφεται τθν επίδραςθ των αιωροφμενων ςωματιδίων ςτισ βροχοπτϊςεισ. Δθλαδι το αν θ αυξθτικι τάςθ ςτισ ςυγκεντρϊςεισ των αιωροφμενων ςωματιδίων προκαλεί αφξθςθ ι μείωςθ των βροχοπτϊςεων. Θ εργαςία αποτελείται ςυνολικά από 6 κεφάλαια. Στο 1 ο κεφάλαιο αναφζρονται κάποια γενικά ςτοιχεία για τα αιωροφμενα ςωματίδια. Στο 2 ο κεφάλαιο αναφζρονται οι φυςικζσ διεργαςίεσ ςχθματιςμοφ τθσ βροχισ, ενϊ ςτο 3 ο κεφάλαιο αναπτφςςεται αναλυτικότερα θ διαδικαςία τθσ πυρινωςθσ που μασ ενδιαφζρει και περιςςότερο. Το 4 ο κεφάλαιο αςχολείται με τισ ιδιότθτεσ (φυςικζσ, χθμικζσ) που πρζπει να ζχουν τα αιωροφμενα ςωματίδια ϊςτε να μποροφν να δράςουν ωσ πυρινεσ ςυμπφκνωςθσ νεφϊν - CCN (Cloud Condensation Nuclei), κακϊσ και οι πθγζσ αυτϊν. Το 5 ο κεφάλαιο μελετά τισ επιπτϊςεισ τθσ αυξθμζνθσ ςυγκζντρωςθσ των αιωροφμενων ςωματιδίων ςτον υετό. Τζλοσ, ςτο 6 ο κεφάλαιο παρατίκενται πειραματικά δεδομζνα που αφοροφν τισ βροχοπτϊςεισ κατά τθν περίοδο των μουςϊνων ςτθν Ινδία και τθ ςχζςθ τουσ με τα αιωροφμενα ςωματίδια.

3 ABSTRACT The aerosols in the atmosphere, have very important environmental consequences. Their ever increasing concentration in the atmosphere in the last years (because of the industrial activity and the enlargement of Earth s population) has lead to numerous studies aimed at understanding their effects. This study deals with the effects of the aerosols in rainfalls. Analytically, if the upward trend in concentrations of the aerosols causes an increase or decrease in rainfall. This study consists of 6 chapters. The 1 st chapter presents some general information about aerosols. The 2 nd chapter presents the formation of liquid precipitation, whereas in the 3 rd chapter the process of nucleation which is the most inderesting, is developed further. The 4 th chapter deals with the characteristics (physical, chemical) which the aerosols must have in order to be able to act as CCN (Cloud Condensation Nuclei), as well as the sources of these. The 5 th chapter studies the consequences of the increased concentration of aerosols in rainfall. Finally the 6 th chapter provides experimental data that are related to the rainfalls during the Indian Summer Monsoon and their possible relationship with the aerosols.

4 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 1. ΓΕΝΙΚΑ ΓΙΑ ΣΑ ΑΙΩΡΟΤΜΕΝΑ ΩΜΑΣΙΔΙΑ Γενικά ςτοιχεία Μορφζσ αιωροφμενων ςωματιδίων Ρθγζσ Αιωροφμενων Σωματιδίων Μθχανιςμοί απομάκρυνςθσ ατμοςφαιρικϊν αιωρθμάτων Ραράγοντεσ που επθρεάηουν τθ διαδικαςία ςχθματιςμοφ πυρινων ςυμπφκνωςθσ νεφϊν ΦΤΙΚΕ ΔΙΕΡΓΑΙΕ ΧΗΜΑΣΙΜΟΤ ΣΗ ΒΡΟΧΗ Γενικά Στοιχεία Συμπφκνωςθ Διεργαςίεσ ταχείασ ανάπτυξθσ Το ςχιμα των ςταγόνων βροχισ Συνοψίηοντασ ΧΗΜΑΣΙΜΟ ΠΤΡΗΝΩΝ (ΠΤΡΗΝΩΗ) Τα είδθ τθσ πυρινωςθσ και ο λόγοσ κορεςμοφ H κινθτικι προςζγγιςθ τθσ κλαςικισ κεωρίασ για τθν ομογενι πυρινωςθ H δυαδικι ομογενισ πυρινωςθ... 23

5 3.4 Ετερογενισ πυρινωςθ πάνω ςε επιφάνεια ξζνου αδιάλυτου ςωματιδίου (Συμπφκνωςθ) ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΕΙ ΜΕΣΑΞΤ ΑΙΩΡΟΤΜΕΝΩΝ ΩΜΑΣΙΔΙΩΝ, ΝΕΦΩΝ ΚΑΙ ΤΕΣΟΤ. Η ΦΤΗ ΚΑΙ ΟΙ ΠΗΓΕ ΣΩΝ CCN Γενικά ςτοιχεία Ρυρινεσ ςυμπφκνωςθσ νεφϊν (CCN) ςε ςφννεφα με κερμι βάςθ Βαςικζσ αρχζσ τθσ ενεργοποίθςθσ των ςταγονιδίων νεφϊν Ρϊσ το μζγεκοσ και θ ςφςταςθ των αιωροφμενων ςωματιδίων επθρεάηουν το κατά πόςο αυτά δροφν ωσ CCN Ραραμετροποίθςθ και αναπαράςταςθ των 45 CCN ιδιοτιτων των αιωροφμενων ςωματιδίων Γιγάντια CCN Ρυρινωςθ ςωματιδίων πάγου ςε ψυχρά νζφθ Οι πθγζσ των CCN Σφγκριςθ ανκρωπογενϊν και φυςικϊν πθγϊν αιωροφμενων ςωματιδίων Ραρατθριςεισ αιωροφμενων ςωματιδίων ςτθν απόμακρθ ατμόςφαιρα Ρρότυποι υπολογιςμοί τθσ ιςοτοπικισ ςφςταςθσ αιωροφμενων ςωματιδίων πριν από τθν ανκρϊπινθ δραςτθριότθτα Συνοψίηοντασ... 66

6 5. ΠΛΗΜΜΤΡΑ Η ΞΗΡΑΙΑ : ΠΩ ΣΑ ΑΙΩΡΟΤΜΕΝΑ ΩΜΑΣΙΔΙΑ ΕΠΗΡΕΑΖΟΤΝ ΣΟΝ ΤΕΣΟ ; Γενικά ςτοιχεία Τα αντιτικζμενα αποτελζςματα των αιωροφμενων ςωματιδίων ςτα ςφννεφα και τον υετό Ρωσ μποροφμε να αυξιςουμε τθν βροχόπτωςθ επιβραδφνοντασ τθν μετατροπι των ςταγονιδίων των νεφϊν ςε ςταγονίδια βροχισ ; Ο ρόλοσ των επιδράςεων λόγω ακτινοβολίασ εναντίον των μικροφυςικϊν επιδράςεων των αιωροφμενων ςωματιδίων Μζτρθςθ των επιδράςεων λόγω ακτινοβολίασ και των μικροφυςικϊν επιδράςεων των αιωροφμενων ςωματιδίων με το ίδιο μζτρο ςφγκριςθσ Συνοψίηοντασ ΟΙ ΕΠΙΠΣΩΕΙ ΣΩΝ ΑΙΩΡΟΤΜΕΝΩΝ ΩΜΑΣΙΔΙΩΝ ΣΟΝ ΚΑΛΟΚΑΙΡΙΝΟ ΜΟΤΩΝΑ ΣΗ ΙΝΔΙΑ Γενικά ςτοιχεία Ειςαγωγι Αποτελζςματα Αφξθςθ των αιωροφμενων ςωματιδίων πάνω από τθν IGP... 92

7 6.3.2 Μεγάλθσ κλίμακασ αλλαγζσ ςτισ τάςεισ των μουςϊνων τθσ Ινδίασ Οι τάςεισ των βροχοπτϊςεων ςτθν Ινδία εξετάηοντασ τθν τμθματικά Συνοψίηοντασ ΤΜΠΕΡΑΜΑΣΑ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 105

8 KΕΦΑΛΑΙΟ : 1 ΓΕΝΙΚΑ ΓΙΑ ΣΑ ΑΙΩΡΟΤΜΕΝΑ ΩΜΑΣΙΔΙΑ 1.1 Γενικά ςτοιχεία Τα αιωροφμενα ςωματίδια αποτελοφν ζναν από τουσ ςθμαντικότερουσ ρφπουσ τθσ ατμόςφαιρασ των κατοικθμζνων περιοχϊν και θ ρφπανςθ τθσ ατμόςφαιρασ από αυτά απoτελεί ζνα περιβαλλοντικό κζμα αιχμισ που μελετάται εντατικά παγκοςμίωσ. Οι επιδράςεισ των αιωροφμενων ςωματιδίων είναι ςθμαντικζσ και ποικιλόμορφεσ ςε όλουσ τουσ τομείσ του περιβάλλοντοσ. Συγκεκριμζνα τα αιωροφμενα ςωματίδια επθρεάηουν ζμμεςα ι άμεςα το κλίμα, κακορίηουν τθν ποιότθτα του αζρα, επθρεάηουν τθ δθμιουργία νεφϊν, τθν ατμοςφαιρικι χθμεία και τον τρόπο διάδοςθσ τθσ θλιακισ ακτινοβολίασ (ορατότθτα, δορυφορικζσ εφαρμογζσ, UV). Απορροφοφν και διαχζουν τθν ορατι ακτινοβολία περιορίηοντασ τθν ορατότθτα τθσ ατμόςφαιρασ και ςυμβάλλοντασ αρνθτικά ςτο φαινόμενο του κερμοκθπίου. Οι επιδράςεισ ςτθν υγεία εξαρτϊνται πολφ από το μζγεκοσ των ςωματιδίων, τθ ςφςταςθ τουσ, τισ οπτικζσ τουσ ιδιότθτεσ και τουσ μθχανιςμοφσ δθμιουργίασ τουσ. ΟΡΙΜΟ : Ωσ αιωροφμενα ςωματίδια ορίηονται τα ςτερεά ι υγρά ςωματίδια που βρίςκονται ςε διαςπορά ςτον αζρα και το μζγεκοσ των οποίων κυμαίνεται από λίγα nm ζωσ δεκάδεσ μm. Οι όροι αιωροφμενα ςωματίδια και αερολφματα χρθςιμοποιοφνται πολλζσ φορζσ αδιάκριτα. Ανάλογα με τισ πθγζσ τουσ τα αιωροφμενα ςωματίδια χαρακτθρίηονται ςαν πρωτογενή ι δευτερογενή. Τα πρωτογενι είναι αυτά που εκπζμπονται απευκείασ ςτθν ατμόςφαιρα, ενϊ τα δευτερογενι δθμιουργοφνται από φυςικζσ ι χθμικζσ διαδικαςίεσ μετατροπισ αερίων ςε ςωματίδια (όπωσ προςκόλλθςθ ςε κάποιον ρυπαντι π.χ. SO 2 ). Δφο πολφ ςθμαντικζσ ιδιότθτεσ των αιωροφμενων ςωματιδίων είναι θ επίδραςθ τουσ ςτθν ακτινοβολία και θ χριςθ τουσ ωσ πυρινεσ ςυμπφκνωςθσ νεφϊν. Θ επίδραςθ ςτθν ακτινοβολία ζγκειται ςτο ότι τα αιωροφμενα ςωματίδια επθρεάηουν τόςο άμεςα όςο και ζμμεςα το ιςοηφγιο τθσ θλιακισ ακτινοβολίασ 1

9 άρα και το κλίμα. Θ επίδραςθ είναι τόςο άμεςθ (ςκζδαςθ τθσ θλιακισ ακτινοβολίασ πίςω ςτο διάςτθμα) όςο και ζμμεςθ (εικόνα 1) (επίδραςθ ςτθ φυςικι των νεφϊν, δθλαδι ςτθν ανακλαςτικότθτα και ςτθν απορροφθτικότθτα των νεφϊν). Μία πολφ ςθμαντικι ιδιότθτα των αιωροφμενων ςωματιδίων είναι το ότι χρθςιμεφουν ςαν πυρινεσ ςυμπφκνωςθσ για τθ δθμιουργία νεφϊν. Οι πυρινεσ ςυμπφκνωςθσ νεφϊν (Cloud Condensation Nuclei CCN) είναι ςωματίδια μεγζκουσ μικρόμετρου και υπομικρόμετρου που ζχουν ςυγγζνεια με το νερό και χρθςιμεφουν ωσ κζντρα ςυμπφκνωςθσ, δθλαδι οδθγοφν ςτθ δθμιουργία ομίχλθσ ι νεφοςταγονιδίων παρουςία υπερκορεςμζνων υδρατμϊν. Σε απομακρυςμζνεσ περιοχζσ οι ςυγκεντρϊςεισ των πυρινων ςυμπφκνωςθσ είναι περίπου 100 cm -3 και ςε αςτικζσ περιοχζσ φκάνουν τα cm -3. Εικ. 1 Η ζμμεςθ επίδραςθ των αιωροφμενων ςωματιδίων ςτο ιςοηφγιο ακτινοβολίασ. Κατανομι ςυχνοτιτων των ανακλάςεων ςτα 1,535 nm ςε ςφγκριςθ με τισ ανακλάςεισ ςτα 754 nm κατά τθ διάρκεια του πειράματοσ ACE-2. Βλζπουμε ότι θ μεγαλφτερθ ανάκλαςθ ακτινοβολίασ γίνεται ςτισ μολυςμζνεσ περιοχζσ μιασ και τα ςφννεφα εκεί ζχουν μεγαλφτερθ περιεκτικότθτα ςε αιωροφμενα ςωματίδια απ οτι οι πιο απομακρυςμζνεσ περιοχζσ. 2

10 1.2 Μορφζσ αιωροφμενων ςωματιδίων Τα αιωροφμενα ςωματίδια απατϊνται ςτθν ατμόςφαιρα ςε διάφορεσ μορφζσ, οι πιο ςυνθκιςμζνεσ από τισ οποίεσ είναι οι εξισ : Σκόνθ : ςχθματίηονται από διάβρωςθ ι κατακερματιςμό ςτερεϊν υλικϊν και είναι ςτερεά ςωματίδια ςχετικά μεγάλου μεγζκουσ (D>1μm). Ομίχλθ : ορατά υδροςταγονίδια ςε διαςπορά ςτθν ατμόςφαιρα ςυνικωσ κοντά ςτο ζδαφοσ. Κάπνα: ςωματίδια που προκφπτουν από ςυμπφκνωςθ ατμϊν κυρίωσ από πτθτικζσ ουςίεσ ι ωσ αποτζλεςμα (προϊόν) οξειδωτικϊν αντιδράςεων (D<1μm). Αχλφσ : μικρά ςωματίδια (D<1μm), μείγμα υδροςταγονιδίων, ρφπων και ςκόνθσ. Μειϊνουν τθν ορατότθτα. Νζφοσ : ςυνδυαςμόσ ομίχλθσ και καπνοφ. Καπνόσ : μικρά ςωματίδια (D<0.01μm) που προζρχονται από ατελι καφςθ κυρίωσ άνκρακα ι άλλων καυςίμων, ςε ικανι ςυγκζντρωςθ ϊςτε να είναι ορατά. Αικάλθ : ςυςςϊρευςθ ςωματιδίων άνκρακα που δθμιουργοφνται από τθν ατελι καφςθ ανκρακικϊν ενϊςεων. Εκνεφϊματα από τθν επιφάνεια τθσ κάλαςςασ (sea salt aerosols) : ςχθματίηονται όταν ο άνεμοσ και τα καφςιμα εξαναγκάηουν φυςαλίδεσ αζρα να ςκάνε ςτθν επιφάνεια τθσ κάλαςςασ (D>2μm). Υπάρχουν πζντε βαςικζσ αιτίεσ για τισ οποίεσ το μζγεκοσ και θ ςφςταςθ των ςωματιδίων ςτθν ατμόςφαιρα μπορεί να μετατραπεί. Αυτζσ είναι θ ςυμπφκνωςθ ατμϊν διαφόρων ουςιϊν, θ εξάτμιςθ ατμϊν, θ ςυςςϊρευςθ με άλλα ςωματίδια, διάφορεσ χθμικζσ αντιδράςεισ και θ δθμιουργία ομίχλθσ ι νεφοςταγονιδίων. Γενικά, ςωματίδια με D>1μm ζχουν ςυγκζντρωςθ /cm 3, ενϊ με D>1μm ζχουν ςυγκζντρωςθ<1/cm 3. 3

11 1.3 Πθγζσ Αιωροφμενων ωματιδίων Οι πθγζσ των αιωροφμενων ςωματιδίων κατατάςςονται ςε φυςικζσ και ανκρωπογενείσ οι οποίεσ με τθ ςειρά τουσ χωρίηονται ςε πρωτογενείσ και δευτερογενείσ ανάλογα με το αν τα ςωματίδια εκπζμπονται κατευκείαν ςτθν ατμόςφαιρα ι δθμιουργοφνται ς αυτιν μζςω χθμικϊν διαδικαςιϊν μετατροπισ αερίων ςε ςωματίδια. Σθμαντικζσ πρωτογενείσ φυςικζσ πθγζσ αποτελοφν θ ςκόνθ από το ζδαφοσ, τα καλάςςια άλατα (π.χ. NaCl) και θ θφαιςτειακι ςκόνθ. Σθμαντικζσ δευτερογενείσ φυςικζσ πθγζσ είναι τα κειϊκά άλατα από βιογενι αζρια, τα κειϊκά άλατα από θφαιςτειακό SO 2, οργανικι φλθ από βιογενι VOC και νιτρικά άλατα από NO x. Ραραδείγματα πρωτογενϊν ανκρωπογενϊν πθγϊν είναι θ βιομθχανικι ςκόνθ (SO 2, NO x ) και θ αικάλθ ενϊ δευτερογενείσ ανκρωπογενείσ πθγζσ αποτελοφν τα κειϊκά άλατα από SO 2, θ καφςθ βιομάηασ, τα νιτρικά αλάτα από NO x και οργανικζσ ενϊςεισ από βιογενι VOC. Σθμαντικι κατθγορία των αιωροφμενων ςωματιδίων αποτελοφν αυτά που περιζχουν άνκρακα και χωρίηονται ςτα ςτοιχειϊδθ και τα οργανικά. Τα ςτοιχειϊδθ προζρχονται από καφςεισ και εξαςκενοφν τθν ακτινοβολία ενϊ τα οργανικά προζρχονται από πολφπλοκεσ χθμικζσ διεργαςίεσ και μερικά (π.χ. PAH) είναι επικίνδυνα για τθν υγεία. Ραρακάτω παρατίκενται κάποιοι πίνακεσ για να γίνουν πιο κατανοθτζσ οι «διαςτάςεισ» των παραπάνω πθγϊν. 4

12 Εικ. 2 Ετιςια ιςχφσ των πθγϊν των αιωροφμενων ςωματιδίων. Η χρονιά ςτισ οποίεσ αναφζρονται ςθμειϊνεται ςε παρζνκεςθ δίπλα από κάκε πθγι. 5

13 Εικ. 3 Πρωτογενείσ εκπομπζσ ςωματιδίων για το ζτοσ 2000 Εικ. 4 Εκτιμιςεισ δευτερογενϊν εκπομπϊν ςωματιδίων ανά χρόνο 6

14 Εικ. 5 Ετιςια κατά μζςο όρο ιςχφσ των πθγϊν αιωροφμενων ςωματιδίων ςε kg km -2 hr -1 για κάκε διαφορετικό είδοσ ςωματιδίων (από το a ζωσ το g) ςυναρτιςει του ολικοφ οπτικοφ βάκουσ (h). (a) ο κατά μζςο όρο ρυκμόσ παραγωγισ H 2 SO 4 από ανκρωπογενείσ πθγζσ. (b)ο κατά μζςο όρο ρυκμόσ παραγωγι H 2 SO 4 από φυςικζσ πθγζσ (DMS και SO 2 από θφαίςτεια). (c)ανκρωπογενείσ πθγζσ οργανικισ φλθσ. (d)φυςικζσ πθγζσ οργανικισ φλθσ. (e)ανκρωπογενείσ πθγζσ μαφρου άνκρακα. (f)πθγζσ ςκόνθσ για ςωματίδια ςκόνθσ με διάμετρο μικρότερθ των 2μm. (g)πθγζσ καλαςςινοφ άλατοσ για ςωματίδια άλατοσ με διάμετρο μικρότερθ των 2μm 7

15 Εικ. 6 Μθχανιςμοί δθμιουργίασ αιωροφμενων ςωματιδίων. Η κατανομι του μεγζκουσ των ςωματιδίων κακορίηεται από τθν πθγι, τισ φυςικζσ και χθμικζσ διαδικαςίεσ και τουσ μθχανιςμοφσ απομάκρυνςθσ των αιωροφμενων ςωματιδίων από τθν ατμόςφαιρα. 8

16 1.4 Μθχανιςμοί απομάκρυνςθσ ατμοςφαιρικϊν αιωρθμάτων Ο χρόνοσ παραμονισ των αιωροφμενων ςωματιδίων ςτθν τροπόςφαιρα κυμαίνεται από λίγεσ μζρεσ ζωσ λίγεσ εβδομάδεσ. Πςο μεγαλϊνει θ διαμζτροσ των αιωροφμενων ςωματιδίων, τόςο αυξάνεται θ πικανότθτα να αποτεκοφν προσ τθν επιφάνεια τθσ γισ. Θ μεταφορά των αιωροφμενων ςωματιδίων από τθν ατμόςφαιρα ςτο ζδαφοσ γίνεται με τουσ παρακάτω μθχανιςμοφσ απομάκρυνςθσ: Βαρυτικι εναπόκεςθ ςτθν επιφάνεια τθσ γισ Ξθρι εναπόκεςθ Υγρι εναπόκεςθ δθλ. ενςωμάτωςθ τουσ ςτα υδροςταγονίδια και απόπλυςθ με τθ βροχι. 1.5 Παράγοντεσ που επθρεάηουν τθ διαδικαςία ςχθματιςμοφ πυρινων ςυμπφκνωςθσ νεφϊν Είπαμε ςτθν ειςαγωγι ότι μια πολφ ςθμαντικι ιδιότθτα των αιωροφμενων ςωματιδίων είναι θ χριςθ τουσ ωσ πυρινεσ ςυμπφκνωςθσ νεφϊν (CCN). Τι είναι όμωσ αυτό που επθρεάηει τθν αποτελεςματικότθτα ενόσ αιωριματοσ όςον αφορά τθν δράςθ του ωσ CCN ; Οι κυριότεροι παράγοντεσ είναι το μζγεκόσ του και θ «αντίδραςθ» του ςτο νερό. Αιωροφμενα ςωματίδια που μποροφν να δράςουν ωσ CCN είναι τα κειϊκά άλατα, το NaCl και διάφορα άλλα υδροδιαλυτά άλατα, ανόργανα οξζα και οργανικζσ ενϊςεισ. 9

17 ΚΕΦΑΛΑΙΟ : 2 ΦΤΙΚΕ ΔΙΕΡΓΑΙΕ ΧΗΜΑΣΙΜΟΤ ΣΗ ΒΡΟΧΗ 2.1 Γενικά τοιχεία Θ βροχι ςχθματίηεται ςτα ςφννεφα εξ αιτίασ τριϊν βαςικϊν διαδικαςιϊν: τθν ςυμπφκνωςθ, τθν διαδικαςία Bergeron, και τθν ςφγκρουςθ-ςυγκόλλθςθ. Θ ςυμπφκνωςθ είναι θ διαδικαςία θ οποία ςυμβαίνει πρϊτθ. Υπάρχουν δφο τφποι ςυμπφκνωςθσ. Αυτοί είναι θ ομογενισ και θ ετερογενισ πυρινωςθ και θ ταξινόμθςθ εξαρτάται από το αν θ διαδικαςία χρθςιμοποιεί τουσ πυρινεσ ςυμπφκνωςθσ νεφϊν (Cloud Condensation Nuclei CCN) ι όχι. Μετά τθν ςυμπφκνωςθ, οι άλλεσ δφο διαδικαςίεσ μεγαλϊνουν τα ςταγονίδια νεφϊν ζωσ μία «κρίςιμθ κατάςταςθ» θ οποία είναι το ςθμείο ςτο οποίο το ςταγονίδιο νζφουσ μετατρζπεται ςε ςταγονίδιο βροχισ και ξεκινά θ απόκεςθ του. Θ διαδικαςία Bergeron χρθςιμοποιεί τουσ κρυςτάλλουσ πάγου ςτα ςφννεφα και λαμβάνει χϊρα πιο πολφ ςτα μεςαία και μεγαλφτερα γεωγραφικά πλάτθ. Θ ςφγκρουςθ-ςυγκόλλθςθ ςυμβαίνει όταν δφο ςταγόνεσ ςυγκροφονται και μετά ενϊνονται ςε μία. Θ διαδικαςία αυτι ςυμβαίνει ςε όλα τα γεωγραφικά πλάτθ. Θ παρακάτω εικόνα είναι μία ςφντομθ επιςκόπθςθ τθσ διαδικαςίασ ςχθματιςμοφ τθσ βροχισ. Εικ. 1 Συνοπτικι παρουςίαςθ τθσ διαδικαςίασ ςχθματιςμοφ τθσ βροχισ 10

18 2.2 υμπφκνωςθ Κακϊσ ο αζρασ ανυψϊνεται ςτθν ατμόςφαιρα ψφχεται επειδι διαςτζλλεται και θ ενζργεια που χρθςιμοποιικθκε για τθν διαςτολι του πακζτου αζρα προζρχεται από τθν κερμικι ενζργεια του αζρα (αδιαβατικι διαδικαςία). Ζτςι, θ ατμόςφαιρα κακίςταται κορεςμζνθ κακϊσ το πακζτο αζρα ψφχεται ζωσ ότου φτάςει ςτο ςθμείο υγροποίθςθσ του. Μόλισ ο αζρασ κορεςτεί, οι υδρατμοί που περιζχει είναι ζτοιμοι να ςυμπυκνωκοφν μζςω τθσ ομογενοφσ ι τθσ ετερογενοφσ πυρινωςθσ. 1. Ομογενισ Πυρινωςθ : Στθν ομογενι πυρινωςθ οι ςταγόνεσ νεροφ ςχθματίηονται από τθν ςυμπφκνωςθ των υδρατμϊν χωρίσ τθν χριςθ των CCN. Στθν ατμόςφαιρα αυτι είναι μία εντελϊσ ςπάνια διαδικαςία κακϊσ απαιτεί ποςοςτό υπερκορεςμοφ πάνω από 20% ενϊ ςε ςυνικεισ ατμοςφαιρικζσ ςυνκικεσ το ποςοςτό του υπερκορεςμοφ ςπανίωσ ξεπερνά το 1%. 2. Ετερογενισ Πυρινωςθ : Με τθν ετερογενι πυρινωςθ ςε αντίκεςθ με τθν ομογενι δθμιουργοφνται ςταγόνεσ νεροφ όταν υδρατμοί ςυμπυκνϊνονται πάνω ςε CCN ςτθν ατμόςφαιρα. Θ διαδικαςία αυτι είναι ευκολότερο να επιτευχκεί απαιτϊντασ ποςοςτό υπερκορεςμοφ από 0,1% ζωσ 1% ανάλογα με το είδοσ και το μζγεκοσ των CCN που υπάρχουν ςτθν ατμόςφαιρα. Το μζγεκοσ των ςταγόνων που δθμιουργοφνται μζςω αυτισ τθσ διαδικαςίασ παίρνει τιμζσ από 0,01 ζωσ 0,5 μm. Ανεξάρτθτα από ποιά διαδικαςία ςχθματίηονται οι ςταγόνεσ νεροφ ςτθν ατμόςφαιρα, είναι ςθμαντικό να ποφμε ότι οι ςταγόνεσ που δθμιουργοφνται δεν είναι αρκετά μεγάλεσ ϊςτε να πζςουν ςτθν γθ με τθν μορφι βροχισ. Για να πζςουν ςτθν γθ οι ςταγόνεσ βροχισ κα πρζπει να ζχουν ζνα μζγεκοσ κοντά ςτα 2mm ι 2000 μm. Ακόμα εκτόσ από το μζγεκοσ υπάρχει και όριο ςτον χρόνο που απαιτείται από τισ ςταγόνεσ να μεγαλϊςουν και να πζςουν με τθν μορφι βροχισ. Στθν ατμόςφαιρα οι ςταγόνεσ γενικά μετατρζπονται από υδρατμοφσ ςε ςταγόνεσ βροχισ ςε διάςτθμα λιγότερο τθσ μίασ ϊρασ. Ρολλζσ φορζσ μπορεί να πάρει και μζρεσ ϊςτε οι ςταγόνεσ να μετατραποφν ςε ςταγόνεσ βροχισ μζςω τθσ διαδικαςίασ τθσ ςυμπφκνωςθσ όταν οι περιςςότερεσ καταιγίδεσ και μορφζσ υετοφ δθμιουργοφνται εντόσ λίγων ωρϊν ι και λεπτϊν. 11

19 θμείωςθ : Συχνά ςτθν βιβλιογραφία θ διαδικαςία τθσ ετερογενοφσ πυρινωςθσ αναφζρεται ωσ ςυμπφκνωςθ και αυτι τθσ ομογενοφσ πυρινωςθσ απλά ωσ πυρινωςθ. Οι διαδικαςίεσ τθσ ςυμπφκνωςθσ και τθσ πυρινωςθσ είναι ανταγωνιςτικζσ διαδικαςίεσ. Οι προτάςεισ αυτζσ γίνονται πιο κατανοθτζσ με τθν χριςθ τθσ παρακάτω εικόνασ : Εικ. 2 Σχθματικι παράςταςθ των διαδικαςιϊν τθσ πυρινωςθσ (-ομογενοφσ πυρινωςθσ) και τθσ ςυμπφκνωςθσ (-ετερογενοφσ πυρινωςθσ) 12

20 2.3 Διεργαςίεσ ταχείασ ανάπτυξθσ Ππωσ αναφζρκθκε και προθγουμζνωσ θ ςυμπφκνωςθ και θ πυρινωςθ δεν είναι οι μόνεσ διαδικαςίεσ παραγωγισ ςταγόνων βροχισ κακϊσ διαρκοφν πολφ και οι ςταγόνεσ είναι πολφ μικρζσ. Υπάρχουν άλλεσ δφο τεκμθριωμζνεσ διαδικαςίεσ των οποίων θ επίδραςθ ςτθν ανάπτυξθ των ςταγόνων ξεκινά όταν οι ςταγόνεσ πλθςιάςουν το πικανό μζγιςτο μζγεκόσ τουσ μζςω των διαδικαςιϊν τθσ ςυμπφκνωςθσ ι τθσ πυρινωςθσ. Οι διαδικαςίεσ αυτζσ είναι θ διαδικαςία Bergeron και θ διαδικαςία ςφγκρουςθσ-ςυγκόλλθςθσ. 1. Διαδικαςία Bergeron : H διαδικαςία αυτι απαιτεί τθν παρουςία κρυςτάλλων πάγου ςτα ςφννεφα μαηί με ςταγονίδια νεροφ. Στα μεςαία και μεγαλφτερα γεωγραφικά πλάτθ οι κερμοκραςίεσ των ςφννεφων τείνουν να είναι χαμθλότερεσ από τουσ -10 ο C και ζτςι ςτα ςφννεφα αυτά ζχουμε ςυχνά τθν παρουςία κρυςτάλλων πάγου. Αυτοί οι κρφςταλλοι ζχουν χαμθλότερθ «πίεςθ κορεςμζνου ατμοφ» απ ότι τα ςταγονίδια νεροφ ςε ζνα ςφννεφο το οποίο ςθμαίνει ότι θ «ιςορροπία κορεςμοφ» γφρω από ζνα κρφςταλλο πάγου επιτυγχάνεται ςε χαμθλότερα ποςοςτά υπερκορεςμοφ. Ζτςι, το αποτζλεςμα είναι ζνασ κρφςταλλοσ πάγου να αναπτφςςεται πολφ πιο γριγορα από μία ςταγόνα νεροφ παρόμοιου μεγζκουσ. Πταν οι κρφςταλλοι μεγαλϊςουν αρκετά ξεκινοφν να πζφτουν ςτθ γθ. Στισ περιςςότερεσ περιπτϊςεισ κατά τθν κάκοδο τουσ θ ατμόςφαιρα που ςυναντοφν ζχει κερμοκραςία μεγαλφτερθ των 0 ο C και οι κρφςταλλοι λιϊνουν κακϊσ πζφτουν δθμιουργϊντασ ζτςι τθν βροχι. Σε άλλεσ περιπτϊςεισ και ανάλογα με τθν κερμοκραςία που ςυναντοφν οι κρφςταλλοι πάγου κατά τθν κάκοδο τουσ ζχουμε δθμιουργία χιονόνερου ι χιονιοφ. 2. φγκρουςθ-υγκόλλθςθ : Θ διαδικαςία αυτι είναι μία ςχετικά απλι διαδικαςία. Δεν είναι τίποτα άλλο από ςταγόνεσ οι οποίεσ ενϊνονται μεταξφ τουσ φςτερα από ςυγκροφςεισ που ςυμβαίνουν ςτθν ατμόςφαιρα. Είναι όμωσ ςθμαντικό να ξεχωρίςουμε τισ διαδικαςίεσ τθσ ςφγκρουςθσ και τθσ ςυγκόλλθςθσ. Τα ςταγονίδια μπορεί να ςυγκρουςτοφν μεταξφ τουσ αλλά να μθν ςυγκολλθκοφν δθλαδι να μθν ενωκοφν ςε ζνα μεγαλφτερο ςταγονίδιο. Κακϊσ τα ςταγονίδια μετακινοφνται από κάκετουσ ανζμουσ εντόσ των ςφννεφων ςυγκροφονται μεταξφ τουσ και ενϊνονται με μία αρκετά υψθλι 13

21 ςυχνότθτα μετατρζποντασ γριγορα τα ςταγονίδια νεροφ ςε ςταγόνεσ βροχισ. Θ ςυγκόλλθςθ είναι θ βαςικι μζκοδοσ ςχθματιςμοφ τθσ βροχισ ςτα μικρότερα γεωγραφικά πλάτθ επειδι θ διαδικαςία Bergeron βαςίηεται ςτουσ κρυςτάλλουσ πάγου οι οποίοι δεν υπάρχουν ςε ςφννεφα κοντά ςτον ιςθμερινό λόγω υψθλϊν κερμοκραςιϊν. Στα μεςαία γεωγραφικά πλάτθ λαμβάνουν χϊρα τόςο θ διαδικαςία Bergeron όςο και θ διαδικαςία τθσ ςυγκόλλθςθσ μιασ και ςτα ςφννεφα υπάρχουν και κρφςταλλοι πάγου αλλά και αρκετά ςταγονίδια νεροφ. Στα μεγάλα γεωγραφικά πλάτθ θ διαδικαςία Bergeron είναι αυτι που κυριαρχεί μιασ και οι κρφςταλλοι πάγου είναι πολλοί περιςςότεροι από τα ςταγονίδια νεροφ. 14

22 2.4 Σο ςχιμα των ςταγόνων βροχισ Συνικωσ αντιλαμβανόμαςτε το ςχιμα των ςταγόνων τθσ βροχισ ωσ «δάκρυ». Στθν πραγματικότθτα όμωσ οι ςταγόνεσ τθσ βροχισ ζχουν μια ποικιλία από ςχιματα που εξαρτϊνται από τισ ακτίνεσ των ςταγόνων. Οι ςταγόνεσ ξεκινοφν να αναπτφςςονται με τθν μορφι ςφαίρασ και αρχίηουν τθν κακοδικι τουσ πορεία με αυτό το ςχιμα. Κακϊσ οι ςταγόνεσ πζφτουν υπό τθν επίδραςθ τθσ ταχφτθτασ κακίηθςθσ αναπτφςςονται μζςω τθσ διαδικαςίασ τθσ ςυγκόλλθςθσ και ταυτόχρονα αρχίηουν να πλαταίνουν και να παίρνουν το ςχιμα «αλεξίπτωτου». Κοντά ςτο μζγεκοσ των 5 mm, θ ςταγόνα χωρίηεται ςε δφο μικρότερα κομμάτια του 1 mm, κακζνα από τα οποία αρχίηει να αναπτφςςεται με τθν διαδικαςία τθσ ςυγκόλλθςθσ και να ακολουκεί τθν ίδια διαδικαςία. Εικ. 3 Η εξζλιξθ των ςταγόνων τθσ βροχισ ςαν ςυνάρτθςθ του μεγζκουσ των ςταγονιδίων 15

23 2.5 υνοψίηοντασ Στθν ατμόςφαιρα τθσ Γισ θ βροχι ςχθματίηεται αρχικά κυρίωσ από τθν ςυμπφκνωςθ των ςταγονιδίων νεροφ πάνω ςε πυρινεσ ςυμπφκνωςθσ νεφϊν- CCN και λζμε κυρίωσ γιατί θ διαδικαςία τθσ ομογενοφσ πυρινωςθσ λαμβάνει χϊρα ςπανιότερα μιασ και απαιτεί μεγάλα ποςοςτά υπερκορεςμοφ που ςπάνια ςυναντοφμε ςτθν ατμόςφαιρα. Στθ ςυνζχεια οι ςταγόνεσ που δθμιουργοφνται μεγαλϊνουν με τθν διαδικαςία τθσ ςφγκρουςθσ-ςυγκόλλθςθσ ςτα μικρότερα γεωγραφικά πλάτθ και μζςω των διαδικαςιϊν ςφγκρουςθσςυγκόλλθςθσ αλλά και Bergeron ςτα μεςαία και μεγαλφτερα γεωγραφικά πλάτθ, μζχρισ ότου αποκτιςουν αρκετά μεγάλο μζγεκοσ ϊςτε να μποροφν με τθν βοικεια τθσ βαρφτθτασ να αποτεκοφν ςτθν επιφάνεια τθσ Γθσ. Οι ςταγόνεσ τθσ βροχισ ξεκινοφν να πζφτουν προσ τθ γθ ζχοντασ ςχιμα ςφαιρικό. Κατά τθ διάρκεια τθσ πτϊςθσ τουσ όμωσ ςπάνε ςε δφο μικρότερεσ ςφαιρικζσ ςταγόνεσ θ κακεμία οι οποίεσ κι αυτζσ με τθ ςειρά τουσ ςπάνε ςε άλλεσ δφο ζωσ ότου φκάςουν ςτο ζδαφοσ και ξαναγίνουν κομμάτι του υδρολογικοφ κφκλου. Εικ. 4 Ο υδρολογικόσ κφκλοσ 16

24 ΚΕΦΑΛΑΙΟ : 3 ΧΗΜΑΣΙΜΟ ΠΤΡΗΝΩΝ (ΠΤΡΗΝΩΗ) 3.1 Σα είδθ τθσ πυρινωςθσ και ο λόγοσ κορεςμοφ Ο ςχθματιςμόσ πυρινων παίηει κεμελιϊδθ ρόλο οπουδιποτε λαμβάνουν χϊρα διεργαςίεσ όπωσ θ ςυμπφκνωςθ, ο υετόσ, θ κρυςταλλοποίθςθ, θ εξάχνωςθ, ο βραςμόσ και θ ψφξθ. Ζνασ μεταςχθματιςμόσ από τθν φάςθ ατμοφ ςτθν υγρι φάςθ δεν ςυμβαίνει αν θ ελεφκερθ ενζργεια τθσ υγρισ φάςθσ είναι λιγότερθ απ αυτι τθσ φάςθσ ατμοφ. Ζτςι, μικροί πυρινεσ τθσ υγρισ φάςθσ πρζπει αρχικά να μεταμορφωκοφν ςτθν φάςθ ατμοφ. Αυτό το πρϊτο βιμα ςτθν φάςθ του μεταςχθματιςμοφ, ςτθν πυρινωςθ ςυμπλεγμάτων τθσ νζασ φάςθσ, μπορεί ςτθν πραγματικότθτα να είναι πολφ αργό. Για παράδειγμα, ςε μια ςχετικι υγραςία 200% ςτουσ 20 ο C (293Κ), πολφ πιο πάνω από οποιαδιποτε ςχετικι υγραςία που επιτυγχάνεται ςτθν περιβάλλουςα για εμάσ ατμόςφαιρα, ο ρυκμόσ ςτον οποίο ςταγονίδια νεροφ ςχθματίηουν πυρινεσ ομογενϊσ, είναι περίπου sec ανά cm 3 για κάκε δευτερόλεπτο. Θζτοντασ το διαφορετικά, κα ζπαιρνε περίπου δευτερόλεπτα (1 χρόνοσ είναι περίπου 3*10 7 δευτερόλεπτα) για μία ςταγόνα για να εμφανιςτεί ςε ζνα cm 3 αζρα. Ωςτόςο γνωρίηουμε ότι οι ςταγόνεσ ςχθματίηονται αμζςωσ ςτον αζρα, ςε ςχετικζσ υγραςίεσ ελαφρϊσ πάνω από το 100%. Αυτό είναι αποτζλεςμα του γεγονότοσ ότι ςωματίδια νεροφ ςχθματίηουν πυρινεσ ευκολότερα με ξζνα ςωματίδια παρά με ίδια ςωματίδια νεροφ. Άπαξ όμωσ και ςυμβεί το πρϊτο βιμα πυρινωςθσ οι νζοι πυρινεσ που δθμιουργοφνται τείνουν να μεγαλϊνουν ςχετικά πολφ γριγορα. Θ κεωρία του ςχθματιςμοφ πυρινων προςπακεί να περιγράψει τον ρυκμό ςτον οποίο ςυμβαίνει το πρϊτο βιμα ςτθν φάςθ τθσ διαδικαςίασ μεταςχθματιςμοφ, δθλ. τον ρυκμό με τον οποίο εμφανίηεται ο αρχικόσ πολφ μικρόσ πυρινασ. Οπουδιποτε ζχουμε ςχθματιςμό πυρινων είτε από τθν υγρι ςτθν ςτερεά φάςθ, είτε από τθν υγρι ςτθν αζρια φάςθ, το ενδιαφζρον μασ βρίςκεται ςτθν πυρινωςθ των ιχνϊν διαφόρων ουςιϊν και του νεροφ από τθν αζρια ςτθν υγρι ι τθν ςτερεά φάςθ. Σχθματιςμόσ πυρινων μπορεί να ςυμβεί παρουςία ι και απουςία ξζνουδιαφορετικοφ υλικοφ. Ομογενι πυρινωςθ ονομάηουμε τθν πυρινωςθ αερίου 17

25 ςε πυρινεσ που αποτελοφνται μόνο από μόρια αερίου, απουςία ξζνων ουςιϊν. Ετερογενι πυρινωςθ ονομάηουμε αυτι που ςυμβαίνει ςε μία ξζνθ ουςία ι επιφάνεια, όπωσ ζνα ιόν ι ζνα ςτερεό ςωματίδιο. Ακόμα, διακρίνουμε άλλεσ δφο κατθγορίεσ διαδικαςίασ ςχθματιςμοφ πυρινων. Αυτζσ είναι θ ομομοριακι (που περιλαμβάνει μόνο ζνα είδοσ) και θ ετερομοριακι ( που περιλαμβάνει δφο ι περιςςότερα είδθ). Συνεπϊσ ζχουμε 4 είδθ πυρινωςθσ: 1) Ομογενισ-Ομομοριακι : Αυτοπυρινωςθ ενόσ μόνο είδουσ. Δεν ςυμμετζχουν ξζνοι πυρινεσ ι επιφάνειεσ. 2) Ομογενισ-Ετερομοριακι: Αυτοπυρινωςθ δφο ι περιςςοτζρων ειδϊν. 3) Ετερογενισ-Ομομοριακι: Ρυρινωςθ από μόνο ζνα είδοσ, πάνω από μία ξζνθ ουςία. 4) Ετερογενισ-Ετερομοριακι: Ρυρινωςθ δφο ι περιςςοτζρων ειδϊν πάνω ςε μία ξζνθ ουςία. Θ ομογενισ πυρινωςθ ςυμβαίνει ςε μία υπερκορεςμζνθ φάςθ ατμοφ. Ο βακμόσ του υπερκορεςμοφ μίασ διαλυμζνθσ ουςίασ Α ςτον αζρα ςε κερμοκραςία Τ κακορίηεται από τον λόγο κορεςμοφ: S = p A p A s (T) (1) Στθν παραπάνω ςχζςθ όπου p A είναι θ μερικι πίεςθ του Α και p A s (T) είναι θ πίεςθ του κορεςμζνου ατμοφ του Α ςε ιςορροπία με τθν υγρι του φάςθ ςε κερμοκραςία Τ. S<1 για υποκορεςμζνο αζριο, S=1 για κορεςμζνο αζριο, S>1 για υπερκορεςμζνο αζριο. Ο ρυκμόσ κορεςμοφ μπορεί επίςθσ να κακοριςτεί ςε ςχζςθ με τον μοριακό αρικμό ςυγκζντρωςθσ του Α ςφμφωνα με τον τφπο: S = N A N A s (T) (2) 18

26 όπου N A είναι ο μοριακόσ αρικμόσ ςυγκζντρωςθσ του Α ςτθν αζρια μορφι και N A s είναι ο μοριακόσ αρικμόσ ςυγκζντρωςθσ ςε ζνα κορεςμζνο ατμό ςε ιςορροπία. Ο δείκτθσ s χρθςιμοποιείται για να δθλϊςουμε καταςτάςεισ ςε κορεςμό ( s=1). Ζνασ υποκορεςμζνοσ ι κορεςμζνοσ ατμόσ μπορεί να γίνει υπερκορεςμζνοσ, αν υποβλθκεί ςε διάφορεσ κερμοδυναμικζσ διαδικαςίεσ όπωσ ιςοκερμικι ςυμπίεςθ, ιςοβαρι ψφξθ και αδιαβατικι εκτόνωςθ. Στθν πρϊτθ απ αυτζσ τισ διεργαςίεσ θ κερμοκραςία του ατμοφ παραμζνει ςτακερι, ενϊ μειϊνεται ςτισ δφο τελευταίεσ. Σε ζνα αραιό μίγμα ενόσ ατμοφ Α ςτον αζρα ςε κορεςμό, ζνα ςτιγμιότυπο κα ζδειχνε ότι ςχεδόν όλα τα μόρια του Α είναι ανεξάρτθτα μεταξφ τουσ ι υπάρχουν ςε μικρά ςυμπλζγματα που περιζχουν δφο, τρία ι και τζςςερα μόρια. Μεγαλφτερα ςυμπλζγματα μορίων είναι εξαιρετικά απίκανο να παρατθρθκοφν. Τα μεγαλφτερα ςυμπλζγματα είναι πολφ βραχφβια. Μεγαλϊνουν γριγορα και μετά εξαφανίηονται αςτραπιαία. Στθν περίπτωςθ κορεςμοφ (s=1) δεν λαμβάνει χϊρα θ πυρινωςθ μιασ ςτακερισ φάςθσ του Α από τθν αζρια φάςθ. Για να ςυμβεί θ πυρινωςθ είναι απαραίτθτο να είναι s>1. Πταν ο λόγοσ κορεςμοφ γίνεται μεγαλφτεροσ τθσ μονάδασ υπάρχει περίςςεια από μονομερι μόρια (περιςςότερα μονομερι μόρια απ ότι ζχουμε για s=1). Αυτά τα μονομερι ςε περίςςεια βομβαρδίηουν τα ςυμπλζγματα και παράγουν μεγαλφτερο αρικμό ςυμπλεγμάτων, μεγαλφτερου μεγζκουσ απ αυτά που ζχουμε για s=1. Αν θ τιμι του s είναι αρκετά μεγάλθ, τότε και αρκετά μεγάλα ςυμπλζγματα μποροφν να ςχθματιςτοφν ζτςι ϊςτε μερικά ςυμπλζγματα να υπερβαίνουν ζνα κρίςιμο μζγεκοσ, κακιςτϊντασ τα ικανά να αναπτυχκοφν πολφ γριγορα και να ςχθματίςουν μια νζα φάςθ. Αυτό που ονομάςαμε κρίςιμο μζγεκοσ ενόσ ςυμπλζγματοσ είναι το μζγεκοσ ςτο οποίο ο ρυκμόσ ανάπτυξθσ του ςυμπλζγματοσ είναι ίςοσ με τον ρυκμό αποςφνκεςισ του. Συμπλζγματα που κυμαίνονται ςε ζνα μζγεκοσ μεγαλφτερο απ ότι το κρίςιμο μζγεκοσ είναι πικανό να ςυνεχίςουν να αναπτφςςονται ςε μακροςκοπικό μζγεκοσ. Αντικζτωσ τα ςυμπλζγματα μεγζκουσ μικρότερου του κρίςιμου το πικανότερο είναι να ςυρρικνωκοφν. Ο ρυκμόσ πυρινωςθσ είναι ο κακαρόσ αρικμόσ των ςυμπλεγμάτων ανά μονάδα χρόνου που αναπτφςςεται πζραν του κρίςιμου μεγζκουσ. 19

27 Υπάρχουν επαρκείσ ενδείξεισ για τθν φπαρξθ τθσ ετερογενοφσ πυρινωςθσ (ο ςχθματιςμόσ των ςταγόνων βροχισ είναι το πιο γνωςτό παράδειγμα) ενϊ θ φπαρξθ τθσ ομογενοφσ πυρινωςθσ είναι λιγότερο εφκολο να αναγνωριςτεί. Θ αναγνϊριςθ διαδικαςιϊν τθσ ομογενοφσ πυρινωςθσ ςτθν ατμόςφαιρα ςυνεχίηει να αποτελεί ζνα ςθμαντικό πεδίο ζρευνασ. Θ ετερογενισ πυρινωςθ μπορεί να ςυμβεί πάνω ςε ιόντα, αδιάλυτα ι και διαλυτά ςωματίδια. Γνωρίηουμε λίγα γφρω από τθν ςθμαςία τθσ πυρινωςθσ από ιόντα ςτθν ατμόςφαιρα. Στθν πραγματικότθτα μόνο πολφ πρόςφατα είχαμε ςυγκεκριμζνεσ κεωρθτικζσ απόψεισ που επεξθγοφςαν τθν πυρινωςθ λόγω ιόντων. Μακράν οι πιο ςθμαντικζσ διαδικαςίεσ ετερογενοφσ πυρινωςθσ ςτθν ατμόςφαιρα, περιλαμβάνουν πυρινωςθ μορίων ατμοφ πάνω ςε αιωροφμενα ςωματίδια διαλυτά και αδιάλυτα. Θ πυρινωςθ ατμοποιθμζνου νεροφ πάνω ςε διαλυτά ςωματίδια είναι θ διαδικαςία με τθν οποία ςχθματίηονται τα ςφννεφα και θ ομίχλθ ςτθν ατμόςφαιρα. Είναι μία πολφ ςθμαντικι διαδικαςία ςτθν φυςικι τθσ ατμόςφαιρασ. Χωρίσ αυτι τθν πυρινωςθ θ Γθ κα ιταν ζνα πολφ διαφορετικό μζροσ απ ότι είναι τϊρα. 3.2 H κινθτικι προςζγγιςθ τθσ κλαςικισ κεωρίασ για τθν ομογενι πυρινωςθ Θ κεωρία τθσ πυρινωςθσ βαςίηεται ςε ζνα ςφνολο εξιςϊςεων που αφοροφν τθν αλλαγι ςτισ ςυγκεντρϊςεισ των ςυμπλεγμάτων διαφορετικϊν μεγεκϊν, ςαν αποτζλεςμα τθσ αφξθςθσ και τθσ μείωςθσ των μορίων (μονομερι). Υποκζτουμε ςυνικωσ ότι οι κερμοκραςίεσ όλων των ςυμπλεγμάτων είναι ίςεσ μ αυτζσ του αερίου υποβάκρου. Αυτό όμωσ δεν είναι πάντα ςωςτό. Θ αλλαγι τθσ φάςθσ εμπεριζχει τθν εξζλιξθ τθσ κερμότθτασ. Αυτό που υπονοεί θ υπόκεςθ αυτι είναι ότι τα ςυμπλζγματα υπόκεινται ςε αρκετζσ ςυγκροφςεισ με τα μόρια του αερίου υποβάκρου ζτςι ϊςτε γίνονται κερμικϊσ εξιςορροπθμζνα ςε χρονικό διάςτθμα ςυγκρινόμενο με αυτό που ςχετίηεται με τθν αφξθςθ και τθν μείωςθ των μονομερϊν. Γενικά, θ υπόκεςθ για μία ιςοκερμικι διαδικαςία είναι λογικι για τθν ατμοςφαιρικι πυρινωςθ. 20

28 Για να ςχθματίςουμε τθν εξίςωςθ για τα ςυμπλζγματα, υποκζτουμε ότι αυτά μεγαλϊνουν και ςυρρικνϊνονται μζςω απόκτθςθσ ι απϊλειασ μεμονωμζνων μορίων. Οι ςυγκροφςεισ μεταξφ δφο ςυμπλεγμάτων είναι τόςο ςπάνιεσ που μποροφμε να τισ αγνοιςουμε. Επιπλζον, από τθν αρχι τθσ μικροςκοπικισ αντιςτρεπτότθτασ, δθλαδι ότι ςτθν ιςορροπία κάκε προσ τα εμπρόσ διαδικαςία πρζπει να αντιςτοιχείται με τθν αντίςτοιχθ αντίςτροφθ διαδικαςία, ςυνεπάγεται ότι αν τα ςυμπλζγματα μεγαλϊνουν μόνο από τθν πρόςκεςθ μεμονωμζνων μορίων, τότε και θ εξάτμιςθ γίνεται με ζνα μόριο τθ φορά. Εικ.1 Διαδικαςίεσ αφξθςθσ και εξάτμιςθσ των ςυμπλεγμάτων. 21

29 Ζςτω N i (t) ο αρικμόσ ςυγκζντρωςθσ των ςυμπλεγμάτων που περιζχουν i μόρια τθν χρονικι ςτιγμι t. Σφμφωνα με το παραπάνω ςχιμα θ N i (t) διζπεται από τθν ακόλουκθ εξίςωςθ : dn i dt = β i 1N i 1 t γ i N i t β i N i t + γ i+1 N i+1 (t) (3) όπου β i είναι θ ςτακερά του μπροςτινοφ ρυκμοφ για τθν ςφγκρουςθ μονομερϊν με ζνα ςφμπλεγμα μεγζκουσ i (ςυνικωσ καλείται i-μζρεσ) και γ i είναι θ ςτακερά του αντίςτροφου ρυκμοφ για τθν εξάτμιςθ μονομερϊν από ζνα i-μζρεσ. Θ παραπάνω εξίςωςθ μασ παρζχει τα βαςικά για να μελετιςουμε τθν αιφνίδια πυρινωςθ. Για παράδειγμα, αν θ ςυγκζντρωςθ μονομερϊν αυξθκεί απότομα για t=0, ποιά είναι θ χρονοεξαρτϊμενθ ανάπτυξθ ςτθ διανομι του ςυμπλζγματοσ ; Φυςικά ςε μία τζτοια περίπτωςθ υπάρχει μία απειροελάχιςτθ περίοδοσ μετά τθν οποία οι ςυγκεντρϊςεισ των ςυμπλεγμάτων προςαρμόηονται ςτθν διατάραξθ τθσ ςυγκζντρωςθσ του μονομεροφσ που ακολουκείται τελικά από τθν δθμιουργία μιασ ψευδοςτακερισ κατάςταςθσ ςτθ διανομι του ςυμπλζγματοσ. Δεδομζνου ότι ο χαρακτθριςτικόσ χρόνοσ που χρειάςτθκε για να δθμιουργθκεί θ ςτακερι κατάςταςθ ςτθ διανομι του ςυμπλζγματοσ, είναι γενικά ελάχιςτα ςυγκρίςιμοσ με τθν χρονικι διάρκεια μετά τθν οποία τυπικζσ ςυγκεντρϊςεισ μονομερϊν κα άλλαηαν ςτθν ατμόςφαιρα, μποροφμε να υποκζςουμε ότι θ διανομι των ςυμπλεγμάτων είναι πάντα ςτακερά αντιςτοιχοφμενθ με τθν ςτιγμιαία ςυγκζντρωςθ μονομερϊν. Επίςθσ ορίηουμε με J i+1/2 το κακαρό ποςοςτό (cm -3 sec -1 ) ςτο οποίο ςυμπλζγματα i μεγζκουσ γίνονται ςυμπλζγματα μεγζκουσ i+1. Το κακαρό αυτό ποςοςτό δίνεται από τθν ςχζςθ : J i+1/2 = β i N i γ i+1 Ν i+1 (4) 22

30 Αν για μία δεδομζνθ ςυγκζντρωςθ μονομερϊν (με λόγο κορεςμοφ S) οι ςυγκεντρϊςεισ των ςυμπλεγμάτων μποροφν υποκετικά να βρίςκονται ςε μια ςτακερι κατάςταςθ, τότε το αριςτερό μζροσ τθσ (3) ιςοφται με μθδζν. Για μία ςτακερι κατάςταςθ από τθν (3) βλζπουμε ότι όλεσ οι ροζσ πρζπει να είναι ίςεσ με μία ςτακερι ροι J : J i+1/2 = J για όλα τα i (5) 3.3 H δυαδικι ομογενισ πυρινωςθ Στθν ομογενι ομομοριακι πυρινωςθ, θ πυρινωςθ δεν λαμβάνει χϊρα αν θ φάςθ ατμοφ είναι υπερκορεςμζνθ όςον αφορά τα είδθ μορίων ατμοφ που ςυμμετζχουν ς αυτι. Πταν δφο ι περιςςότερα είδθ ατμοφ είναι παρόντα, κανζνα από τα οποία δεν είναι υπερκορεςμζνα, θ πυρινωςθ μπορεί να λάβει χϊρα εφόςον τα ςυμμετζχοντα είδθ ατμοφ είναι υπερκορεςμζνα όςον αφορά μία υγρι ςταγόνα διαφματοσ. Γι αυτόν τον λόγο θ ετερομοριακι πυρινωςθ ςυμβαίνει όταν ζνα μίγμα από ατμοφσ είναι υποκορεςμζνο ςε ςχζςθ με τισ κακαρζσ ουςίεσ εφόςον υπάρχει υπερκορεςμόσ ςε ςχζςθ με ζνα διάλυμα αυτϊν των ουςιϊν. Θ κεωρία τθσ ομογενοφσ ετερομοριακισ πυρινωςθσ είναι ςχεδόν ίδια ςε μθχανιςμό με τθν ομογενι ομομοριακι, μόνο που θ πρϊτθ περιλαμβάνει δφο ι περιςςότερα είδθ ατμοφ προσ πυρινωςθ. Στθν παράγραφο αυτι μελετοφμε μόνο δφο είδθ γι αυτό και ονομάηουμε τθν μζκοδο δυαδικι πυρινωςθ. Το παρακάτω ςχιμα απεικονίηει ςυμπλζγματα για δυαδικι πυρινωςθ οξζοσ και νεροφ. Στθν κλαςςικι κεωρία για τθν ομογενι ομομοριακι πυρινωςθ ο ρυκμόσ τθσ πυρινωςθσ μπορεί να γραφτεί με τθν εξισ μορφι : J = Cexp( ΔG kt ) (6) Ππου ΔG είναι θ ελεφκερθ ενζργεια που χρειάηεται για να ςχθματιςτεί ζνασ πυρινασ κρίςιμου μεγζκουσ. Θ ίδια διαδικαςία ιςχφει και για τθν δυαδικι 23

31 ομογενι κεωρία πυρινωςθσ. Θ πρϊτθ κεωρθτικι επεξεργαςία τθσ δυαδικισ πυρινωςθσ ανικει ςτον Flood (1934) αλλά μόλισ το 1950 ο Reiss εξζδωςε ζνα πλιρεσ ζργο για τθν δυαδικι πυρινωςθ. Θ ελεφκερθ ενζργεια ςχθματιςμοφ ενόσ πυρινα που περιλαμβάνει n A μόρια από το είδοσ Α και n B μόρια από το είδοσ Β δίνεται από τθν ςχζςθ : ΔG = n A μ Αl μ Ag (7) + n B μ Bl μ Bg + 4πr 2 σ (7) Ππου r είναι θ ακτίνα τθσ ςταγόνασ και μ Αl μ Βl μ Ag μ Βg είναι τα χθμικά δυναμικά των ςυςτατικϊν Α και Β ςτο μικτό ςταγονίδιο (l) και ςτθν αζρια φάςθ (g) αντίςτοιχα. Εικ.2 Συμπλζγματα ςε δυαδικι πυρινωςθ. Η διαδικαςία κάκετα προσ τα πάνω ςτο αριςτερό μζροσ τθσ εικόνασ αφορά ςυμπλζγματα μορίων κακαροφ νεροφ. Η διαδικαςία οριηόντια και κάτω ςτθν εικόνα αφορά ςυμπλζγματα μορίων από κακαρό οξφ. Στο μζςον τθσ εικόνασ οι μαφροι κφκλοι είναι μόρια νεροφ και οι γκρί μόρια οξζοσ. Η διακεκομμζνθ γραμμι δθλϊνει τα όρια του ςυμπλζγματοσ. 24

32 3.4 Ετερογενισ πυρινωςθ πάνω ςε επιφάνεια ξζνου αδιάλυτου ςωματιδίου (υμπφκνωςθ) Ζςτω ότι κεωροφμε πυρινωςθ μιασ υγρισ ςταγόνασ ςε μία αδιάλυτθ ξζνθ επιφάνεια (Εικ. 3). Ο ρυκμόσ ετερογενοφσ πυρινωςθσ κακορίηεται ωσ ο αρικμόσ των κρίςιμων πυρινων που εμφανίηονται ςε μία μοναδικι επιφάνεια ςτθ μονάδα του χρόνου. Θ κλαςικι ζκφραςθ για τθν ελεφκερθ ενζργεια ςχθματιςμοφ ενόσ «κρίςιμου» ςυμπλζγματοσ ςε μία επίπεδθ ςτερει και αδιάλυτθ επιφάνεια είναι : ΔG = ΔG ( om (((( f(m) (8) Ππου ΔG om είναι θ ελεφκερθ ενζργεια για τον ςχθματιςμό ενόσ «κρίςιμου» πυρινα με ομογενι πυρινωςθ και θ παράμετροσ m είναι το ςυνθμίτονο τθσ γωνίασ μεταξφ του πυρινα και του υποςτρϊματοσ και δίνεται από τθσ ςχζςθ : m = cosθ = σ SV σ SL σ LV (9) Εικ.3 Σχθματιςμόσ ςυμπλζγματοσ πάνω ςε αδιάλυτθ επίπεδθ επιφάνεια. Στο ςχιμα, κ είναι θ γωνία επαφισ μεταξφ του ςυμπλζγματοσ και του επίπεδου υποςτρϊματοσ. 25

33 Στθν τελευταία ςχζςθ όπου ς είναι οι αλλθλεπιδρϊντεσ τάςεισ μεταξφ των διαφορετικϊν φάςεων. Το V δθλϊνει τθν αζρια φάςθ, το L τον πυρινα, και το S το υπόςτρωμα. Ο όροσ f(m) δίνεται από τθν ςχζςθ : f m = 1 (2 + m)(1 m)2 4 (10) και παίρνει τιμζσ από 0 ζωσ 1. Πταν θ γωνία επαφισ κ είναι μθδζν τότε m=1 και f(m)=0 και θ πυρινωςθ ξεκινά αμζςωσ μόλισ ο ατμόσ υπερκορεςτεί, δθλαδι όταν το «εμπόδιο» ελεφκερθσ ενζργειασ για τον ςχθματιςμό «κρίςιμου» ςυμπλζγματοσ είναι μθδζν. Αν κ=180 ο τότε f(m)=1, θ ετερογενισ πυρινωςθ δεν ευνοείται και ζχουμε μόνο ομογενι πυρινωςθ. Θ παραπάνω μελζτθ ζχει εφαρμογι ςε ετερογενι πυρινωςθ πάνω ςε επίπεδεσ επιφάνειεσ. Για ατμοςφαιρικά ςωματίδια θ καμπφλωςθ των επιφανειϊν περιπλζκει το πρόβλθμα. Ο Fletcher (1958) ζδειξε ότι θ ελεφκερθ ενζργεια ςχθματιςμοφ ΔG * ενόσ νζου ςυμπλζγματοσ («ζμβρυο») με κρίςιμο μζγεκοσ και ακτίνα r * (ακτίνα i-μζρουσ κρίςιμου μεγζκουσ) πάνω ςε ζνα ςφαιρικό πυρινα ακτίνασ R δίνεται από τθν ςχζςθ : ΔG = ΔG om f m, x = 16π 3 υ 1 σ LV ktlns 2 f(m, x) (11) όπου σ LV είναι θ επιφανειακι τάςθ μεταξφ τθσ «εμβρυακισ» φάςθσ και τθσ περιβάλλουςασ φάςθσ, υ 1 είναι ο όγκοσ άκε μορίου, S είναι ο υπερκορεςμόσ και θ παράμετροσ f(m,x) ζχει να κάνει με τθν γεωμετρία του «εμβρφου» και δίνεται από τν ςχζςθ : f m, x = mx g + x 3 [2 3 x m g + ( x m g )3 ]+3mx 2 ( x m 1) g (12) όπου g = (1 + x 2 2mx) 1/2 (13) 26

34 Στθν τελευταία ςχζςθ (13) το m δίνεται από τθν (9) και το x από τθν ςχζςθ: x = R r (14) H «κρίςιμθ» ακτίνα του «εμβρφου» είναι : r = 2υ 1σ LV ktlns (15) Για x=0 θ (11) μασ δίνει ομογενι πυρινωςθ και για x που πλθςιάηει το άπειρο αντιςτοιχίηεται με τθν εξίςωςθ (8). Θ γωνία επαφισ με το προσ πυρινωςθ υγρό είναι μία ςθμαντικι παράμετροσ για τθν ετερογενι πυρινωςθ. Μικρζσ γωνίεσ επαφισ κακιςτοφν τα αντίςτοιχα αδιάλυτα ςωματίδια καλζσ τοποκεςίεσ για πυρινωςθ, ενϊ μεγαλφτερεσ γωνίεσ επαφισ εμποδίηουν τθν πυρινωςθ. Θ ςχζςθ που ςυνδζει άμεςα τθν γωνία επαφισ και τον «κρίςιμο» υπερκορεςμό για μικρζσ γωνίεσ επαφισ και υπερκορεςμοφσ υπολογίςτθκε από τον McDonald και είναι θ : cosθ = 1 x 1 x ( lnR) 1/2 lns ((( c (16) όπου S c είναι ο «κρίςιμοσ» υπερκορεςμόσ που αντιςτοιχεί ςε ρυκμό ίςο με ζνα «ζμβρυο» ανά ςωματίδιο ανά δευτερόλεπτο. Για τον ςχθματιςμό ςταγόνων βροχισ πάνω ςε αδιάλυτα ςωματίδια ςε ςφννεφα για περιβάλλοντεσ υπερκορεςμοφσ (ςυνικωσ λιγότερο του 3%) θ εξίςωςθ (16) προτείνει ότι θ γωνία επαφισ πρζπει να είναι μικρότερθ των 12 ο. Το να περιγράφει κάποιοσ τθν αλλθλεπίδραςθ μεταξφ ενόσ πυρινα από μία ςυμπυκνϊςιμθ μθ διαλυμζνθ φλθ και ζνα ςτερεό υπόςτρωμα χρθςιμοποιϊντασ μόνο μία μακροςκοπικι παράμετρο είναι κάτι το εντελϊσ προςεγγιςτικό. Επιπλζον θ υπόκεςθ ότι οι πυρινεσ μεγαλϊνουν αποκλειςτικά από πρόςκρουςθ μορίων ατμοφ αναιρεί τθν επιφανειακι διάχυςθ των απορροφοφμενων διαλυτϊν μορίων θ οποία αποτελεί ζναν αποτελεςματικό μθχανιςμό διανομισ των μονομερϊν ςτα ςυμπλζγματα. Επιπλζον, θ 27

35 επιφάνεια υποτίκεται πωσ είναι τελείωσ επίπεδθ και χωρίσ ατζλειεσ που πικανϊσ κα επιτάχυναν τθν πυρινωςθ. Αν και αυτοί οι περιοριςμοί τθσ κλαςικισ προςζγγιςθσ για τθν ετερογενι πυρινωςθσ πάνω ςε αδιάλυτο υπόςτρωμα είναι ευρζωσ αναγνωριςμζνοι, τα πειραματικά δεδομζνα που ςυμφωνοφν με τισ προβλζψεισ τθσ κλαςικισ κεωρίασ είναι ςπάνια. Ζνα πρόβλθμα είναι θ παραγωγι επαρκϊσ λείων επιφανειϊν για τθν επιβεβαίωςθ των υποκζςεων τθσ κεωρίασ. 28

36 ΚΕΦΑΛΑΙΟ : 4 ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΕΙ ΜΕΣΑΞΤ ΑΙΩΡΟΤΜΕΝΩΝ ΩΜΑΣΙΔΙΩΝ, ΝΕΦΩΝ ΚΑΙ ΤΕΣΟΤ. Η ΦΤΗ ΚΑΙ ΟΙ ΠΗΓΕ ΣΩΝ CCN 4.1 Γενικά ςτοιχεία Τα ατμοςφαιρικά αιωροφμενα ςωματίδια λειτουργοφν ωσ πυρινεσ ςυμπφκνωςθσ για τον ςχθματιςμό τόςο ςταγονιδίων νεφϊν, όςο και ςωματιδίων πάγου. Ωσ αποτζλεςμα, αςκοφν ουςιαςτικι επιρροι ςτισ μικροφυςικζσ ιδιότθτεσ των νεφϊν νεροφ και πάγου, τα οποία με τθ ςειρά τουσ επθρεάηουν τισ διαδικαςίεσ οι οποίεσ οδθγοφν ςτο ςχθματιςμό βροχισ, χιονιοφ, χαλαηιοφ και άλλων μορφϊν υετοφ. Κατά τα πρόςφατα ζτθ ζχει γίνει ςθμαντικι πρόοδοσ ςτθ κατανόθςθ τθσ χθμικισ ςφνκεςθσ των αιωροφμενων ςωματιδίων, των μικροφυςικϊν τουσ ιδιοτιτων και των παραγόντων που τουσ δίνουν τθ δυνατότθτα να δρουν ωσ πυρινεσ ςυμπφκνωςθσ νεφϊν (CCN) και πυρινεσ πάγου (IN). Το πρϊτο μζροσ αυτοφ του κεφαλαίου κα επικεντρωκεί ςτθ φφςθ και ςτισ πθγζσ των CCN και IN. Ρραγματευόμαςτε τισ βαςικζσ αρχζσ των διαδικαςιϊν ςχθματιςμοφ ςταγονιδίων νεφϊν και πυρινωςθσ πάγου και τον ρόλο που διαδραματίηει θ χθμικι ςφνκεςθ και το μζγεκοσ των ςωματιδίων ςτθ διαδικαςία αυτι. Δείχνουμε ότι, ςε πολλζσ περιπτϊςεισ θ επιρροι τθσ χθμικισ ςφνκεςθσ μπορεί να αναπαραςτακεί με μια απλι παραμετροποίθςθ, θ οποία αφινει το μζγεκοσ ωσ τθν κφρια μεταβλθτι για το κατά πόςο ζνα ςωματίδιο μπορεί να δράςει ωσ CCN. Τα αιωροφμενα ςωματίδια παράγονται είτε άμεςα από ανκρωπογενείσ και φυςικζσ πθγζσ (ςκόνθ, καλαςςινό αλάτι, αικάλθ, βιολογικά ςωματίδια, κτλ.), ι ςχθματίηονται ςτθν ατμόςφαιρα από τθν ςυμπφκνωςθ ενϊςεων χαμθλισ πτθτικότθτασ (πχ. κειϊκό οξφ, ι οξειδωμζνεσ οργανικζσ ενϊςεισ). Ρραγματευόμαςτε τθν ζκταςθ των πθγϊν αυτϊν και τα χαρακτθριςτικά CCN και IN των ςωματιδίων που παράγουν. Αντίκετα με προθγοφμενεσ αξιολογιςεισ, οι οποίεσ επικεντρϊνονταν ςτθ μάηα των αιωροφμενων ςωματιδίων, δίνουμε ζμφαςθ ςτον αρικμό των ςωματιδίων που παράγονται, αφοφ αυτόσ αποτελεί τθ μεταβλθτι κλειδί ςτθ μικροφυςικι των νεφϊν. Υπάρχουν ακόμα μεγάλεσ αβεβαιότθτεσ ςε ςχζςθ με τισ πθγζσ πολλϊν 29

37 αιωροφμενων ςωματιδίων, όπωσ πχ του υπομικρομετρικοφ μζρουσ των αιωροφμενων ςωματιδίων από τα ςταγονίδια τθσ κάλαςςασ, των ςωματιδίων που παράγονται από τθ βιόςφαιρα και των δευτερευόντων οργανικϊν αιωροφμενων ςωματιδίων. Φτάνουμε ςτο ςυμπζραςμά μασ με μια πραγμάτευςθ επί του ποιεσ ςυγκεντρϊςεισ ςωματιδίων μπορεί να υπιρχαν ςτθν αρχζγονθ ατμόςφαιρα πριν από τθν ζναρξθ τθσ ανκρωπογενοφσ ρφπανςθσ. Ρρότυποι υπολογιςμοί και παρατθριςεισ ςε απόμακρεσ θπειρωτικζσ περιοχζσ υποδεικνφουν με ςυνζπεια ότι οι ςυγκεντρϊςεισ CCN πάνω από τισ αρχζγονεσ θπείρουσ ιταν όμοιεσ με αυτζσ που επικρατοφν επί του παρόντοσ πάνω από απόμακρουσ ωκεανοφσ, κάτι που υποδεικνφει ότι θ ανκρϊπινθ δραςτθριότθτα ζχει τροποποιιςει τθ μικροφυςικι των νεφϊν ςε μεγαλφτερο βακμό από αυτόν που αντικατοπτρίηει θ κοινι γνϊςθ. Το δεφτερο μζροσ του κεφαλαίου αυτοφ εξετάηει τισ επιδράςεισ τθσ μεταβολισ των ιςοτοπικϊν ςυςτάςεων CNN και IN ςτισ διαδικαςίεσ δθμιουργίασ υετοφ, ςτον κφκλο του νεροφ και το κλίμα. Υπάρχουν επί του παρόντοσ ςαφείσ και διαρκϊσ αυξανόμενεσ ενδείξεισ ότι τα ατμοςφαιρικά αιωροφμενα ςωματίδια ζχουν βακιζσ επιδράςεισ ςτο απόκεμα ενζργειασ και ακτινοβολίασ τθσ γθσ. Τα αερολφματα ζχουν ζνα ευρφ φάςμα κλιματικϊν επιδράςεων, οι οποίεσ μποροφν να ταξινομθκοφν ευρζωσ ςε άμεςεσ επιδράςεισ ακτινοβολίασ (δθλαδι αυτζσ που βαςίηονται ςτθν αλλθλεπίδραςθ τθσ ακτινοβολίασ με τα ίδια τα ςωματίδια), ςε ζμμεςεσ επιδράςεισ (δθλαδι οι επιδράςεισ ακτινοβολίασ που είναι αποτζλεςμα τθσ τροποποίθςθσ τθσ ιςοτοπικισ ςφςταςθσ και των ιδιοτιτων των νεφϊν από τα αερολφματα) και ςε άλλεσ κλιματικζσ επιδράςεισ που ρυκμίηονται από τα νζφθ, οι οποίεσ δρουν μεταβάλλοντασ τθσ διαδικαςίεσ δθμιουργίασ υετοφ. Θ αυξανόμενθ ςυνειδθτοποίθςθ ςε ςχζςθ με τισ πικανζσ κλιματικζσ επιδράςεισ των ανκρωπογενϊν αερολυμάτων, είχε ωσ αποτζλεςμα μια μεγάλθ προςπάκεια ςε επίπεδο ζρευνασ, θ οποία ζχει βελτιϊςει ςε μεγάλο βακμό τθν κατανόθςθ του ρόλου τουσ ςτθν ιςορροπία τθσ ακτινοβολίασ που ειςζρχεται ςτθ γθ. Θ παροφςα κατανόθςθ του ηθτιματοσ αυτοφ αναφζρεται περιλθπτικά ςτθν πρόςφατθ αξιολόγθςθ IPCC και ηθτιματα που αφοροφν τισ επιδράςεισ των αιωροφμενων ςωματιδίων ςτον υετό ζχουν ςυηθτθκεί ςτθν αναφορά τθσ Διεκνοφσ Ομάδασ Αξιολόγθςθσ Επιςτιμθσ Υετοφ και 30

38 Αερολυμάτων του Ραγκόςμιου Μετεωρολογικοφ Οργανιςμοφ (IAPSAG). Θ επιτακτικι ανάγκθ ζρευνασ ςτον τομζα αυτόν οδιγθςε ςτθν ανάπτυξθ μιασ ερευνθτικισ πρωτοβουλίασ, τθσ Αιωροφμενα Σωματίδια, Νζφθ, Υετόσ και Κλίμα (ACPC) θ οποία αναπτφχκθκε από κοινοφ από τισ ςθμαντικζσ εργαςίεσ ileaps των IBGP, και IGAC, και τθν ςθμαντικι εργαςία GEWEX του WCRP. Τα ςταγονίδια νεφϊν και τα ςταγονίδια πάγου ςχθματίηονται ςτθν ατμόςφαιρα από τθν ςυμπφκνωςθ υπερκορεςμζνου υδρατμοφ πάνω ςε αιωροφμενα ςωματίδια. Τα ςωματίδια που ζχουν τθ δυναμικι να πυρθνϊςουν υγρά ςταγονίδια νεφϊν ονομάηονται πυρινεσ ςυμπφκνωςθσ νεφϊν (CCN), ενϊ τα αιωροφμενα ςωματίδια που μποροφν να προκαλζςουν τον ςχθματιςμό κρυςτάλλων πάγου ονομάηονται πυρινεσ πάγου (IN). Πταν ςχθματίηονται ςφννεφα ςε αζρα με αυξθμζνεσ ςυγκεντρϊςεισ CCN, περιζχουν μεγαλφτερεσ ςυγκεντρϊςεισ μικρότερων ςταγονιδίων νεφϊν. Θ μείωςθ του μεγζκουσ των ςταγονιδίων που είναι αποτζλεςμα του φαινομζνου αυτοφ, επιβραδφνει τθ ςυγχϊνευςι τουσ ςε ςταγόνεσ βροχισ. Αυτό μπορεί να ζχει ωσ αποτζλεςμα τθν καταςτολι του ςχθματιςμοφ υετοφ ςε ρθχά και βραχφβια νζφθ και μποροφν ωσ ςυνζπεια αυτοφ να μειϊςουν τουσ υδάτινουσ πόρουσ ςε θμιάνυδρεσ περιοχζσ. Πταν οι ςυγκεντρϊςεισ CCN είναι χαμθλζσ, θ βροχι ςχθματίηεται πιο γριγορα χωρίσ να εμπλζκεται απαραίτθτα μια φάςθ πάγου, ακόμα και ςε βακιά εξ ανοδικισ μεταφοράσ κερμότθτασ νζφθ με κερμζσ βάςεισ. Τα νζφθ αυτά επικρατοφν ςτισ τροπικζσ ηϊνεσ, όπωσ και κατά τθ διάρκεια του καλοκαιριοφ ςτα μεςαία γεωγραφικά πλάτθ. Σε υψθλζσ ςυγκεντρϊςεισ CCN, οι μθχανιςμοί ςχθματιςμοφ κερμισ βροχισ καταςτζλλονται λόγω των μικρότερων μεγεκϊν των ςταγονιδίων και θ κακυςτζρθςθ ςτον ςχθματιςμό υετοφ μπορεί να προκαλζςει τθν άνοδο των ςωματιδίων ςε υπερψυγμζνα επίπεδα. Με το να μθν βρζχει νωρίσ, το ςυμπφκνωμα μπορεί να ςχθματίςει ζπειτα ατμοςφαιρικά ςωματίδια πάγου τα οποία απελευκερϊνουν τθ λανκάνουςα κερμότθτα τθσ πιξθσ προσ τα πάνω και απορροφοφν ξανά κερμότθτα ςε χαμθλότερα επίπεδα όταν λιϊνουν. Το αποτζλεςμα είναι μεγαλφτερθ μεταφορά κερμότθτασ προσ τα πάνω για τθν ίδια ποςότθτα επιφανειακοφ υετοφ. Θ κατανάλωςθ περιςςότερθσ ςτατικισ ενζργειασ για τθν ίδια ποςότθτα υετοφ κα μποροφςε ζπειτα να μετατραπεί ςε μια εξίςου μεγαλφτερθ ποςότθτα εκλυκείςασ κινθτικισ ενζργειασ, θ οποία κα μποροφςε να τονϊςει τθν ανοδικι μεταφορά και να οδθγιςει ςε μεγαλφτερθ εξ ανοδικισ μεταφοράσ κερμότθτασ κυκλοφορία και περιςςότερο υετό. 31

39 Άλλθ μια ςυνζπεια τθσ καταςτολισ του ςχθματιςμοφ νεφϊν από τα αερολφματα, είναι ότι θ ατμοςφαιρικι υγραςία παραμζνει ςτθν ατμόςφαιρα και μεταφζρεται με οριηόντια μεταφορά κατά τθ διεφκυνςθ κινιςεωσ του ανζμου, όπου μπορεί τελικά να οδθγιςει ςε ενιςχυμζνο υετό ςε ζνα μετζπειτα χρονικό ςθμείο. Ζτςι ςε περιφερειακι κλίμακα, θ ενιςχυμζνθ και κακυςτερθμζνθ απελευκζρωςθ λανκάνουςασ κερμότθτασ, θ οποία προκαλείται από αερολφματα, μπορεί να οδθγιςει αργότερα ςε ενίςχυςθ και αναδιανομι τθσ ανοδικισ μεταφοράσ, χαμθλά επίπεδα ςφγκλιςθσ τθσ υγραςίασ και υετό. Θ μείωςθ ςτθ κζρμανςθ τθσ επιφάνειασ τθσ γθσ λόγω τθσ εξαφάνιςθσ τθσ θλιακισ ακτινοβολίασ από τα αιωροφμενα ςωματίδια, μπορεί να οδθγιςει ςτθν καταςτολι τθσ κερμικισ ανοδικισ μεταφοράσ και ωσ εκ τοφτου να μειϊςει τθ βροχόπτωςθ. Μπορεί επίςθσ να παράγει μεταβολζσ ςτθ μεγάλθσ κλίμακασ κυκλοφορία και ςτθν μεταφορά υγραςίασ, θ οποία με τθ ςειρά τθσ μεταβάλλει τθ διανομι των νεφϊν, του υετοφ και των αιωροφμενων ςωματιδίων. Κατά τα τελευταία χρόνια ζχει γίνει ςθμαντικι πρόοδοσ ςτθν κατανόθςθ των αρχικϊν διαδικαςιϊν που παράγουν αιωροφμενα ςωματίδια που αλλθλεπιδροφν με τα νζφθ, των ιδιοτιτων που επιτρζπουν ςτα αιωροφμενα ςωματίδια να δρουν ωσ CCN και IN, των επιδράςεων των αιωροφμενων ςωματιδίων ςτθ φυςικι των νεφϊν και τον υετό και των ςυνεπειϊν για το κλιματικό ςφςτθμα. 32

40 4.2 Πυρινεσ ςυμπφκνωςθσ νεφϊν (CCN) ςε ςφννεφα με κερμι βάςθ Βαςικζσ αρχζσ τθσ ενεργοποίθςθσ των ςταγονιδίων νεφϊν Στθν ατμόςφαιρα τθσ γθσ τα ςταγονίδια νεφϊν, ι τα ςωματίδια πάγου δεν ςχθματίηονται με ομογενι πυρινωςθ υπερκορεςμζνων υδρατμϊν, δθλαδι τθν ςυμπφκνωςθ των μορίων νεροφ απουςία ενόσ ξζνου πυρινα ςυμπφκνωςθσ. Αυτό κα απαιτοφςε τον αρχικό ςχθματιςμό πολφ μικρϊν εμβρφων ςταγονιδίων με πολφ μικρι ακτίνα. Οι βαςικζσ αρχζσ τθσ κερμοδυναμικισ δείχνουν ότι το ιςοηφγιο πίεςθσ ατμϊν πάνω από μια ζντονα κυρτι επιφάνεια είναι πολφ μεγαλφτερο από αυτό πάνω από μια επίπεδθ επιφάνεια, το Φαινόμενο Κζλβιν. Θ κινθτικι κεωρία τθσ ομογενοφσ πυρινωςθσ ςταγονιδίων προβλζπει ότι χρειάηονται αναλογίεσ κορεςμοφ (θ πραγματικι πίεςθ ατμοφ διαιρεμζνθ με το ιςοηφγιο πίεςθσ ατμϊν πάνω από μια επίπεδθ επιφάνεια) τθσ τάξεωσ του 3.5 προσ 8 για να ςχθματιςτεί ζνα νζφοσ ςταγονιδίων με τθν ανάπτυξθ μικρϊν ςυμπλεγμάτων μορίων νεροφ ( ζμβρυα ) ςε ςταγονίδια. Ζχουν γίνει πολυάρικμεσ απόπειρεσ πειραματικισ επικφρωςθσ τθσ κεωρίασ αυτισ, αρχίηοντασ με τον Wilson, ο οποίοσ βρικε ότι θ αναλογία κορεςμοφ ςε αζρα απαλλαγμζνο από όλα τα ιόντα και τισ ακακαρςίεσ μπορεί να φτάςει το οκταπλάςιο, δθλαδι να φτάςει μια ςχετικι υγραςία τθσ τάξεωσ του 800%, πριν ςχθματιςτεί αυκόρμθτα ζνα νζφοσ μικρϊν ςταγονιδίων. Στθν πραγματικι ατμόςφαιρα, δεν επιτυγχάνονται ποτζ τόςο μεγάλοι υπερκορεςμοί, επειδι θ παρουςία αιωροφμενων ςωματιδίων διευκολφνει ςε μεγάλο βακμό τθ ςυμπφκνωςθ των υδρατμϊν ςε ςταγονίδια τα οποία φτάνουν ςε διάμετρο αρκετά μικρόμετρα, μζχρι και δεκάδεσ μικρόμετρα. Αυτό ςυμβαίνει επειδι το ιςοηφγιο πίεςθσ υδρατμϊν πάνω από ζνα διάλυμα είναι χαμθλότερο από ότι πάνω από το κακαρό νερό ( το φαινόμενο Raoult ). Οι υδρατμοί μποροφν να ςυμπυκνωκοφν πάνω ςε ζνα διαλυτό αιωροφμενο ςωματίδιο, επειδι το φαινόμενο Raoult αντιτίκεται ςτο φαινόμενο Kelvin που 33

41 είναι αποτζλεςμα τθσ μικρισ ακτίνασ τθσ κυρτότθτασ του εν τω γίγνεςκαι ςταγονιδίου. Θ κλαςςικι κεωρία Köhler για τον ςχθματιςμό ςταγονιδίων νεφϊν βαςίηεται ςτθν ζννοια ότι για κάκε μζγεκοσ ξθροφ διαλυτοφ ςωματιδίου υπάρχει ζνασ κρίςιμοσ υπερκορεςμόσ, S c, ςτον οποίον θ διαφορά μεταξφ των φαινομζνων Raoult και Kelvin είναι ςτθ μζγιςτθ τιμι τθσ (Εικόνα 1). Στο ςθμείο αυτό, οποιαδιποτε απειροελάχιςτθ αφξθςθ ςτο μζγεκοσ του ςταγονιδίου κα οδθγιςει ςε αυκόρμθτθ αφξθςθ θ οποία κα ςχθματίςει ςταγονίδιο νζφουσ, αφοφ το φαινόμενο Kelvin μειϊνεται με τθν περαιτζρω αφξθςθ τθσ ακτίνασ τθσ ςταγόνασ. Θ κεωρία Köhler προβλζπει ότι θ S c μειϊνεται όςο αυξάνεται το μζγεκοσ ενόσ διαλυτοφ ςωματιδίου, ι όςο αυξάνεται θ μάηα μιασ διαλυτισ ουςίασ που εμπεριζχεται ςε ζνα μεικτό ςωματίδιο που περιζχει τόςο διαλυτά, όςο και αδιάλυτα ςυςτατικά. Εικ.1 Οι καμπφλεσ του Köhler που δείχνουν τθν ιςορροπία υπερκορεςμζνων υδρατμϊν νεροφ ςτουσ 293 Κ για ςταγονίδια κακαροφ νεροφ (διακεκομμζνθ καμπφλθ) και για ςταγονίδια που περιζχουν διαλυμζνο (NH4) 2 SO4. 34

42 Τα αδιάλυτα ςωματίδια μποροφν επίςθσ να διευκολφνουν τον ςχθματιςμό ςταγονιδίων, αυξάνοντασ τθν ακτίνα τθσ κυρτότθτασ ενόσ εμβρυονικοφ ςταγονιδίου το οποίο ςχθματίηεται ςτθν επιφάνεια ενόσ τζτοιου ςωματιδίου, αντιτικζμενο ωσ εκ τοφτου ςτο φαινόμενο Kelvin. Το φαινόμενο ςχετίηεται με τθν επιφανειακι ελεφκερθ ενζργεια του ςθμείου επαφισ μεταξφ του ςωματιδίου και τθσ υγρισ φάςθσ, κάτι που ςυμβολίηεται με τθν γωνία επαφισ. Οι υδρόφιλεσ ουςίεσ (δθλαδι εκείνεσ που ζχουν χαμθλι γωνία επαφισ) διευκολφνουν ςε μεγάλο βακμό τθν πυρινωςθ των ςταγονιδίων, ενϊ οι υδρόφοβεσ ουςίεσ δεν προωκοφν τον ςχθματιςμό ςταγονιδίων. Θ ενεργοποίθςθ των ςταγονιδίων από αδιάλυτα ςωματίδια επθρεάηεται επίςθσ από τθν ακτίνα κυρτότθτασ των επιφανειϊν των ςωματιδίων και αυξάνεται ωσ εκ τοφτου με το μζγεκοσ των ςωματιδίων. Τα ςωματίδια που μποροφν να διευκολφνουν τθν ςυμπφκνωςθ υπερκορεςμζνων υδρατμϊν ςε ςταγονίδια νεφϊν υπό ζνα ςυγκεκριμζνο ςφνολο ςυνκθκϊν, ονομάηονται πυρινεσ ςυμπφκνωςθσ νεφϊν (CCN). Από τθν προθγοφμενθ πραγμάτευςθ είναι ςαφζσ ότι το κατά πόςον ζνα ςωματίδιο μπορεί να δράςει ωσ CCN, εξαρτάται ςε πρϊτο βακμό και κυρίωσ από τον υπερκορεςμό των περιβαλλόντων υδρατμϊν (S). Ωσ εκ τοφτου, το κλάςμα CCN ςε ζναν δεδομζνο υπερκορεςμό (CCN S ) είναι το υποςφνολο του γενικοφ πλθκυςμοφ των αιωροφμενων ςωματιδίων που μπορεί να ενεργοποιθκεί ςε ςταγονίδια νεφϊν, ςτον ςυγκεκριμζνο, ι ςε υψθλότερο βακμό υπερκορεςμοφ. Θ κεωρία Köhler προβλζπει ότι το υποςφνολο αυτό επιλζγεται βάςει τθσ ποςότθτασ διαλυτισ φλθσ ςτο ςωματίδιο. Ραρόλα ταφτα και ιδιαίτερα όςον αφορά ςτα οργανικά αερολφματα, μια ςειρά επιπρόςκετων χθμικϊν επιδράςεων μπορεί να τροποποιιςει τθν ικανότθτα ενόσ ςωματιδίου να δρα ωσ ζνασ CCN. Τα διαλυτά αζρια και ιδιαίτερα το νιτρικό οξφ (HNO3), θ αμμωνία (ΝΘ3) και το υδροχλωρικό οξφ (HCl) μποροφν να διευκολφνουν τον ςχθματιςμό ςταγονιδίων διαλυόμενα ςε γεννϊμενα ςταγονίδια και προςκζτοντασ ςτθν ποςότθτα διαλυόμενθσ ουςίασ εντόσ του ςταγονιδίου. Οι οργανικζσ ενϊςεισ ςτα αιωροφμενα ςωματίδια μποροφν να επθρεάςουν τθ δραςτθριότθτα CCN μζςω αρκετϊν μθχανιςμϊν: ςυνειςφορά διαλυτισ φλθσ, μείωςθ τθσ 35

43 επιφανειακισ τάςθσ και ςχθματιςμόσ επιφανειακϊν υδρόφοβων μεμβρανϊν. Τα υδρόφιλα, διαλυτά οργανικά (πχ αικυλενογλυκόλθ, ςακχαρίτθσ, μόνο και δικαρβοξυλικά οξζα βραχζων αλυςίδων) χαμθλοφ μοριακοφ βάρουσ δρουν κατά βάςθ με τον ίδιο τρόπο που δρουν και τα ανόργανα άλατα, προωκϊντασ τθν ςυγκράτθςθ νεροφ τόςο ςε υποκορεςμζνεσ, όςο και ςε υπερκορεςμζνεσ ςυνκικεσ, ςυμφωνϊντασ ζτςι με τθν κεωρία Köhler. Τα μείγματα των ενϊςεων αυτϊν και τα ανόργανα άλατα επιδεικνφουν περίπου προςκετικι ςυμπεριφορά, όπου οι οργανικζσ ουςίεσ ςυνειςφζρουν ςτθ CCN δραςτθριότθτα παρζχοντασ διαλυτι φλθ. Τα αιωροφμενα ςωματίδια που ςχθματίηονται από υδατοδιαλυτζσ οργανικζσ ενϊςεισ (WSOC) και ουςίεσ που μοιάηουν με χουμικζσ (HULIS) οι οποίεσ εξάγονται από δείγματα αερολυμάτων και υδατικά χουμικά και φουλβικά οξζα ζδειξαν παρόμοια ςυμπεριφορά, με μζτρια ςυγκράτθςθ νεροφ κάτω από 100% RH, και άμεςθ πυρθνοποίθςθ ςταγονιδίων ςε υπερκορεμζνα περιβάλλοντα. Οι ελαφρϊσ διαλυτζσ ουςίεσ ςτα αιωροφμενα ςωματίδια, ιδιαίτερα οι οργανικζσ ενϊςεισ μποροφν επίςθσ να προςκζςουν ςθμαντικι μάηα διαλυμζνων ουςιϊν ςτθν υδάτινθ φάςθ των ςταγονιδίων, όςο θ υγραςία προςεγγίηει το 100% RH. Θ διάλυςθ των δφςκολα διαλυόμενων ουςιϊν διευκολφνεται περαιτζρω με τθν παρουςία μεταςτακϊν υγρϊν υπολειμμάτων, τα οποία παραμζνουν αφοφ ζνα ςωματίδιο ζχει υποςτεί ζναν κφκλο πυρινωςθσ/εξάτμιςθσ. Το γεγονόσ ότι τα αιωροφμενα ςωματίδια περιζχουν ζναν μεγάλο αρικμό διαφορετικϊν οργανικϊν ουςιϊν υποδεικνφει ότι, εφόςον ζχει ςχθματιςτεί μια υγρι φάςθ, αναπαριςτά ζνα περίπλοκο διάλυμα πολλαπλϊν ςυςτατικϊν με μικρι τάςθ επανακρυςταλλοποίθςθσ. Τζλοσ, μια μείωςθ τθσ επιφανειακισ τάςθσ του ςταγονιδίου, ιδιαίτερα λόγω οργανικϊν ουςιϊν, μπορεί να αντιτίκεται ςτο φαινόμενο Kelvin και να διευκολφνει τθν αφξθςθ των ςταγονιδίων. Το φαινόμενο αυτό περιορίηεται παρόλα αυτά, όταν τα επιφανειοδραςτικά μόρια κατανζμονται ςτθν επιφάνεια του αυξανόμενου ςταγονιδίου. Μια πρόςφατθ πρότυπθ μελζτθ υποδεικνφει ότι οι επιδράςεισ επιφανειακισ τάςθσ του HULIS είναι ςθμαντικζσ μόνο αν είναι παροφςεσ ςε πολφ μεγάλα κλάςματα βάρουσ αιωροφμενων ςωματιδίων. Σε RH κάτω του 100%, θ ςυγκράτθςθ υδρατμϊν από τα 36

44 ςωματίδια μπορεί επίςθσ να παρεμποδιςτεί από οργανικζσ ενϊςεισ, ενδεχομζνωσ λόγω τθσ παρουςίασ υδρόφοβων επιςτρϊςεων. Ραρόλα ταφτα, ςε υπερκορεςμζνο περιβάλλον, θ παρεμπόδιςθ αυτι ξεπερνιζται και οι υδρόφοβεσ και δφςκολα διαλυόμενεσ ουςίεσ οδθγοφν ςε μια κακυςτζρθςθ, παρά μια παρεμπόδιςθ τθσ πυρθνοποίθςθσ των ςταγονιδίων. Μόνο ςε ακραίεσ περιπτϊςεισ ζχει παρατθρθκεί παρεμπόδιςθ τθσ πυρινωςθσ, όπωσ με ςωματίδια που ζχουν μια χοντρι επίςτρωςθ ςτεαρικοφ οξζωσ (ςτερεό ςε κερμοκραςία δωματίου), ι με ςωματίδια αικάλθσ που περιζχουν ζνα μεγάλο ποςοςτό μθ πτθτικϊν οργανικϊν. Από τθν άλλθ, ακόμα και ουςίεσ που δεν ειςζρχονται ςε διάλυμα, αλλά είναι διαβρζξιμεσ, διευκολφνουν τθν πυρινωςθ των ςταγονιδίων, επειδι μειϊνουν τθν κυρτότθτα τθσ επιφάνειασ. Από τθν παροφςα πραγμάτευςθ ςυμπεραίνουμε ότι τα CCN δεν είναι ζνασ ςτακερόσ, ειδικόσ τφποσ ςωματιδίου, αλλά ζνα ιδιαίτερα μεταβλθτό υποςφνολο του πλθκυςμοφ των αιωροφμενων ςωματιδίων. Το μζγεκοσ, το περιεχόμενο διαλυμζνων ουςιϊν, θ παρουςία δραςτικϊν ουςιϊν ςτθν επιφάνεια, ι ελαφρϊσ διαλυτϊν ουςιϊν το ςχιμα των μθ διαλυτϊν ςωματιδίων και θ παρουςία διαλυτϊν αερίων, επθρεάηουν όλα το κατά πόςον μπορεί ζνα ςωματίδιο να δρα ωσ CCN ςε ζναν δεδομζνο υπερκορεςμό. Κατά ςυνζπεια, δεν υπάρχει επίςθσ καμία ςυγκεκριμζνθ πθγι CCN.Θ ικανότθτα ενεργοποίθςθσ ςταγονιδίων των CCN με αυξανόμενο S, αναπαριςτάται ςτα φάςματα υπερκορεςμοφ CCN, που είναι ζνασ κοινόσ τρόποσ αναπαράςταςθσ των μετριςεων CCN. Θ εικόνα 2 δείχνει μια ςυλλογι από φάςματα CCN από διάφορεσ καλάςςιεσ και θπειρωτικζσ τοποκεςίεσ. Βλζπουμε ότι, κακϊσ προχωράμε από χαμθλοφσ ςε ψθλοφσ υπερκορεςμοφσ, ενεργοποιοφνται διαδοχικά περιςςότερα ςωματίδια. Θ ςυγκζντρωςθ CCN ςε S=1% (CCN1%) αντιπροςωπεφει τον μζγιςτο αρικμό ςωματιδίων που μποροφν να ενεργοποιθκοφν ςτθ βάςθ του νζφουσ. Το ςχιμα τθσ καμπφλθσ αντανακλά τθν επιρροι τθσ διανομισ του μεγζκουσ των ςωματιδίων και τθν εξαρτϊμενθ από το μζγεκοσ χθμικι ςφνκεςθ. Σε μια πρϊτθ προςζγγιςθ, ορίηεται από τθ ςχζςθ μεταξφ τθσ ςυγκζντρωςθσ αρικμοφ ςωματιδίων, ζναντι του αρικμοφ διαλυτϊν μορίων και ιόντων ανά ςωματίδιο. 37

45 Εικ. 2 Ακροιςτικζσ ςυγκεντρϊςεισ CCN για ποικίλα περιβάλλοντα 38

46 4.2.2 Πϊσ το μζγεκοσ και θ ςφςταςθ των αιωροφμενων ςωματιδίων επθρεάηουν το κατά πόςο αυτά δροφν ωσ CCN. Ρροθγουμζνωσ είδαμε ότι τόςο το μζγεκοσ, όςο και θ χθμικι ςφνκεςθ επθρεάηουν τθν ικανότθτα των ςωματιδίων να δροφν ωσ CCN. Δεδομζνθσ τθσ περιπλοκότθτασ τθσ ςφνκεςθσ των αερολυμάτων, ιδιαίτερα του οργανικοφ κλάςματοσ και τθσ μεταβλθτότθτάσ του με τον χρόνο και τον τόπο, θ πρόβλεψθ τθσ ικανότθτασ των αιωροφμενων ςωματιδίων να δροφν ωσ CCN με απλζσ παρατθριςεισ, φαίνεται να είναι μια μάταιθ αποςτολι. Για να προςεγγίςουμε το ηιτθμα αυτό, κα πρζπει πρϊτα να ορίςουμε μια ιδιότθτα θ οποία αντανακλά τθν ικανότθτα των αιωροφμενων ςωματιδίων ενόσ δεδομζνου πλθκυςμοφ, να πυρθνϊνουν ςταγονίδια νεφϊν. Για τον ςκοπό αυτόν, κανονικοποιοφμε τα φάςματα CCN διαιρϊντασ τθ ςυγκζντρωςθ CCN με τον ςυνολικό αρικμό ςωματιδίων (CN, πυρινεσ ςυμπφκνωςθσ) που κακορίηεται από ζναν μετρθτι CN, για να εξαλείψουμε τισ επιρροζσ που ςχετίηονται με τθν μεταφορά και τθν αραίωςθ. Θ ςχζςθ αυτι, CCN/CN ( αποτελεςματικότθτα CCN ι κλάςμα CCN ), επιτρζπει μια πιο αξιόλογθ ςφγκριςθ των εγγενϊν ιδιοτιτων των αιωροφμενων ςωματιδίων ςε ςχζςθ με τθν πυρινωςθ ςταγονιδίων. Ζπειτα, για να διαχωρίςουμε τισ επιδράςεισ του μεγζκουσ και τθσ ςφνκεςθσ, εξετάηουμε δεδομζνα που αποκτιςαμε με φαςματόμετρα CCN τα οποία επιλζγουν πρϊτα ζνα ςυγκεκριμζνο μζγεκοσ ςωματιδίου και ζπειτα υποβάλλουν τον μονοδιεςπαρμζνο πλθκυςμό αερολυμάτων που παράγεται, ςε ζνα φάςμα υπερκορεςμϊν. Ραραδείγματα των αποτελεςμάτων παρουςιάηονται εικόνα 3, θ οποία δείχνει τα φάςματα ενεργοποίθςθσ CCN ςτθ τιμι S=0.4%, ωσ μια λειτουργία τθσ διαμζτρου των ςωματιδίων για διάφορουσ τφπουσ αερολυμάτων. Βλζπουμε ότι για τθν ακραία περίπτωςθ ςωματιδίων κακαρϊν κειικϊν ενϊςεων και καλάςςιων αερολυμάτων τα οποία είναι απολφτωσ διαλυτά, υπάρχει ζνα ευδιάκριτο κατϊτατο όριο, με ουςιαςτικά 100% ενεργοποίθςθ των ςωματιδίων πάνω από μια ςυγκεκριμζνθ διάμετρο (περίπου 50 nm. ςτθν περίπτωςθ αυτι). Για ζνα θπειρωτικό αιωροφμενο ςωματίδιο που αντιπροςωπεφει τα επίπεδα ρφπανςθσ τθσ περιοχισ, επιτυγχάνεται ενεργοποίθςθ τθσ τάξεωσ του 50% περίπου ςτα 70 nm, ενϊ για τθν άλλθ 39

47 ακραία περίπτωςθ, ζνα φρζςκο πυρογενζσ αιωροφμενο ςωματίδιο (δθλαδι καπνόσ βιομάηασ), χρειάηεται μια διάμετροσ περίπου 125nm για τθν ενεργοποίθςθ 50% των ςωματιδίων. Το μζγεκοσ των ςωματιδίων εξαςκεί τθν μεγαλφτερθ επιρροι ςτθν ικανότθτα των ςωματιδίων να δρουν ωσ CCN, αφοφ θ μάηα των διαλυμζνων ουςιϊν αλλάηει με τθν δφναμθ ςτον κφβο τθσ διαμζτρου των ςωματιδίων, αλλά μόνο γραμμικά με το κλάςμα διαλυτϊν ουςιϊν. Με άλλα λόγια, μια πολφ δραςτικι αλλαγι ςτθ ςφνκεςθ όπωσ θ μείωςθ του κλάςματοσ διαλυτϊν ουςιϊν από 100% ςτο 10%, ζχει περίπου τθν ίδια επίδραςθ όπωσ θ μείωςθ ςτο μζγεκοσ πλιρωσ διαλυτοφ ςωματιδίου κατά 50%. Θ μεγάλθ εξάρτθςθ τθσ ςχζςθσ CCN/CN ςτο μζγεκοσ ςωματιδίων, εξθγεί επίςθσ και το ευρφ φάςμα τιμϊν που παρατθρείται για τθν αναλογία αυτιν. Εικ. 3 Φάςματα ενεργοποίθςθσ CCN για 0.4% υπερκορεςμό για διαφορετικοφσ τφπουσ αιωροφμενων ςωματιδίων. Θ ςχετικά μικρι μεταβλθτότθτα ςτθ δραςτθριότθτα των CCN ςωματιδίων με ζντονα ανομοιογενι ςφνκεςθ (αλλά το ίδιο μζγεκοσ) μασ προκαλεί λιγότερθ ζκπλθξθ αν λάβουμε υπόψιν το πϊσ θ χθμικι αυτι μεταβλθτότθτα αντανακλάται ςτο περιεχόμενο διαλυτϊν ουςιϊν των αερολυμάτων. Θ ςφγκριςθ τθσ χθμικισ ςφνκεςθσ των αιωροφμενων ςωματιδίων από μια μεγάλθ ποικιλία τοποκεςιϊν, μασ δίνει τθν ζνδειξθ ότι το κλάςμα διαλυτισ 40

48 ουςίασ των περιβαλλόντων υπομικρομετρικϊν ςωματιδίων, τα οποία παρζχουν όλα ςχεδόν τα CCN, διαφζρει μόνο ςε ζνα ςχετικά μζτριο φάςμα, τθσ τάξεωσ του 40-90%. Αυτι θ ακτίνα παράγοντα των δυο ςε κλάςμα διαλυτισ ουςίασ αντιςτοιχεί μόνο ςτο 26% ςε διαφορά ςτθν διάμετρο. Θαλάςςια αιωροφμενα ςωματίδια είναι κοντά ςτο ανϊτερο όριο αυτισ τθσ ακτίνασ διαλυτότθτασ, ενϊ μερικοί τφποι καπνοφ φρζςκιασ βιομάηασ, ι αςτικϊν ςωματιδίων αντιπροςωπεφουν το κατϊτερο όριο. Μια ςφγκριςθ των ςυνκζςεων των θπειρωτικϊν αιωροφμενων ςωματιδίων ςτθν Ευρϊπθ, που κυμαίνονται από δειγματολθψίεσ από τθν άκρθ του δρόμου, μζχρι και ςχεδόν φυςικά περιβάλλοντα, υποδεικνφει ότι οι ςυςτάςεισ των αιωροφμενων ςωματιδίων είναι ςε εκπλθκτικό βακμό όμοιεσ: περίπου 40±10% ανόργανα άλατα, 40±10% οργανικά (τα μιςά από τα οποία είναι ςυνικωσ υδατοδιαλυτά), με τα υπόλοιπα να είναι ορυκτι ςκόνθ και άνκρακασ αικάλθσ (Εικ. 4.). Θα πρζπει κανείσ να προςζξει παρόλα ταφτα, ότι αυτζσ οι χονδρικζσ μετριςεισ ςφνκεςθσ αντιπροςωπεφουν κυρίωσ τα μεγαλφτερα μεγζκθ ςωματιδίων, όπου το μεγαλφτερο μζροσ τθσ μάηασ του αερολφματοσ κατακάκεται (περίπου μm) και ότι το κλάςμα διαλυτϊν ουςιϊν μπορεί να είναι χαμθλότερο ςτισ τάξεισ μικρότερων μεγεκϊν (<100nm), ιδιαίτερα ςε αςτικζσ και θμιαςτικζσ περιοχζσ. Συγκεκριμζνα, το οργανικό κλάςμα, το οποίο παρζχει λιγότερα μόρια διαλυμζνθσ ουςίασ ανά μονάδα μάηασ ςε ςφγκριςθ με τα ανόργανα άλατα, ζχει τθν τάςθ να εμπλουτίηεται ςτθν τάξθ μεγζκουσ <100nm, ενϊ τα ανόργανα άλατα ζχουν τθν τάςθ να κυριαρχοφν ςτο διαλυτό κλάςμα ςτα μεγαλφτερα ςωματίδια (>200nm). Επειδι αυτά τα μεγαλφτερα ςωματίδια ζχουν τθν τάςθ να αποτελοφν το μεγαλφτερο μζροσ τθσ μάηασ του υπομικρομετρικοφ αερολφματοσ, το διαλυτό κλάςμα μεςαίου μεγζκουσ ζχει τθν τάςθ να είναι μεγαλφτερο από τθν τάξθ μζςου μεγζκουσ που περιζχει τα περιςςότερα CCN. Αυτό οδθγεί ςε μια ελαφρά υπερεκτίμθςθ όταν θ αποτελεςματικότθτα CCN υπολογίηεται με τθν χριςθ τθσ ςφνκεςθσ μζςου μεγζκουσ. 41

49 Εικ. 4 Η ςφςταςθ αιωροφμενων ςωματιδίων (PM 2.5 ) από ζνα πλατφ εφροσ δειγματολθψίασ για διάφορα περιβάλλοντα Ζνασ μεγάλοσ αρικμόσ παρατθριςεων και πρότυπων μελετϊν υποδεικνφουν επίςθσ ότι, μετά από κάποια «ατμοςφαιρικι γιρανςθ», τα περιςςότερα ςωματίδια αναμειγνφονται εςωτερικά, τουλάχιςτον ςε κάποιον βακμό. Αυτό δεν κα πρζπει να το εκλάβουμε με τθν ζννοια του ότι το κάκε ςωματίδιο ςε μια δεδομζνθ τάξθ μεγζκουσ ζχει τθν ίδια, μεικτι ςφνκεςθ, αλλά ότι τα περιςςότερα ςωματίδια αποτελοφνται από μια ποικιλία διαλυτϊν και μθ διαλυτϊν οργανικϊν και ανόργανων ςυςτατικϊν, ςε κάπωσ μεταβλθτζσ αναλογίεσ. Αποδείξεισ για το γεγονόσ αυτό προζρχονται από τισ μελζτεσ Αναλυτι Κινθτικότθτασ Συνεχοφσ Υγροςκοπικοφ Διαφορικοφ (HTDMA) και από τισ μετριςεισ Φαςματογράφου Μάηασ Αερολυμάτων (AMS), οι οποίεσ δείχνουν ότι ςε όλθ τθν τροπόςφαιρα, ςχεδόν όλα τα ςωματίδια περιζχουν τόςο οργανικζσ όςο και κειικζσ ουςίεσ. Μόνο κοντά ςε πθγζσ, ιδιαίτερα ςτον αςτικό αζρα, βρίςκουμε ενδείξεισ για τθν φπαρξθ ενόσ εξωτερικά αναμεμειγμζνου, προερχόμενου από καφςθ ςυςτατικοφ, που κυριαρχείται από υδρογονάνκρακεσ και ςωματίδια αικάλθσ, το οποίο αρχικά παρουςιάηει ελάχιςτο, ι κακόλου υγροςκοπικό χαρακτιρα. Επειδι το SO 2 και τα NO x, εκλφονται ςυνικωσ μαηί με τα πρωτεφοντα αυτά ςωματίδια, θ ςυμπφκνωςθ 42

50 του H 2 SO 4 και του HNO 3 ςτα αρχικά μθ διαλυτά ςωματίδια κα προςκζςει γριγορα κάποια διαλυτά υλικά. Θα πρζπει να ςθμειωκεί ότι τα ςωματίδια μποροφν να δράςουν ωσ CCN ακόμα και αν περιζχουν μόνο μια αρκετά μικρι ποςότθτα (γφρω ςτο 5%) μιασ πολφ ευδιάλυτθσ ουςίασ, οφτωσ ϊςτε τα ςωματίδια που μπορεί με μερικζσ τεχνικζσ να ταξινομθκοφν ωσ υδρόφοβα και εξωτερικά αναμεμειγμζνα, να εξακολουκοφν να ζχουν τθ δυνατότθτα να ςυμπεριφζρονται ωσ υδρόφιλα, εςωτερικά αναμεμειγμζνα ςωματίδια ςε ζνα νζφοσ. Κατά ςυνζπειαν, ςχεδόν όλα τα ςωματίδια περιζχουν κάποιο υγροποιοφμενο ςυςτατικό το οποίο κα υποβοθκιςει τθν αρχικι ςυγκράτθςθ νεροφ και τθν αφξθςθ, ακόμα και ςωματιδίων που κυριαρχοφνται από δυςδιάλυτεσ οργανικζσ ενϊςεισ. Τζτοιεσ δυςδιάλυτεσ ενϊςεισ αποτελοφν ζνα ςθμαντικό κλάςμα του ποςοςτοφ των οργανικϊν αερολυμάτων και εμφανίηονται ωσ μθ διαλυτζσ ςε πειράματα που προςδιορίηουν τθ ςυγκράτθςθ νεροφ κάτω από υποκορεςμζνεσ ςυνκικεσ (ςυνικωσ μζχρι 80% RH), με ζναν HTDMA, όπωσ αυτόσ των Lehmann (2005). Θ παρουςία δυςδιάλυτων και επιφανειακϊν δραςτιριων ουςιϊν κα δροφςε ϊςτε να αυξιςει τθ δραςτθριότθτα CCN των ςωματιδίων και να μειϊςει περαιτζρω τθν επίδραςθ τθσ ςφνκεςθσ ςτθ δραςτθριότθτα CCN λόγω των δυνάμεων αντίδραςθσ του μεγαλφτερου μοριακοφ βάρουσ και τθσ μειωμζνθσ επιφανειακισ τάςθσ. Θα πρζπει ςε κάποιο βακμό να λάβουμε υπόψιν το γεγονόσ ότι είναι θ γραμμομοριακι και όχι θ μαηικι ςυγκζντρωςθ των διαλυμζνων ουςιϊν αυτι που κακορίηει τθν ζκταςθ του όρου Raoult. Ωσ εκ τοφτου, τα άλατα που διαςπϊνται ςε ιόντα χαμθλοφ μοριακοφ βάρουσ ςυμβάλλουν περιςςότερο ανά μονάδα μάηασ ςτον αρικμό μορίων ςε διάλυμα και ωσ εκ τοφτου ςτθν ικανότθτα CCN, ςε ςφγκριςθ με τισ οργανικζσ ουςίεσ μεγαλφτερων μοριακϊν βαρϊν. Αυτό είναι παρόλα ταφτα μόνο μια μικρι επίδραςθ κάτω από τισ ςυνθκιςμζνεσ ςυνκικεσ. Φτάνουμε ωσ εκ τοφτου ςτο ςυμπζραςμα ότι το μζγεκοσ των ςωματιδίων είναι θ κυρίαρχθ ιδιότθτα ςτον ζλεγχο τθσ μεταβλθτότθτασ τθσ δραςτθριότθτασ CCN και ότι οι κφριεσ επιδράςεισ τθσ μεταβολισ τθσ ςφνκεςθσ (διαλυτότθτα, μοριακό βάροσ, επιφανειακι τάςθ, κτλ) ζχουν τθν τάςθ να αλλθλοεξουδετερϊνονται ςε ρεαλιςτικά μείγματα αιωροφμενων ςωματιδίων. 43

51 Θα πρζπει παρόλα ταφτα να κυμόμαςτε ότι θ ανάλυςθ αυτι αναφζρεται κυρίωσ ςτα δυνατά CCN, δθλαδι ςε αυτά που κα μποροφν να πυρθνϊςουν υπό ςυνκικεσ όπου θ δυναμικι τθσ πυρινωςθσ και θ διακεςιμότθτα υδρατμϊν δεν κα ζπαιηαν κανζνα ρόλο. Υπό περιςςότερο ρεαλιςτικζσ ςυνκικεσ οι διάφορεσ χθμικζσ επιδράςεισ (διαλυτά αζρια, επιφανειοδραςτικζσ ουςίεσ, επιφανειακζσ μεμβράνεσ κτλ) εξακολουκοφν να μποροφν να μεταβάλουν ςε μεγάλο βακμό των αρικμό των ςταγονιδίων που πραγματικά πυρθνϊνονται και μποροφν να οδθγιςουν ςε επιλεκτικι ενεργοποίθςθ διάφορων τάξεων ςφνκεςθσ. Ρρότυποι υπολογιςμοί νεφϊν που λαμβάνουν υπόψιν τισ επιδράςεισ τθσ δυναμικισ και τουσ περιοριςμοφσ των υδρατμϊν, ειςθγοφνται ότι οι δυςδιάλυτεσ ουςίεσ ςυμπεριφζρονται ουςιαςτικά με τον ίδιον ακριβϊσ τρόπο με τισ πολφ ευδιάλυτεσ, εφόςον υπάρχει παρουςία τουλάχιςτον μιασ μικρισ ποςότθτασ διαλυτισ φλθσ ωσ εςωτερικό μείγμα. Από τθν άλλθ, μερικοί ςυγγραφείσ ζχουν ειςθγθκεί ότι θ παρουςία αδιάλυτων μεμβρανϊν μπορεί να οδθγιςει ςε κακυςτερθμζνθ, ι πιο αργι ανάπτυξθ των ςταγονιδίων, μεταβολζσ ςτα ενεργοποιθμζνα κλάςματα και καταςτολι τθσ ενεργοποίθςθσ ςυγκεκριμζνων υποομάδων αιωροφμενων ςωματιδίων. 44

52 4.2.3 Παραμετροποίθςθ και αναπαράςταςθ των CCN ιδιοτιτων των αιωροφμενων ςωματιδίων Στο προθγοφμενο μζροσ δείξαμε ότι οι πιο αξιόπιςτοι παράγοντεσ πρόβλεψθσ τθσ ικανότθτασ ενόσ ςωματιδίου να δρα ωσ CCN είναι το μζγεκοσ και το κλάςμα διαλυτισ φλθσ που περιζχει, δθλαδι ο αρικμόσ μορίων που μποροφν να ειςζλκουν ςε διάλυμα ανά μονάδα όγκου του υλικοφ του ςωματιδίου. Το κλάςμα διαλυμζνθσ ουςίασ μπορεί να μετρθκεί και να εκφραςτεί με διάφορουσ τρόπουσ. Για ςωματίδια με πλιρωσ γνωςτι ςφνκεςθ, ο αρικμόσ διαλυμζνων μορίων ανά μονάδα όγκου μπορεί να απορρζει από τισ βαςικζσ χθμικζσ πλθροφορίεσ και μπορεί ζπειτα να μετατραπεί ςτον αντίςτοιχο αρικμό μορίων μιασ διαλυμζνθσ ουςίασ αναφοράσ, όπωσ θ κειϊκι αμμωνία. Ραρόλα ταφτα, θ διακεςιμότθτα ςχετικϊν κερμοδυναμικϊν πλθροφοριϊν για πολλζσ ατμοςφαιρικά ςχετικζσ ουςίεσ και ιδιαίτερα των ςτακερϊν διάςπαςισ τουσ και των ςυντελεςτϊν δραςτθριότθτάσ τουσ, είναι περιοριςμζνθ. Τα περιβάλλοντα ςωματίδια περιζχουν ζναν μεγάλο αρικμό ενϊςεων, ιδιαίτερα ςτο οργανικό κλάςμα, πολλζσ, ι περιςςότερεσ από τισ οποίεσ είναι άγνωςτεσ, μθ μετριςιμεσ ξεχωριςτά και χωρίσ διακζςιμεσ κερμοδυναμικζσ πλθροφορίεσ. Αυτό κακιςτά αδφνατθ τθν παραγωγι ενόσ διαλυτοφ κλάςματοσ από τισ βαςικζσ αρχζσ για τζτοια ςωματίδια. Κατά ςυνζπειαν, ζχουν χρθςιμοποιθκεί εμπειρικζσ τεχνικζσ για τθν διαπίςτωςθ τθσ υγροςκοπικότθτασ των αιωροφμενων ςωματιδίων και τα υδατοδιαλυτά κλάςματα εξάχκθκαν από τισ μετριςεισ αυτζσ. Γενικά, οι προςεγγίςεισ αυτζσ μποροφν να μοιραςτοφν ςε τεχνικζσ που λειτουργοφν ςε υποκορεςμζνα (RH<100%) και υπερκορεςμζνα (RH>100%) περιβάλλοντα. Θ πιο κοινι τεχνικι ςτο υπερκορεςμζνο περιβάλλον είναι ο Αναλυτισ Κινθτικότθτασ Συνεχοφσ Υγροςκοπικοφ Διαφορικοφ (HTDMA), ο οποίοσ μετράει τθν αφξθςθ των ςωματιδίων ωσ λειτουργία τθσ RH. Το πλεονζκτθμα τθσ τεχνικισ αυτισ είναι ότι αποκτοφνται πλθροφορίεσ ςε ςχζςθ με τθ υγροςκοπικότθτα που είναι κακοριςμζνεσ ςε ςχζςθ με το μζγεκοσ, ενϊ μερικζσ εναλλακτικζσ τεχνικζσ, ιδιαίτερα θ χριςθ τθσ νεφελομετρίασ για τον προςδιοριςμό τθσ αφξθςθσ τθσ ςκζδαςθσ φωτόσ ωσ μιασ λειτουργίασ τθσ RH, δίνουν μζςο όρο πάνω από ολόκλθρο τον πλθκυςμό των αιωροφμενων ςωματιδίων. Τα αποτελζςματα αυτϊν των μετριςεων υγροςκοπικότθτασ ζχουν εκφραςτεί με τθν χριςθ διάφορων ςχετικϊν 45

53 παραμζτρων. Το κλάςμα του όγκου διαλυμζνθσ ουςίασ, ε, μπορεί να οριςτεί ωσ το κλάςμα όγκου ενόσ πρότυπου άλατοσ (πχ (NH4)2SO4, NaCl)), ςε ζνα ξθρό ςωματίδιο που αποτελείται από το πρότυπο άλασ και ζναν αδιάλυτο πυρινα, ϊςτε το πρότυπο ςωματίδιο να ζχει τθν ίδια υγροςκοπικι ανάπτυξθ με το πραγματικό ςωματίδιο. Μια εναλλακτικι παράμετροσ είναι θ κ, που ορίηεται από τον Rissler., ωσ ο αρικμόσ διαλυτϊν γραμμομορίων ιόντων, ι μθ διαςπϊμενων μορίων ανά μονάδα όγκου ξθροφ ςωματιδίου. Οι Petters και Kreidenweis πρότειναν μια ςχετιηόμενθ παράμετρο υγροςκοπικότθτασ, θ οποία ςυμπτωματικά επίςθσ ονομάςτθκε κ, θ οποία ςυςχετίηει τον όγκο νεροφ που προςλαμβάνει ζνα ςωματίδιο, με τθν δραςτθριότθτα νεροφ. Ραρακάτω, κα χρθςιμοποιιςουμε τθν κ όπωσ ορίηεται από τουσ Petters και Kreidenweis μζςω τθσ επίδραςισ τθσ ςτθ δραςτθριότθτα νεροφ aw του διαλφματοσ: 1 a w = 1 + κ V S V w όπου Vs είναι ο όγκοσ τθσ ξθράσ ςωματιδιακισ φλθσ και Vw είναι ο όγκοσ του νεροφ. Οι τιμζσ κυμαίνονται από περίπου 1.2 για το NaCl και 0.6 για το (NH4)SO4, μζχρι το μθδζν για τα πλιρωσ μθ διαλυτά ςωματίδια. Ραραγόμενα ςε εργαςτιριο, δευτερεφοντα οργανικά αερολφματα (SOA) και περιβάλλοντα οργανικά αερολφματα ζχουν τιμι κ=~ και αερολφματα καιόμενθσ βιομάηασ κυμαίνονται από περίπου 0.01 για κάποιουσ πολφ φρζςκουσ καπνοφσ που περιζχουν κυρίωσ ςωματίδια αικάλθσ, μζχρι 0.55 για αερολφματα από γραςίδι που καίγεται. Τα διακζςιμα δεδομζνα από βιομάηα που καίγεται μασ υποδεικνφουν ότι μετά από μια ςφντομθ γιρανςθ, τα περιςςότερα πυρογενι αιωροφμενα ςωματίδια κα ζχουν τιμζσ κ εντόσ του φάςματοσ Στθν εικόνα 5, παρουςιάηεται μια ςφνοψθ των τιμϊν κ που απορρζει από διάφορεσ πθγζσ. Τα δεδομζνα που αποτυπϊνονται ςτο ςχιμα αυτό δείχνουν ότι τα θπειρωτικά αειωροφμενα ςωματίδια εμπίπτουν ςε μια περιοριςμζνθ περιοχι τιμϊν κ γφρω ςτο 0.3, κάτι που ςυμφωνεί με τθν ειςιγθςθ του Dusek ότι για τζτοια αερολφματα ο υπολογιςμόσ τθσ ςφνκεςθσ 46

54 μπορεί να γίνει με ςχετικά καλι ακρίβεια, και ότι θ δραςτθριότθτα CCN των ςωματιδίων ελζγχεται κυρίωσ από το μζγεκοσ των ςωματιδίων. Εικ. 5 Υπολογιςμζνεσ κατά μζςο όρο ςχζςεισ μεταξφ τθσ διαμζτρου αιωροφμενων ςωματιδίων και κρίςιμου υπερκορεςμοφ Γιγάντια CCN Ιδιαίτερο ενδιαφζρον ζχει το μικρό κλάςμα ςωματιδίων που μπορεί να ενεργοποιθκεί και να λειτουργιςει ωσ CCN ακόμα και ςε πολφ μικροφσ βακμοφσ υπερκορεςμοφ (<0.02%). Θ Εικόνα 1 δείχνει ότι τα ςωματίδια αυτά πρζπει να ζχουν ςχετικά μεγάλεσ ξθρζσ διαμζτρουσ (>~1μm). Στθ βάςθ του νζφουσ, κα είναι τα πρϊτα που κα ενεργοποιθκοφν, κα αυξάνονται εφκολα λόγω τθσ μεγάλθσ επιφάνειάσ τουσ και ωσ εκ τοφτου κα μειϊνουν τον μζγιςτο υπερκορεςμό ςτα νζφθ. Ωσ αποτζλεςμα αυτοφ, μπορεί να παρεμποδίςουν τθν ενεργοποίθςθ των μικρότερων ςωματιδίων και να διαδραματίςουν ζτςι 47

55 ζναν μεγαλφτερο ρόλο ςτθ διαμόρφωςθ τθσ μικροφυςικισ των νεφϊν, από ότι υποδεικνφουν οι χαμθλοί αρικμοί των ςυγκεντρϊςεϊν τουσ. Θ γριγορθ ανάπτυξι τουσ τουσ επιτρζπει επίςθσ να διαδραματίςουν ζναν ςθμαντικό ρόλο ςτον ςχθματιςμό υετοφ υπό ςυνκικεσ όπου υψθλζσ ςυγκεντρϊςεισ ρφπων CCN κα μποροφςε διαφορετικά να καταςτείλει τθν παραγωγι κερμισ βροχισ, όπωσ πάνω από περιοχζσ μολυςμζνων ωκεανϊν. Θ πιο κοινι πθγι αυτϊν των γιγάντιων CCN είναι ο μθχανιςμόσ δθμιουργίασ ςταγονιδίων καλάςςθσ πάνω από τον ωκεανό, όπου ςυμβάλλουν κατά μερικζσ ποςοςτιαίεσ μονάδεσ ςτον πλθκυςμό των γιγάντιων CCN. Επίγειεσ πθγζσ υπάρχουν με τθν μορφι μεγάλων ςωματιδίων ςτάχτθσ από το κάψιμο βιομάηασ, ςωματίδια άλατοσ από αλυκζσ που εξατμίηονται και ορυκτά ςωματίδια που περιζχουν, ι είναι επικαλυμμζνα με κειϊκζσ ι νιτρικζσ ενϊςεισ. Μια κάπωσ αναπάντεχθ ιδιότθτα των ςωματιδίων αυτϊν είναι ότι πολφ ςυχνά εμφανίηονται με τθν μορφι εςωτερικϊν μειγμάτων καλαςςινοφ αλατιοφ, ςκόνθσ και κειικϊν ενϊςεων. Μια περαιτζρω πικανι πθγι GCCN είναι θ εκπομπι πολφ μεγάλων ςωματιδίων ςτάχτθσ από φωτιζσ βιομάηασ. Αυτά τα ςωματίδια ςτάχτθσ περιζχουν ζνα μεγάλο κλάςμα διαλυτϊν ουςιϊν, κυμαίνονται ςε μζγεκοσ από μερικά μικρόμετρα μζχρι ακόμα και μερικά εκατοςτά και μποροφν να παραμείνουν αιωροφμενα για ςχετικά μεγάλο χρόνο (λεπτά μζχρι ϊρεσ), λόγω τθσ χαμθλισ τουσ πυκνότθτασ και του ελικοειδοφσ τουσ ςχιματοσ. Σε αντίκεςθ με τισ διαλυτζσ επιςτρϊςεισ που επιτρζπουν ςτα ςωματίδια ςκόνθσ να δρουν ωσ GCCN, οι υδρόφοβεσ επιςτρϊςεισ με ενϊςεισ που ςχθματίηουν μεμβράνεσ μπορεί να επιβραδφνουν τθ ςυγκράτθςθ νεροφ και να μειϊςουν, ι να απαλείψουν τθν ικανότθτα του GCCN να υπερβαίνει τον υπόλοιπο πλθκυςμό του CCN. Τζτοιεσ επιςτρϊςεισ μπορεί να προζρχονται από οργανικά υλικά ςτισ μικροςτρϊςεισ τθσ επιφάνειασ τθσ κάλαςςασ, ι από ανκρωπογενι ρφπανςθ. Θ επίδραςθ αυτι ζχει μζχρι ςτιγμισ παρουςιαςτεί μόνο ςε πρότυπουσ υπολογιςμοφσ και δεν ζχει επικυρωκεί πειραματικά. 48

56 4.3 Πυρινωςθ ςωματιδίων πάγου ςε ψυχρά νζφθ Tα ςωματίδια πάγου μποροφν να ςχθματιςτοφν ςτθν ατμόςφαιρα με μια πλθκϊρα διαδικαςιϊν. Στθν απλοφςτερθ περίπτωςθ, που ονομάηεται ομογενισ ψφξθ, τα ζμβρυα πάγου πυρθνϊνονται άμεςα από τθν υγρι φάςθ χωρίσ τθν ανάμειξθ πυρινων ςτερεοφ πάγου. Για υπερψυγμζνα ςταγονίδια διαλυμζνθσ ουςίασ, όπωσ αυτά που υπάρχουν ςυνικωσ ςε βακιά εξ ανοδικισ μεταφοράσ κερμότθτασ ςφννεφα, αυτό εμφανίηεται ςτουσ -36, με -38 C. Στθν περίπτωςθ των υγρϊν αιωροφμενων ςωματιδίων με υψθλζσ ςυγκεντρϊςεισ διαλυμζνθσ φλθσ, όπωσ πχ μερικοί τφποι κυςάνων, ι πολικϊν ατμοςφαιρικϊν νεφϊν, θ ομογενισ ψφξθ απαιτεί ακόμα χαμθλότερεσ κερμοκραςίεσ. Στερεά, μθ διαλυτά ςωματίδια με κατάλλθλθ επιφανειακι δομι, μποροφν να προκαλζςουν τθν ζναρξθ τθσ ψφξθσ ςε κερμοκραςίεσ πολφ πάνω από τισ τυπικζσ για τθν ομογενι ψφξθ και ονομάηονται πυρινεσ πάγου. Τζτοια ςωματίδια είναι ςπάνια: ςυνικωσ λιγότερα από ζνα ανά εκατομμφριο μποροφν να δρουν ωσ ΙΝ. Ζχουν προτακεί αρκετοί μθχανιςμοί ετερογενοφσ ψφξθσ. Θ ψφξθ απορρόφθςθσ παρουςιάηεται όταν ζνα ςωματίδιο ΙΝ απορροφάται από ζνα υγρό ςταγονίδιο και προκαλεί τθν ζναρξθ τθσ ψφξθσ, ενϊ θ ψφξθ επαφισ αφορά τθ ςφγκρουςθ ενόσ ςωματιδίου ΙΝ με ζνα υγρό ςταγονίδιο. Θ ςυμπφκνωςθ υδρατμοφ πάνω ςε ζνα ςωματίδιο μπορεί να ζχει ωσ αποτζλεςμα είτε τθν αποκετικι πυρινωςθ, όπου ο πάγοσ ςχθματίηεται άμεςα ωσ ςτερεά φάςθ κατά τθ διαδικαςία τθσ ςυμπφκνωςθσ, ι τθν ψφξθ ςυμπφκνωςθσ, όπου θ ςυμπφκνωςθ παράγει μια αρχικι υγρι φάςθ θ οποία ζπειτα παγϊνει. Εργαςτθριακζσ μελζτεσ ζχουν δείξει ότι τα ςωματίδια ςκόνθσ από ορυκτά υλικά είναι αποτελεςματικά ΙΝ. Αυτό μπορεί να γίνει και με τουσ τζςςερισ μθχανιςμοφσ που δίνονται παραπάνω και ςτθν περίπτωςθ που τα ςωματίδια ςκόνθσ περιζχουν διαλυτζσ ουςίεσ, μπορεί να ευνοθκεί θ ψφξθ. Αφοφ τζτοια ςωματίδια μποροφν να δρουν τόςο ωσ ΙΝ, όςο και ωσ GCCN, κα υπάρχει ςυναγωνιςμόσ μεταξφ τθσ γριγορθσ αρχικισ ανάπτυξθσ και τθσ απόκεςθσ των ςωματιδίων αυτϊν ωσ μεγάλα υγρά ςταγονίδια από τθ μια, και ανφψωςθσ 49

57 ςτο επίπεδο τθσ ψφξθσ από τθν άλλθ, όπου και μποροφν να προωκιςουν τον ςχθματιςμό πάγου. Ρρωτογενι βιογενι ςωματίδια, όπωσ πχ. βακτθρίδια, γφρθ και ςπόροι μποροφν επίςθσ να προκαλζςουν τον ςχθματιςμό πάγου ςε κερμοκραςίεσ αρκετά πάνω από το εφροσ τιμϊν τθσ ομογενοφσ ψφξθσ. Θ πυρινωςθ πάγου ςε ςωματίδια αικάλθσ είναι περιςςότερο περίπλοκθ ενϊ τα ςχετικϊσ κακαρά ςωματίδια αικάλθσ εμφανίηονται να ζχουν τθν ικανότθτα να προκαλοφν τον ετερογενι ςχθματιςμό πάγου από υδρατμοφσ (αν και ςε πολφ ψθλότερουσ υπερκορεςμοφσ από ότι θ ορυκτι ςκόνθ), θ ικανότθτα αυτι φαίνεται να μειϊνεται με τθν παρουςία οργανικϊν ουςιϊν, ι κειικοφ οξζωσ. Ο τελευταίοσ τφποσ ςωματιδίου πυρθνϊνεται πρϊτα ωσ ζνα υγρό ςταγονίδιο νζφουσ και υπόκειται τελικά ςε ομογενι ψφξθ του υπερψυγμζνου διαλφματοσ που ςυνδζεται με το ςωματίδιο αικάλθσ. Επειδι τα ςωματίδια αικάλθσ εκλφονται ςυνικωσ μαηί με διαλυτό οργανικό άνκρακα και τισ πρόδρομεσ ουςίεσ κειικϊν και νιτρικϊν αερολυμάτων, θ εςωτερικι ανάμειξθ και θ ςυμπφκνωςθ των διαλυτϊν ανόργανων ουςιϊν λαμβάνουν χϊρα ςχετικά γριγορα και τα γυμνά ςωματίδια αικάλθσ είναι ςχετικά ςπάνια, ακόμα και ςε ςχετικά παλαιωμζνεσ μάηεσ αζρα. Κατά ςυνζπειαν, ο ρόλοσ των ςωματιδίων αικάλθσ ωσ ΙΝ περιορίηεται πικανότατα ςτον ςχθματιςμό κυςάνου με τθν ομογενι ψφξθ, παρουςία μερικϊν αποτελεςματικϊν πυρινων ςκόνθσ πάγου. Θεωρείται γενικά ότι θ οργανικι φλθ παρακωλφει τθν πυρινωςθ του πάγου και ζχει αποδειχκεί εργαςτθριακά ότι τα οργανικά ςωματίδια πιηουν μόνο ςε χαμθλζσ κερμοκραςίεσ με ομογενι πιξθ. Ραρόλα ταφτα, ζχει προτακεί πρόςφατα ότι το οξαλικό οξφ κα μποροφςε να κρυςταλλοποιείται από ςταγονίδια κυςάνου που πιηουν, να παραμζνουν κρυςταλλικά μετά τθν εξάχνωςθ του υδρατμοφ και κατά ςυνζπειαν, να δρουν ωσ ετερογενείσ πυρινεσ πάγου. Ραρόλα αυτά, παραμζνει θ επικφρωςθ του μθχανιςμοφ αυτοφ με παρατθριςεισ. Μελζτεσ ςτισ οποίεσ ςωματίδια που προκαλοφν τθν ζναρξθ τθσ ψφξθσ ζχουν απομονωκεί από τον περιβάλλοντα αζρα και ζχουν καταμετρθκεί, υπζδειξαν 50

58 ότι τα ΙΝ αντιπροςωπεφουν ζνα πολφ μικρό υποςφνολο του ςυνολικοφ πλθκυςμοφ αιωροφμενων ςωματιδίων. Τζτοια ςωματίδια ΙΝ είναι ςυνικωσ παρόντα ςε ςυγκεντρϊςεισ των 0.01 cm -3, ι μικρότερεσ, που είναι πολλζσ τάξεισ μεγζκουσ κάτω από τουσ ςυνθκιςμζνουσ αρικμοφσ ςυγκεντρϊςεων των αερολυμάτων. Θ αποκλειςτικότθτα αυτι απζδωςε ζνα αξιοςθμείωτο μυςτιριο ςτουσ πυρινεσ πάγου και ζνασ μεγάλοσ αρικμόσ μελετϊν προςπάκθςε να αποκαλφψει τθν ταυτότθτά τουσ. Οι παλαιότερεσ μελζτεσ εξζκεςαν δείγματα αερολφματοσ ςε φίλτρα, ςε υπερκορεςμζνο υδρατμό ςε κερμοκραςίεσ κάτω από το ςθμείο ψφξθσ. Οι πιο πρόςφατεσ εργαςίεσ ζχουν γίνει κυρίωσ με τθν εξάτμιςθ ςωματιδίων πάγου που λιφκθκαν από νζφθ με τθ χριςθ του κροφςτθ εικονικισ αντιρροισ (CVI). Οι περιςςότερεσ από τισ μελζτεσ αυτζσ ζγιναν ςε κυςςανϊδθ νζφθ και βρικαν με ςυνζπεια ότι μια μεγάλθ πλειοψθφία (>90%) των υπολειμμάτων ςωματιδίων πάγου, ιταν ςτο υπομικρομετρικό εφροσ μεγζκουσ (κυρίωσ <100nm) και ότι τα περιςςότερα από τα ςωματίδια αυτά (60-90%) ιταν πτθτικά ςτουσ 250 C, κάτι που υποδεικνφει ότι αποτελοφνται από κειικζσ ενϊςεισ. Τα ςωματίδια μαφρου άνκρακα (αικάλθσ) ιταν το άλλο κφριο ςυςτατικό ςτα υπομικρομετρικά ςωματίδια υπολειμμάτων κυςάνου. Τα μεγαλφτερα κλάςματα μεγζκουσ κυριαρχοφνταν από πυριτικά ορυκτά και ορυκτά οξειδίων ςιδιρου, οργανικά ςωματίδια και καλαςςινό αλάτι. Θα πρζπει να ςθμειωκεί ότι αυτόσ ο τφποσ μελζτθσ δεν κάνει διαφοροποίθςθ μεταξφ CCN και ΙΝ. Οποιοδιποτε αιωροφμενο ςωματίδιο που αναπτυςςόταν ςε ςωματίδιο πάγου, τόςο με ομογενι, όςο και με ετερογενι ψφξθ, ανιχνεφεται με τθν τεχνικι αυτι, αςχζτωσ μιασ ειδικισ ικανότθτασ του ςωματιδίου να προκαλεί ψφξθ. Κατά ςυνζπειαν, θ ςφνκεςθ των υπολειμμάτων των ςωματιδίων πάγου των οποίων θ δειγματολθψία ζγινε ςτισ χαμθλότερεσ κερμοκραςίεσ (<-35 C), όπου επικρατεί θ ομογενισ ψφξθ, είναι πολφ παρόμοια με αυτό που κα αναμζναμε να είναι ο πλθκυςμόσ CCN. Δείγματα των οποίων θ λιψθ ζγινε ςε ψθλότερεσ κερμοκραςίεσ, γφρω ςτουσ -25 με -35 C, περιζχουν περιςςότερα μθ διαλυτά, υπολειμματικά ςωματίδια, κάτι που υποδεικνφει ότι θ ετερογενισ ψφξθ ζχει διαδραματίςει ζναν πιο ςθμαντικό ρόλο. Ρρόςφατα, ζχει εκδοκεί ζνασ μεγάλοσ αρικμόσ μελετϊν ςτισ οποίεσ κρφςταλλοι πάγου πυρθνϊκθκαν ςε περιβάλλοντα αιωροφμενα ςωματίδια, 51

59 πάνω ςε αεροςκάφθ, ι ςε ορεινζσ τοποκεςίεσ. Θ τεχνικι αυτι, ο κάλαμοσ διάχυςθσ ςυνεχοφσ ροισ, μπορεί να απομονϊςει τα ςωματίδια που προκαλοφν ετερογενι πυρινωςθ του πάγου. Μετά τθν εξάτμιςθ του πάγου, οι πυρινεσ αναγνωρίςτθκαν με SEM-EDX, ι με ζναν φαςματογράφο μάηασ αιωροφμενων ςωματιδίων. Οι μελζτεσ αυτζσ υποδεικνφουν ότι θ ορυκτι ςκόνθ, θ ιπτάμενθ ςτάχτθ, τα βιολογικά ςωματίδια, μερικά ςωματίδια που απορρζουν από καφςθ, κακϊσ και μεταλλικά ςωματίδια μετεωρικισ, ι τεχνικισ προζλευςθσ, αποτελοφν τθν πλειοψθφία του ΙΝ. Ο αρικμόσ ςυγκεντρϊςεων των ςωματιδίων αυτϊν ιταν πάντοτε χαμθλόσ (ςυνικωσ < cm -3 ) και ζφτανε τιμζσ κοντά ςτο 1 cm -3 μόνο ςε ςτιλεσ ςκόνθσ. Συνοψίηοντασ, φαίνεται πωσ τα περιςςότερα ςωματίδια πάγου ςτθν ατμόςφαιρα ςχθματίηονται από ομογενι ψφξθ ςε κερμοκραςίεσ κοντά ςτουσ, ι κάτω από τουσ -37 C και ακολουκοφνται από τθν διαδικαςία πολλαπλαςιαςμοφ του πάγου. Υπάρχει παρόλα ταφτα ζνα μικρό, αλλά πολφ ςθμαντικό από απόψεωσ μικροφυςικισ των νεφϊν κλάςμα ςωματιδίων πάγου που αρχίηουν να ενεργοποιοφνται ςε κερμότερεσ κερμοκραςίεσ με τθ δράςθ των μθ διαλυτϊν ςτερεϊν ςωματιδίων με ευνοϊκζσ ιδιότθτεσ τθσ επιφάνειασ, το οποίο είναι οι πυρινεσ πάγου. Θ ορυκτι ςκόνθ, τα πρωτογενι βιογενι ςωματίδια και μερικά άλλα ανκρωπογενι ςωματίδια που απορρζουν από τθ βιομθχανία και τθν καφςθ, είναι τα πλζον κοινά ΙΝ και βρίςκονται πάντα ςε πολφ μικροφσ αρικμοφσ ςυγκεντρϊςεων ςε ςχζςθ με τθν ςυγκζντρωςθ των CCN. 52

60 4.4 Οι πθγζσ των CCN Για τθ μελζτθ τθσ ανκρϊπινθσ επίδραςθσ ςτα νζφθ και τον υετό, κα πρζπει να είμαςτε ικανοί να αντιπαραβάλουμε τουσ φυςικοφσ και ανκρωπογενείσ πλθκυςμοφσ των αιωροφμενων ςωματιδίων και να ποςοτικοποιιςουμε τισ φυςικζσ και ανκρωπογενείσ πθγζσ CCN. Θ δθμιουργία προτφπου για τον ρόλο των αιωροφμενων ςωματιδίων ςτισ διαδικαςίεσ των νεφϊν και του υετοφ, απαιτεί τθ γνϊςθ τθσ 4-D (χϊροσ και χρόνοσ) διανομισ του CCN και IN (ςε κακοριςμζνο S). Αυτό είναι ζνα πολφ πιο απαιτθτικό ζργο ςε ςχζςθ με αυτό που γινότανε ςε ςυμβατικά προγράμματα αερολυμάτων, που περιορίηονταν ςτθ διευκρίνθςθ των πθγϊν, των φορτίων και των κακιηιςεων ςε όρουσ μαηϊν ςυγκεκριμζνων ςυςτατικϊν αερολυμάτων, ι ςε είδθ. Λόγω τθσ μεγάλθσ μεταβλθτότθτασ ςτισ διανομζσ των μεγεκϊν, οι ςυγκεντρϊςεισ μάηασ και αρικμοφ των αιωροφμενων ςωματιδίων δεν ςυνδζονται με μοναδικό τρόπο. Στισ αλλθλεπιδράςεισ αερολυμάτων αερολυμάτων, οι μάηεσ είναι προςκετικζσ, ενϊ οι αρικμοί δεν είναι. Για παράδειγμα, θ πιξθ των ςωματιδίων ςυντθρεί τθ μάηα, ενϊ ο αρικμόσ μειϊνεται. Από τθν άλλθ, κατά τθ διάρκεια τθσ ςυμπυκνωτικισ αφξθςθσ των ςωματιδίων, ο αρικμόσ παραμζνει ςυνεχισ, ενϊ θ μάηα αυξάνεται. Πταν επικεντρωνόμαςτε ςτο υποςφνολο των ςωματιδίων που μποροφν να δράςουν ωσ CCN, προκφπτουν περαιτζρω επιπλοκζσ. Θ πιξθ δυο ςωματιδίων που είναι πολφ μικρά για να είναι CCN, μπορεί να παράγει ζνα CCN (αυξάνοντασ ζτςι τθ ςυγκζντρωςθ CCN, μειϊνοντασ ταυτόχρονα τθ ςυγκζντρωςθ ςωματιδίων), ενϊ θ πιξθ δυο CCN κα παριγαγε επίςθσ ζνα CCN (μειϊνοντασ τθ ςυγκζντρωςθ CCN και τθ ςυνολικι ςυγκζντρωςθ ςωματιδίων). Θ ςυηιτθςθ των πθγϊν και των διανομϊν CCN, κα πρζπει επίςθσ να λάβει υπόψιν το γεγονόσ ότι, μακρυά από πθγζσ, τα περιςςότερα αιωροφμενα ςωματίδια αναμειγνφονται εςωτερικά, τουλάχιςτον ςε κάποιον βακμό. Είναι αυτό το μείγμα που ορίηει τθν ικανότθτά τουσ να πυρνϊνουν ςταγονίδια νεφϊν. Για παράδειγμα, αν είχαμε ζνα κακαρό ςωματίδιο H 2 SO 4 και ζνα κακαρό ςωματίδιο αδιπικοφ οξζωσ (adipic acid) των 100 nm το κακζνα, μόνο το πρϊτο κα μποροφςε να είναι CCN ςε πραγματικζσ ςυνκικεσ υπερκορεςμοφ (<1%). Αν παίρναμε το ίδιο υλικό και από αυτό φτιάχναμε δυο μικτά 53

61 ςωματίδια (που μα περιζχουν τθν ίδια μάηα), κα μποροφςαμε να ζχουμε δυο πολφ αποτελεςματικά CCN. Για τισ επιδράςεισ των αερολυμάτων ςτα ςφννεφα, ακόμα και ςχετικά μικρζσ ποςότθτεσ διαλυτισ ουςίασ μζςα, ι πάνω ςε κατά τα άλλα μθ διαλυτά ςωματίδια, μπορεί να προκαλζςει μεγάλεσ διαφορζσ και θ κατάςταςθ ανάμειξθσ του αερολφματοσ δεν μπορεί να αγνοθκεί. Ζνα μικρό ποςοςτό τθσ μάηασ ςε ζνα ςωματίδιο αικάλθσ μπορεί να κάνει τθ διαφορά μεταξφ του κατά πόςον κα ςυμπεριφζρεται, ι όχι ωσ CCN. Ευτυχϊσ, ο ςυνικωσ μεγάλοσ βακμόσ εςωτερικισ ανάμειξθσ και θ απανταχοφ παρουςία τθσ ςυμπυκνωτικισ απόκεςθσ διαλυτϊν ειδϊν ςε αιωροφμενα ςωματίδια, υποδεικνφει επίςθσ ότι οι ακραίεσ καταςτάςεισ που περιγράφονται παραπάνω είναι κατά κάποιον τρόπο υποκετικζσ. Μετριςεισ υποδεικνφουν ότι ςε μεικτοφσ πλθκυςμοφσ αιωροφμενων ςωματιδίων, το μζγεκοσ είναι ζνασ καλόσ παράγοντασ πρόβλεψθσ τθσ ικανότθτασ CCN. Αυτό μειϊνει κατά κάποιον τρόπο το φορτίο τθσ πολυπλοκότθτασ που κα πρζπει να αναπαραςτακεί ςτισ παραμετροποιιςεισ των πθγϊν CCN. Επιπλζον, είναι δφςκολο να ποριςτεί θ ίδια θ ζννοια τθσ ιςχφοσ πθγισ για κάποιουσ τφπουσ αερολυμάτων, αφοφ τα είδθ δευτερευόντων αερολυμάτων (πχ κειϊδθ και δευτερεφοντα οργανικά) δεν εκλφονται άμεςα, αλλά ςχθματίηονται ςτθν ατμόςφαιρα από πρόδρομεσ ουςίεσ με τθ μορφι αερίων. Για τα είδθ αυτά, θ πθγι είναι ζνα ςφνολο ατμοςφαιρικϊν αντιδράςεων και όχι μια διαδικαςία επιφανειακισ ζκλυςθσ και ωσ εκ τοφτου υπάρχει μια ευαίςκθτθ εξάρτθςθ του ρυκμοφ παραγωγισ από τθν αποτελεςματικότθτα των αντιδράςεων αυτϊν. Κατά ςυνζπειαν, οι εκτιμιςεισ των πθγϊν αυτϊν των αιωροφμενων ςωματιδίων εξαρτϊνται ςε μεγάλο βακμό από το πϊσ γίνεται θ αναπαράςταςθ των διαδικαςιϊν των πθγϊν ςτα μοντζλα και ακόμα και από τθν ιςοτοπικι ςφςταςθ άλλων ειδϊν αερολυμάτων. Για αυτοφσ τουσ λόγουσ, μια αποτελεςματικι ανάλυςθ των πθγϊν και των φορτίων των ςωματιδίων που αλλθλεπιδροφν με τα νζφθ, κα πρζπει να ζχει τθ μορφι ενόσ περιεκτικοφ ατμοςφαιρικοφ μοντζλου που να περιζχει τισ εκλφςεισ των ειδϊν πρόδρομων αερίων και κυρίωσ των αερολυμάτων και αναφορζσ για τθν μεταφορά, τισ μεταμορφϊςεισ και τουσ όρουσ βφκιςθσ των πρόδρομων ειδϊν, κακϊσ και τισ αλλθλεπιδράςεισ των διάφορων ςυςτατικϊν των αερολυμάτων. Θ προςζγγιςθ αυτι απευκφνεται επίςθσ και ςτο πρόβλθμα ότι, εκτόσ από μερικζσ εξαιρζςεισ (πχ. ιπτάμενθ ςτάχτθ άνκρακα, ι 54

62 αιωροφμενα ςωματίδια από μεταλλουργικζσ εργαςίεσ), δεν υπάρχουν αμιγϊσ ανκρωπογενι ςωματίδια και τα περιςςότερα περιβάλλοντα ςωματίδια είναι μείγματα ανκρωπογενϊν και φυςικϊν ςυςτατικϊν. Ωσ εκ τοφτου, θ διαφοροποίθςθ μεταξφ των φυςικϊν και των ανκρωπογενϊν αιωροφμενων ςωματιδίων, κα πρζπει να βαςιςτεί ςε μια μελζτθ τθσ ζκταςθσ και τθσ κατανομισ των διάφορων φυςικϊν και ανκρωπογενϊν διαδικαςιϊν που οδθγοφν ςτθν ζκλυςθ, παραγωγι και τθν τροποποίθςθ αυτϊν. Θ φυςικζσ διαδικαςίεσ δεν διαχωρίηονται πάντα εφκολα από τισ ανκρωπογενείσ. Οι πυρκαγιζσ για παράδειγμα, υπιρχαν ςτθ γθ από τθν εξζλιξθ των χερςαίων φυτϊν πριν από περίπου 400 εκατομμφρια χρόνια, αλλά επί του παρόντοσ, θ ςυντριπτικι πλειοψθφία των πυρκαγιϊν βιομάηασ προκαλείται από τον άνκρωπο και ωσ εκ τοφτου τα πυρογενι αερολφματα κα πρζπει να κεωροφνται κυρίωσ ανκρωπογενι. Κατά παρόμοιο τρόπο, τα αερολφματα ορυκτισ ςκόνθσ ζχουν κινθτοποιθκεί ςε τεράςτιεσ ποςότθτεσ από τισ εριμουσ τθσ γθσ κατά τθ διάρκεια τθσ γεωλογικισ ιςτορίασ, αλλά θ προκλθκείςα από τον άνκρωπο αποςτακεροποίθςθ των εδαφϊν ςε ξθρζσ και θμίξθρεσ περιοχζσ ζχει ςαφϊσ αυξιςει τθ ροι ςκόνθσ ςε πολλζσ περιοχζσ. Θα πρζπει τϊρα να υιοκετιςουμε κάποιο ςχζδιο ταξινόμθςθσ των αιωροφμενων ςωματιδίων. Τα αιωροφμενα ςωματίδια ταξινομοφνται ποικιλοτρόπωσ, κυρίωσ βάςει προζλευςθσ, μεγζκουσ και χθμικισ ςφςταςθσ. Μια πολφ χριςιμθ για τον ςκοπό μασ ταξινόμθςθ είναι αυτι των πρωτογενϊν και δευτερογενϊν ςωματιδίων. Τα πρωτογενι ςωματίδια είναι εκείνα που εκλφονται άμεςα ςτθν ατμόςφαιρα, ωσ ςωματίδια (πχ. ςκόνθ και καλαςςινό αλάτι), ενϊ τα δευτερογενι ςωματίδια είναι το προϊόν τθσ μετατροπισ αζριων πρόδρομων ουςιϊν ςε αιωροφμενα ςωματίδια, πχ. θ οξείδωςθ του SO2 ςε H2SO4. Τα πρωτογενι αιωροφμενα ςωματίδια είναι πολφ ςθμαντικά για τα ιςοηφγια CCN, επειδι θ ζκλυςι τουσ ζχει ωσ αποτζλεςμα τθν άμεςθ αφξθςθ των αρικμϊν ςυγκεντρϊςεων των ςωματιδίων. Οι ροζσ εκπομπϊν τουσ και τα φορτία τουσ αναφζρονται περιλθπτικά ςτον πίνακα 1. Αφοφ τα περιςςότερα από αυτά είναι ςχετικά μεγάλα (>100 nm), είναι ςε ζνα μικρό εφροσ, όπου μποροφν να δράςουν ωσ CCN, εφόςον περιζχουν ακόμα και ζνα μζτριο διαλυτό κλάςμα. Για τον λόγο αυτόν, διαδραματίηουν ζναν ηωτικό ρόλο ςτο ιςοηφγιο των CCN και ςτισ ρυκμιηόμενεσ από τα νζφθ επιδράςεισ των 55

63 αιωροφμενων ςωματιδίων ςτο κλίμα. Τα δευτερογενι αιωροφμενα ςωματίδια από τθν άλλθ, ςχθματίηονται κυρίωσ από τθν απόκεςθ ςυμπυκνοφμενων ειδϊν, πχ H2SO4, θ οργανικϊν ενϊςεων χαμθλισ πτθτικότθτασ, πάνω ςε υφιςτάμενα ςωματίδια. Αυτό δεν αυξάνει τον αρικμό ςωματιδίων, αλλά μπορεί να αυξιςει το κλάςμα των CCN ςε ζνα δεδομζνο S. Πίνακασ 1 Οι εκπομπζσ, οι παραγωγζσ και οι επιβαρφνςεισ των αιωροφμενων ςωματιδίων υπολογιηόμενεσ το ζτοσ

64 Ο εναλλακτικόσ μθχανιςμόσ για τθν αφξθςθ του αρικμοφ ςωματιδίων ςτθν ατμόςφαιρα, είναι θ πυρινωςθ από τθν αζρια φάςθ, μια διαδικαςία θ οποία ζχει γίνει κατανοθτι ςε ελάχιςτο βακμό, παρά τθν εκτενι ζρευνα κατά τισ τελευταίεσ δεκαετίεσ. Στο θπειρωτικό οριακό ςτρϊμα, ζχουν παρατθρθκεί χαρακτθριςτικά ςυμβάντα πυρινωςθσ κυρίωσ υπό ςυνκικεσ όπου οι ςυγκεντρϊςεισ αερολυμάτων είναι πολφ χαμθλζσ και υπάρχει ωσ εκ τοφτου ελάχιςτθ δυνατότθτα για ςυμπυκνοφμενα είδθ, ιδιαίτερα για το H 2 SO 4, να αποτεκοφν ςε προχπάρχοντα ςωματίδια. Εναλλακτικά, ςυμβάντα πυρινωςθσ μποροφν να εμφανιςτοφν ακόμα και ςε μολυςμζνεσ περιοχζσ, όταν τα επίπεδα H 2 SO 4 αζριου είναι πολφ ψθλά, για παράδειγμα ςτο Ρεκίνο, ι ςτο Ρίτςμπεργκ. Στο καλάςςιο οριακό ςτρϊμα από τθν άλλθ, κεωρείται ςπάνια ςε κεωρθτικι βάςθ, θ πυρινωςθ νζων ςωματιδίων και δεν υπάρχουν παρά ελάχιςτεσ αποδείξεισ πεδίου για παραγωγι νζων ςωματιδίων ςτισ ςυνκικεσ αυτζσ. Θ άλλεσ κφριεσ ςυνκικεσ πυρινωςθσ βρίςκονται ςτθν ελεφκερθ τροπόςφαιρα, ιδιαίτερα ςτθν περιοχι εκτροχιαςμοφ των νεφϊν από τα ρεφματα αζρα, όπου θ αφαίρεςθ ςωματιδίων, θ χαμθλι κερμοκραςία και θ ψθλι υγραςία, ευνοοφν τθν πυρινωςθ. Τα ςωματίδια αυτά μποροφν να αναμειχκοφν μζςα ςτο οριακό ςτρϊμα και να ςτθρίξουν ςυγκεντρϊςεισ ςωματιδίων μερικϊν εκατοντάδων cm -3. Ενϊ τα ςωματίδια που μόλισ ζχουν πυρθνωκεί είναι αρχικά πολφ μικρά ϊςτε να ζχουν τθ δυνατότθτα να δρουν ωσ CCN, μποροφν να αυξθκοφν και να αποκτιςουν το απαραίτθτο μζγεκοσ με ςυμπφκνωςθ H 2 SO 4 και χαμθλισ πτθτικότθτασ οργανικϊν ενϊςεων. Από τθν άλλθ, παρουςία μιασ ουςιαςτικισ ςυγκζντρωςθσ προχπάρχοντων ςωματιδίων, ο αρικμόσ τουσ μειϊνεται με τθ διαδικαςία τθσ πιξθσ. 57

65 Οι κφριεσ πθγζσ των αιωροφμενων ςωματιδίων που δροφν ωσ CCN είναι : 1. Σκόνθ από το ζδαφοσ 2. Αλάτι από τθν κάλαςςα και αιωροφμενα ςωματίδια προερχόμενα από το καλάςςιο spray 3. Ρρωτογενι, παραχκζντα από ηωντανοφσ οργανιςμοφσ (βιογενι) αιωροφμενα ςωματίδια 4. Δευτερογενι, οργανικά αιωροφμενα ςωματίδια 5. Αιωροφμενα ςωματίδια από καιόμενθ βιομάηα 6. Αιωροφμενα ςωματίδια από τθν καφςθ ορυκτϊν καυςίμων 7. Θειϊκά άλατα Ρρόδρομεσ εκπομπζσ καυςαερίων Σχθματιςμόσ μορίων κειϊκοφ άλατοσ Βιογενείσ εκπομπζσ κείου και τα απομακρυςμζνα καλάςςια αιωροφμενα ςωματίδια 8. Δευτερεφοντα είδθ αιωροφμενων ςωματιδίων Βιομθχανικι ςκόνθ Νιτρικά άλατα 58

66 4.5 φγκριςθ ανκρωπογενϊν και φυςικϊν πθγϊν αιωροφμενων ςωματιδίων Για να αξιολογιςουμε τθν επίδραςθ των ανκρωπογενϊν αερολυμάτων ςτα νζφθ και ςτον ςχθματιςμό υετοφ, κα πρζπει να γνωρίηουμε ποιο κα ιταν το περιεχόμενο τθσ ατμόςφαιρασ ςε αιωροφμενα ςωματίδια, απουςία τθσ ανκρϊπινθσ δραςτθριότθτασ. Θ γνϊςθ τθσ ποςότθτασ αιωροφμενων ςωματιδίων πριν από τον άνκρωπο και πριν από τθ βιομθχανία είναι ιδιαίτερθσ ςθμαςίασ για μια αξιολόγθςθ του κατά πόςο θ επίδραςθ των αιωροφμενων ςωματιδίων ςτα νζφθ επθρεάηει το κλίμα, αφοφ οι ιδιότθτεσ των νεφϊν ανταποκρίνονται ςτα αερολφματα με ζναν μθ γραμμικό τρόπο και είναι πλζον ευαίςκθτα ςτθ προςκικθ ςωματιδίων, όταν θ ςυγκζντρωςθ του υπόβακρου είναι πολφ χαμθλι. Δυςτυχϊσ, είναι πολφ δφςκολο να αποκτθκοφν πλθροφορίεσ για τα φορτία αερολυμάτων απουςία ανκρϊπινθσ δραςτθριότθτασ. Μζχρι πρόςφατα, οποιαδιποτε περιβάλλον εκτόσ τθσ άμεςθσ γειτνίαςθσ πθγϊν ρφπανςθσ, κεωρείτο παρκζνο. Τϊρα είναι ςαφζσ ότι ιςχφει μάλλον το αντίκετο: Λόγω τθσ τεράςτιασ ποςότθτασ ανκρωπογενϊν εκπομπϊν αιωροφμενων ςωματιδίων και των αζριων πρόδρομων ουςιϊν τουσ, ςε ςυνδυαςμό με τθν αποτελεςματικι μεταφορά μεγάλθσ εμβζλειασ, είναι πολφ δφςκολθ θ εξεφρεςθ περιοχϊν ςτθ γθ, ιδιαίτερα ςτισ θπείρουσ, που δεν ζχουν υποςτεί τθν επίδραςθ των αερολυμάτων που προκαλοφν ρφπανςθ. Τα αιωροφμενα ςωματίδια ζχουν ςυνικεισ αναμενόμενουσ χρόνουσ ηωισ ςτθν ατμόςφαιρα διάρκειασ 3 10 θμερϊν, ανάλογα με το μζγεκοσ, τθ διαλυτότθτα, τθν τοποκεςίασ τουσ, κ.α. Αυτό δεν ςθμαίνει παρόλα αυτά, ότι μετά από αυτι τθ χρονικι περίοδο κα ζχουν αφαιρεκεί όλα τα ςωματίδια από τθν ατμόςφαιρα, αλλά ότι ο αρικμόσ τουσ κα ζχει μειωκεί ςε ζνα ςυγκεκριμζνο κλάςμα τθσ αρχικισ του τιμισ (ςυχνά μζχρι 37%, ι 1/e. Αυτό υπονοεί παρόλα αυτά, ότι ακόμα και μετά από 3 χρόνουσ ηωισ κα παραμείνει περίπου το 5% τθσ αρχικισ ποςότθτασ. Δεδομζνου ότι οι μάηεσ αζρα μποροφν να ταξιδεφςουν εφκολα αρκετζσ χιλιάδεσ χιλιόμετρα μζςα ςε 15 θμζρεσ και ότι τουλάχιςτον ςτο βόρειο θμιςφαίριο, πολφ λίγα μζρθ απζχουν περιςςότερο από μερικζσ 59

67 χιλιάδεσ χιλιόμετρα από μεγάλεσ πθγζσ ρφπανςθσ, δεν υπάρχουν πραγματικά μζρθ όπου μποροφμε να αναμζνουμε να βροφμε πραγματικά παρκζνεσ ςυνκικεσ ςτο βόρειο θμιςφαίριο. Αυτό υπολογίηεται από πρότυπουσ υπολογιςμοφσ, οι οποίοι δείχνουν ότι δεν υπάρχει περιοχι χωρίσ ςθμαντικι ανκρωπογενι κειϊκι ρφπανςθ, πουκενά πάνω από το βόρειο θμιςφαίριο Παρατθριςεισ αιωροφμενων ςωματιδίων ςτθν απόμακρθ ατμόςφαιρα Οι ςυγκεντρϊςεισ αερολυμάτων που προςεγγίηουν τισ παρκζνεσ ςυνκικεσ βρίςκονται ευκολότερα πάνω από ωκεανοφσ, ιδιαίτερα ςτο νότιο θμιςφαίριο, όπου οι μεγάλεσ εκτάςεισ ανοικτοφ ωκεανοφ και θ χαμθλι πυκνότθτα πλθκυςμοφ και βιομθχανίασ, ςυμβάλλουν εξίςου ςτθ διατιρθςθ τθσ ανκρϊπινθσ επίδραςθσ ςτο ελάχιςτο. Ππωσ είπαμε ςε προθγοφμενα μζρθ, το φυςικά αιωροφμενα ςωματίδια πάνω από τουσ απόμακρουσ ωκεανοφσ αποτελοφνται κυρίωσ από ζνα μείγμα ςωματιδίων καλαςςινοφ αλατιοφ, κφριων και δευτερευόντων οργανικϊν ενϊςεων και κειικϊν από τθν οξείδωςθ του DMS και κάποιεσ άλλεσ φυςικζσ εκπομπζσ κείου. Ανάλογα με τθν περιοχι, μπορεί να υπάρχει και παρουςία ορυκτισ ςκόνθσ και καπνοφ βιομάηασ, ακόμα και ςτθν ατμόςφαιρα πριν τθν ανκρϊπινθ παρζμβαςθ. Υπάρχουν εκτενείσ μετριςεισ, φάςματα μεγεκϊν και ςυγκεντρϊςεισ CCN για απόμακρεσ καλάςςιεσ περιοχζσ. Σε βιολογικά πιο παραγωγικζσ περιόδουσ και περιοχζσ, οι ςυνθκιςμζνεσ ςυγκεντρϊςεισ CCN είναι λίγεσ εκατοντάδεσ cm-3 ςε S=1% (και αντίςτοιχα χαμθλότερεσ ςε λιγότερο S), ενϊ τον χειμϊνα βρίςκονται ςυνικωσ μερικζσ δεκάδεσ CCN1% ανά cm3 (ςχιμα 2). Πταν είναι παρόντα αιωροφμενα ςωματίδια που προκαλοφν ρφπανςθ, είτε μεταφερόμενα από τισ θπείρουσ, ι από τισ εκπομπζσ πλοίων, οι ςυγκεντρϊςεισ CCN ςε καλάςςιεσ περιοχζσ μποροφν να φτάςουν αρκετζσ εκατοντάδεσ cm -3. Θ εκτίμθςθ των αρχζγονων ςυγκεντρϊςεων CCN πάνω από θπειρωτικζσ περιοχζσ είναι ζνα πολφ δυςκολότερο πρόβλθμα. Οι μετριςεισ πεδίου μακριά από προφανείσ πθγζσ ρφπανςθσ είναι πολφ λίγεσ και ακόμα και ανάμεςα ςε 60

68 αυτά τα δεδομζνα είναι ςυνικωσ δφςκολθ θ εκτίμθςθ τθσ ποςότθτασ του παρατθροφμενου αερολφματοσ που οφείλεται ςτθ ρφπανςθ. Θ ςφνκεςθ του αερολφματοσ ςε πολλζσ απόμακρεσ περιοχζσ ςτο βόρειο θμιςφαίριο υποδεικνφει ότι το θπειρωτικό αερόλυμα - υπόβακρο ςτισ μζρεσ μασ, αποτελείται κυρίωσ από αιωροφμενα ςωματίδια που προκαλοφν ρφπανςθ ςε διάφορα επίπεδα διάλυςθσ. Για παράδειγμα, μια μελζτθ τθσ European Aerosol Climatology δείχνει ότι θ μζςθ ςυγκζντρωςθ PM 2.5 κυμαίνεται από περίπου 30μg m -3 ςε αςτικζσ τοποκεςίεσ, μζχρι περίπου 4 μg m -3 ςτθν κακαρότερθ τοποκεςία, το Σεβεττιγιάρβι ςτθ βόρειο Φιλανδία. Θ ςφνκεςθ των αιροφμενων ςωματιδίων ςε αυτι τθν απόμακρθ περιοχι είναι παρόλα αυτά πολφ παρόμοια με αυτι των αςτικϊν και τοπικά μολυςμζνων περιοχϊν, με ζνα μεγάλο κλάςμα κειικοφ, μθ καλαςςινοφ αλατιοφ και περίπου 4% του μαφρου άνκρακα ωσ ιχνθκζτθ ρφπανςθσ. Ακόμα και ςτο βόρειο θμιςφαίριο, τα αιωροφμενα ςωματίδια που προκαλοφν ρφπανςθ κυριαρχοφν ςτισ περιςςότερεσ θπειρωτικζσ περιοχζσ, ιδιαίτερα κατά τισ ξθρζσ περιόδουσ, όταν είναι πολφ διαδεδομζνθ θ καφςθ βιομάηασ. Οι ςυγκεντρϊςεισ CN και CCN είναι ςυνικωσ πολλζσ εκατοντάδεσ ανά μερικζσ χιλιάδεσ cm 3, υπό τισ ςυνκικεσ αυτζσ. Μόνο κάτω από ςχετικά ςπάνιεσ περιςτάςεισ, οι ςυγκεντρϊςεισ αερολυμάτων πάνω από απόμακρεσ θπείρουσ, πλθςιάηουν τισ αρχζγονεσ ςυνκικεσ. Αυτό ςυμβαίνει ςυνικωσ όταν κακαρζσ καλάςςιεσ αερομάηεσ μεταφζρονται οριηόντια πάνω από ουςιαςτικά ακατοίκθτεσ θπειρωτικζσ περιοχζσ. Ραραδείγματα υπάρχουν κατά τθ περίοδο των βροχϊν ςτθν κεντρικι περιοχι του Αμαηονίου, μερικζσ από τισ περιοχζσ τθσ εριμου ςτθν Αυςτραλία και ςε μζρθ των αρκτικϊν περιοχϊν ςτθν Ευραςία και τθ Βόρειο Αμερικι. Οι μετριςεισ που ζγιναν ςτο κζντρο τθσ λεκάνθσ του Αμαηονίου κατά τθ διάρκεια τθσ περιόδου των βροχϊν, όταν κακαρζσ αερομάηεσ μεταφζρονται για αρκετζσ μζρεσ από τον Ατλαντικό Ωκεανό πάνω από το δάςοσ του Αμαηονίου και μζςω ουςιαςτικά ακατοίκθτων περιοχϊν, ζδειξαν ςυγκεντρϊςεισ CCN ςε τιμζσ μερικϊν εκατοντάδων, πάνω κάτω όμοιεσ με αυτζσ πάνω από τον τροπικό ωκεανό. Χαμθλζσ ςυγκεντρϊςεισ CCN ζχουν αναφερκεί επίςθσ από άλλεσ θπειρωτικζσ τοποκεςίεσ. Σε μια αςτικι τοποκεςία ςτθν νοτιοανατολικι Αυςτραλία, οι Twomey et al βρικαν ςυγκεντρϊςεισ CCN 0.8 τθσ τάξεωσ των cm -3, ςτα απάνεμα τμιματα. Στα προςινεμα μζρθ του Ντζνβερ, Κολοράντο, οι ςυγκεντρϊςεισ CCN ιταν cm -3 ςτα μζτρα 61

69 πάνω από το επίπεδο τθσ κάλαςςασ. Σε μια μετζπειτα μελζτθ ςτθν ίδια περιοχι, βρζκθκαν κάπωσ ψθλότερεσ ςυγκεντρϊςεισ ( cm -3 ). Μετριςεισ με αερόςτατα πάνω από το Ουαϊόμινγκ.ζδειξαν μζςα επίπεδα CCN τθσ τάξεωσ του 445 και 146 για τθ καλοκαιρινι και χειμερινι κάτω τροπόςφαιρα αντίςτοιχα. Ράνω από τθ κοιλάδα Γιοφκον, ςτθν Αλάςκα, ο Hoppel μζτρθςε ςυγκεντρϊςεισ CCN 0.7 γφρω ςτα 150cm -3. Για τθν ευραςιατικι ιπειρο, υπάρχουν μερικζσ απόμακρεσ μετριςεισ. Τα μόνα ζγκυρα δεδομζνα προζρχονται από τθ βόρειο Φιλανδία, όπου οι μζςεσ ςυγκεντρϊςεισ CCN τθσ τάξεωσ του cm -3 εξάγονται από τισ μελζτεσ των Lihavainen και Komppula. Σαφϊσ, όλεσ αυτζσ οι μετριςεισ αντιπροςωπεφουν τα μζγιςτα όρια των φυςικϊν πλθκυςμϊν CCN, αφοφ όλεσ αυτζσ οι τοποκεςίεσ κα πρζπει να κεωρθκοφν ανκρωπογενϊσ επθρεαςμζνεσ ςε διάφορουσ βακμοφσ. Ακόμα και εκεί που μποροφν να αποκλειςκοφν οι τοπικζσ επιρροζσ, θ μεγάλων αποςτάςεων μεταφορά, ακόμα και ςε διθπειρωτικι κλίμακα, επθρεάηει τισ ςυγκεντρϊςεισ υπόβακρου ςε απόμακρεσ περιοχζσ. Οι μετριςεισ ζδειξαν ότι τα αερολφματα κειικϊν ενϊςεων από τθν Αςία μπορεί να κυριαρχοφν ςτθ κειϊκι τροποςφαιρικι ποςότθτα ςτθ δυτικι ακτι τθσ βορείου Αμερικισ και πρότυπεσ εξομοιϊςεισ υποδεικνφουν ότι θ ρφπανςθ τθσ Αςίασ ςυμβάλλει περιςςότερο από το 30% με επιφανειακζσ κειικζσ ενϊςεισ ςτθ ρφπανςθ πάνω από μια εκτεταμζνθ περιοχι ςτον βόρειο Ειρθνικό και ςτον βόρειο Ινδικό ωκεανό και μεταξφ 10 και 30% πάνω από τον Αρκτικό. Ζνασ εναλλακτικόσ τρόποσ αξιολόγθςθσ του φυςικοφ θπειρωτικοφ υπόβακρου CCN είναι μζςω τθσ εκτίμθςθσ του αρικμοφ νζων ςωματιδίων ςτο εφροσ μεγζκουσ CCN που παράγεται από βιογενείσ πρόδρομεσ ουςίεσ ςε μια απόμακρθ περιοχι. Θ προςζγγιςθ αυτι χρθςιμοποιικθκε από τοv Kerminen ςτθ τοποκεςία Pallas ςτθ βόρειο Φιλανδία Συμπζραναν ότι τα πρόςφατα ςχθματιςκζντα ςωματίδια αυξικθκαν μζχρι ζνα μζγεκοσ αρκετά μεγάλο ϊςτε να δρουν ωσ CCN, κατά τθ διάρκεια του 15-25% των περίπου 40 ςυμβάντων ςχθματιςμοφ νζων ςωματιδίων που εμφανίηονται ετθςίωσ ςτθ ςυγκεκριμζνθ τοποκεςία. Κατά μζςον όρο, παριχκθςαν περίπου 180±150 cm -3 ςωματίδια, κατά τθ διάρκεια των ςυμβάντων αυτϊν, ςαφϊσ ανεπαρκι για τθ ςυντιρθςθ ενόσ ςθμαντικοφ πλθκυςμοφ CCN επί ςυνεχόμενθσ βάςθσ. Σε μια πιο αντιπροςωπευτικι ανάλυςθ, οι Tunved et al διαπίςτωςαν τθν αφξθςθ ςτον 62

70 αρικμό ςωματιδίων, κακϊσ οι αερομάηεσ ταξίδευαν πάνω από το ζδαφοσ από τισ ακτζσ του Ατλαντικοφ, ςε τοποκεςίεσ τθσ Φιλανδίασ. Βρικαν ότι ο αρικμόσ ςωματιδίων αυξανόταν με το χρόνο που ταξίδευαν και με τθν αναλογία εκπομπϊν τερπενίου. Σε ςυνθκιςμζνουσ ρυκμοφσ εκπομπϊν, ζφταςαν ςυγκεντρϊςεισ περίπου cm -3, από τισ οποίεσ περίπου ιταν μεγαλφτερεσ από 90 nm και ωσ εκ τοφτου, ιταν πικανότατα CCN ςε μεςαίουσ υπερκορεςμοφσ. Δεδομζνου ότι τα δεδομζνα αυτά προζρχονται από μια περιοχι όπου ευνοείται θ πυρινωςθ λόγω των ποςοτιτων ςε ίχνθ ανκρωπογενοφσ SO2 και ότι ιςχφουν μόνο για τθν εαρινι και κερινι περίοδο, οι τιμζσ αυτζσ αντιπροςωπεφουν ακόμα παρόλα αυτά, το μζγιςτο όριο φυςικισ παραγωγισ CCN ςε μεςαία γεωγραφικά πλάτθ. Γενικά, φτάνουμε ςτο ςυμπζραςμα ότι θ φυςικι παραγωγι CCN ςωματιδίων πάνω από βιολογικά δραςτιριεσ περιοχζσ ςτισ θπείρουσ, πικανόν να μθν μπορεί να δικαιολογιςει περιςςότερα από cm -3 ςτισ περιςςότερεσ περιπτϊςεισ, επίπεδα όχι πολφ μεγαλφτερα από αυτά που βρίςκονται πάνω από τουσ ωκεανοφσ. Κατά τθ διάρκεια των ψυχρϊν περιόδων, κα πρζπει να αναμζνεται πολφ χαμθλι παραγωγι ςωματιδίων. 63

71 4.5.2 Πρότυποι υπολογιςμοί τθσ ιςοτοπικισ ςφςταςθσ αιωροφμενων ςωματιδίων πριν από τθν ανκρϊπινθ δραςτθριότθτα Τα παγκόςμια πρότυπα αιωροφμενων ςωματιδίων ιταν αρχικά τα ανκρωπογενι ςωματίδια, ιδιαίτερα τα κειϊκά και μόνο κατά τα τελευταία χρόνια άρχιςαν να ενςωματϊνονται οι φυςικζσ πθγζσ. Ανάμεςα ςτα φυςικά ςυςτατικά αερολυμάτων, το καλαςςινό αλάτι, θ ςκόνθ εδάφουσ, ο καπνόσ τθσ βιομάηασ και τα κειικά από το DMS ζχουν εξεταςτεί ςε αρκετά μεγάλο βακμό, ενϊ τα δευτερογενι οργανικά αερολφματα και τα κφρια βιογενι αερολφματα δεν ζχουν ακόμα κατανοθκεί αρκετά. Αφοφ τα δφο αυτά ςυςτατικά μπορεί να είναι υπεφκυνα για ζνα μεγάλο κλάςμα των φυςικϊν θπειρωτικϊν αιωροφμενων ςωματιδίων, οι παρόντεσ πρότυποι υπολογιςμοί τθσ ιςοτοπικισ ςφςταςθσ των θπειρωτικϊν ςωματιδίων, πικανότατα δεν είναι πολφ αξιόπιςτεσ. Δεν υπάρχουν μελζτεσ οι οποίεσ προςπάκθςαν να δοφν τθν ατμόςφαιρα πριν από τθν ζλευςθ του ανκρϊπου. Ωσ εκ τοφτου, κα πρζπει είτε να κεωριςουμε ωσ ςθμείο αναφοράσ τθν προβιομθχανικι περίοδο, ι τθ ςθμερινι ατμόςφαιρα με ςβθςμζνεσ τισ ανκρωπογενείσ πθγζσ ςτα μοντζλα. Μποροφμε επίςθσ να αποκτιςουμε μερικζσ χριςιμεσ πλθροφορίεσ, κοιτάηοντασ τισ περιοχζσ που είναι ελάχιςτα επθρεαςμζνεσ από τισ ανκρωπογενείσ εκπομπζσ, (πχ θ βόρεια Ευραςία και θ βόρεια Αμερικι. Πλα αυτά τα μοντζλα ςυμφωνοφν ότι οι ανκρωπογενείσ εκπομπζσ ζχουν προκαλζςει μεγάλεσ αυξιςεισ ςτα φορτία αιωροφμενων ςωματιδίων, ακόμα και πάνω από απόμακρεσ θπείρουσ, με ςυνθκιςμζνεσ αυξιςεισ τθσ τάξεωσ του % πάνω από απομακρυςμζνεσ περιοχζσ τθσ Αςίασ, τθσ βόρεια Αμερικισ και τθσ Νότιασ Αμερικισ. Επιπρόςκετα με τα αυξθμζνα φορτία αερολυμάτων, οι πρότυποι υπολογιςμοί υποδεικνφουν επίςθσ ότι τα ςθμερινά αερολφματα περιζχουν 2.7 φορζσ περιςςότερα ανόργανα ςυςτατικά ςε ςχζςθ με τθν προβιομθχανικι εποχι, κάτι που τα κακιςτά περιςςότερο αποτελεςματικά ϊσ CCN. 64

72 Από τισ μελζτεσ αυτζσ, μποροφμε να υπολογίςουμε τισ προβιομθχανικζσ ςυγκεντρϊςεισ τθσ τάξεωσ των cm -3 για ςωματίδια εντόσ του εφρουσ μεγζκουσ CCN πάνω από τισ θπείρουσ, που δεν διαφζρει ςθμαντικά από τισ τιμζσ πάνω από τουσ απομακρυςμζνουσ ωκεανοφσ. Μεγαλφτερεσ ςυγκεντρϊςεισ αερολυμάτων προβλζπονται πάνω από τισ τροπικζσ θπείρουσ λόγω των ιδθ αυξθμζνων επιπζδων βιομάηασ που καίγονταν κατά τισ προβιομθχανικζσ περιόδουσ. Είναι δφςκολο να υπολογιςκεί το ποιεσ μπορεί να ιταν οι εκπομπζσ των πυρκαγιϊν φυςικισ βλάςτθςθσ πριν από τθν ζλευςθ του ανκρϊπου και τθν εςκεμμζνθ χριςθ τθσ φωτιάσ από τουσ πρϊτουσ ανκρϊπουσ, αλλά πικανότατα ιταν ςθμαντικά χαμθλότερθ ακόμα και από τισ προβιομθχανικζσ τιμζσ. 65

73 4.6 υνοψίηοντασ Το υποςφνολο των ςωματιδίων του γενικοφ πλθκυςμοφ των αιωροφμενων ςωματιδίων που μπορεί να δράςει ωσ CCN κακορίηεται κυρίωσ βάςει του αρικμοφ των διαλυτϊν μορίων που περιζχει ζνα ςωματίδιο, και του μεγζκουσ αυτοφ. Ραρόλα αυτά, πρόςφατεσ μελζτεσ ζδειξαν ότι για τον ςκοπό τθσ αξιολόγθςθσ τθσ δραςτθριότθτασ των CCN, οι επιδράςεισ τθσ ςφνκεςθσ των αερολυμάτων μποροφν να αναπαραςτακοφν από μια μεμονωμζνθ παράμετρο, τθν κ. Αυτό κακιςτά δυνατό τον υπολογιςμό των φαςμάτων CCN και τθσ κατανομισ του μεγζκουσ τουσ βάςει τθσ γνϊςθσ τθσ παραμζτρου αυτισ. Μελζτεσ με όργανα που προςδιορίηουν τθ ςυγκζντρωςθ CCN ωσ μια λειτουργία τόςο του υπερκορεςμοφ, όςο και του μεγζκουσ των ςωματιδίων, υποδεικνφουν ότι τα θπειρωτικά και τα καλάςςια αιωροφμενα ςωματίδια τείνουν ςτο να ςυγκεντρϊνονται ςε ςχετικά ςτενά εφρθ υγροςκοπικότθτασ. Θα πρζπει παρόλα αυτά να τονιςτεί ότι, θ γνϊςθ τθσ χθμικισ ςφνκεςθσ των αερολυμάτων είναι απαραίτθτθ για τον προςδιοριςμό των πθγϊν των αερολυμάτων και των μθχανιςμϊν παραγωγισ και για τθν αξιολόγθςθ του ρόλου τθσ ανκρωπογενοφσ και τθσ φυςικισ ςυμβολισ ςτισ ςυγκεντρϊςεισ των αιωροφμενων ςωματιδίων. Θ διάχυτθ παρουςία ανκρωπογενϊν αιωροφμενων ςωματιδίων, ιδιαίτερα ςτο βόρειο θμιςφαίριο, κακιςτά ςυχνά δφςκολθ τθν απόκτθςθ ποιοτικϊν και ποςοτικϊν παρατθριςεων των χαρακτθριςτικϊν και των ςυγκεντρϊςεων αιωροφμενων ςωματιδίων που προζρχονται από φυςικζσ πθγζσ. Ραρόλα αυτά, τόςο οι πρότυπεσ προβλζψεισ, όςο και οι παρατθριςεισ, υποδεικνφουν ότι οι ςυγκεντρϊςεισ αερολυμάτων και CCN είναι αρκετά χαμθλζσ και δεν διαφζρουν ςε μεγάλο βακμό μεταξφ των χερςαίων και των καλάςςιων περιοχϊν. Αυτό είναι προφανζσ ακόμα και ςτισ μζρεσ μασ ςτθ παγκόςμια διανομι των ςωματιδίων που παρατθρείται από διαςτθμικά αιςκθτιρια όργανα όπωσ ο MODIS και ο MISR (Εικόνα 6), και μασ δείχνουν τθ παγκόςμια ετιςια μζςθ ςυγκζντρωςθ των αιωροφμενων ςωματιδίων ςε ςχζςθ με το οπτικό πάχοσ, δθλαδι τθν απορρόφθςθ του θλιακοφ φωτόσ λόγω των ατμοςφαιρικϊν αιωροφμενων ςωματιδίων. Είναι αξιοςθμείωτο το ότι οι θπειρωτικζσ περιοχζσ κακαυτζσ δεν ξεχωρίηουν ςτθν εικόνα αυτι, όπωσ κα 66

74 ανζμενε κανείσ με τθ ςυμβατικι άποψθ που κζλει τισ θπείρουσ να χαρακτθρίηονται από ψθλά φορτία αερολυμάτων. Για παράδειγμα, θ δυτικι βόρειοσ Αμερικι, το νότιο μζροσ τθσ νοτίου Αμερικισ και τθσ βορείου Αφρικισ και το μεγαλφτερο μζροσ τθσ Αυςτραλίασ, ζχουν πάνω κάτω τα ίδια φορτία αερολυμάτων με τουσ γφρω ωκεανοφσ. Μεγάλα φορτία αερολυμάτων πάνω από ωκεανοφσ βρίςκονται ςε απάνεμεσ περιοχζσ με ςυγκεκριμζνεσ πθγζσ, όπωσ οι περιοχζσ με ςκόνθ τθσ υποτροπικισ Αφρικισ και Αςίασ, οι περιοχζσ όπου καίγεται βιομάηα ςτισ τροπικζσ θπείρουσ και οι βιομθχανοποιθμζνεσ περιοχζσ που είναι ςυγκεντρωμζνεσ ςτα βόρεια και μεςαία γεωγραφικά πλάτθ. Εικ. 6 Η παγκόςμια κατανομι των αιωροφμενων ςωματιδίων ςυναρτιςει του οπτικοφ πάχουσ 67

75 Οι ςυγκεντρϊςεισ ςωματιδίων που προζρχονται από φυςικζσ πθγζσ πάνω από τουσ ωκεανοφσ, μακρυά από πθγζσ ςκόνθσ και καπνοφ, είναι πικανότατα όμοιεσ με εκείνεσ που βρίςκουμε τϊρα μόνο πάνω από τουσ ωκεανοφσ του νότιου θμιςφαιρίου και είναι ίςεσ με CCN cm -3, αποτελοφμενεσ κυρίωσ από ζνα μείγμα κειϊκϊν ενϊςεων, DMS, οργανικϊν ενϊςεων και ςωματιδίων αλατιοφ. Ράνω από τισ θπείρουσ, αναμζνουμε ςυγκεντρϊςεισ αερολυμάτων από φυςικζσ πθγζσ κάπου ςτα CCN cm -3, κυρίωσ από βιογενείσ πθγζσ (κφρια βιολογικά ςωματίδια, δευτερεφοντα ςωματίδια από τθν οξείδωςθ DMS, H 2 S και VOC). Σε μερικοφσ τόπουσ και χρόνουσ φυςικά, θ ςκόνθ των εριμων και ο καπνόσ από πυρκαγιζσ, κα κυριαρχοφςε ςτουσ πλθκυςμοφσ των ςωματιδίων αυτϊν. Οι χαμθλότερεσ ςυγκεντρϊςεισ CCN ςτθ μθ μολυςμζνθ ατμόςφαιρα εμφανίηονται όταν και όπου θ βιολογικι δραςτθριότθτα είναι ςτο ελάχιςτο, πχ το χειμϊνα πάνω από εριμουσ, όπου οι ςυνθκιςμζνεσ ςυγκεντρϊςεισ CCN είναι μόνο μερικζσ δεκάδεσ ανά cm -3. Ιδιαίτερα χαμθλά επίπεδα CCN βρίςκονται επίςθσ ςε εκείνεσ τισ περιοχζσ όπου οι διαδικαςίεσ ανάηευξθσ οδθγοφν ςε πολφ ψθλι αποτελεςματικότθτα τθσ κάκαρςθσ τθσ ατμόςφαιρασ από αιωροφμενα ςωματίδια. Σαφϊσ, ακόμα και αρκετά μικρζσ πθγζσ εκπομπϊν, όπωσ θ καφςθ ξφλου τον χειμϊνα, ι οι εκπομπζσ πλοίων πάνω από τουσ απόμακρουσ ωκεανοφσ, μποροφν να οδθγιςουν ςε δραματικι αφξθςθ ςτθ ςυγκζντρωςθ αιωροφμενων ςωματιδίων ςε τόςο μικρά επίπεδα υπόβακρου. Οι χαμθλζσ ςυγκεντρϊςεισ CCN πάνω από τισ θπείρουσ κακιςτοφν όχι και τόςο ςωςτι τθ ςυμβατι ταξινόμθςθ ςε καλάςςιεσ και θπειρωτικζσ αζριεσ μάηεσ, όςον αφορά το περιεχόμενό τουσ ςε αιωροφμενα ςωματίδια. Υπονοεί επίςθσ ότι οι ψθλζσ ςυγκεντρϊςεισ ςωματιδίων που βρίςκονται ςυνικωσ ςτισ μζρεσ μασ πάνω από τισ περιςςότερεσ θπειρωτικζσ περιοχζσ, είναι κυρίωσ ανκρωπογενείσ. Κατά ςυνζπειαν, πριν από τθν ζναρξθ τθσ ανκρωπογενοφσ ρφπανςθσ, οι μικροφυςικζσ ιδιότθτεσ των νεφϊν πάνω από τισ θπείρουσ ζμοιαηαν πικανότατα με αυτζσ πάνω από τουσ ωκεανοφσ, ενϊ οι διαδικαςίεσ νεφϊν πάνω από τισ περιςςότερεσ ςθμερινζσ θπείρουσ, αντανακλοφν ωσ επί το πλείςτον τθν διατάραξθ που επιλκε από τθν ανκρϊπινθ δραςτθριότθτα. Ζχουμε ιδθ αναφζρει προθγουμζνωσ το ρόλο που μπορεί να διαδραματίςουν τα γιγάντια CCN καλαςςινοφ άλατοσ για τθ διευκόλυνςθ τθσ κάκαρςθσαπόκεςθσ των αερολυμάτων που προκαλοφν ρφπανςθ ςτο καλάςςιο οριακό 68

76 ςτρϊμα. Ζνα άλλο παράδειγμα είναι θ δι-ςτακισ ςυμπεριφορά των ςυγκεντρϊςεων αερολυμάτων του οριακοφ ςτρϊματοσ. Σε χαμθλζσ ςυγκεντρϊςεισ CCN, θ κάκαρςθ-απόκεςθ των αερολυμάτων και θ απόκεςθ τουσ με τθν παραγωγι ςταγόνων βροχισ, είναι πολφ αποτελεςματικζσ, ενϊ αυξθμζνεσ ςυγκεντρϊςεισ αερολυμάτων ζχουν ωσ αποτζλεςμα αναποτελεςματικι κάκαρςθ-απόκεςθ των αερολυμάτων από τθ βροχόπτωςθ, τόςο πάνω από τθ γθ, όςο και τουσ ωκεανοφσ. 69

77 ΚΕΦΑΛΑΙΟ : 5 ΠΛΗΜΜΤΡΑ Η ΞΗΡΑΙΑ : ΠΩ ΣΑ ΑΙΩΡΟΤΜΕΝΑ ΩΜΑΣΙΔΙΑ ΕΠΗΡΕΑΖΟΤΝ ΣΟΝ ΤΕΣΟ ; 5.1 Γενικά ςτοιχεία Τα αιωροφμενα ςωματίδια λειτουργοφν ωσ πυρινεσ ςυμπφκνωςθσ νεφϊν (CCN) και γι αυτό το λόγο ζχουν ςθμαντικι επίδραςθ ςτισ ιδιότθτεσ των νεφϊν και ςτθν εκκίνθςθ του υετοφ. Στθ μετεωρολογία, υετό ονομάηουμε οποιοδιποτε προϊόν τθσ ςυμπφκνωςθσ των ατμοςφαιρικϊν υδρατμϊν το οποίο αποτίκεται ςτθν επιφάνεια τθσ Γθσ λόγω βαρφτθτασ. Οι κφριεσ μορφζσ υετοφ περιλαμβάνουν τθ βροχι, το χιόνι και το χαλάηι. Ζχει καταγραφεί ότι μεγάλεσ ςυγκεντρϊςεισ από ανκρωπογενι αιωροφμενα ςωματίδια, αυξάνουν αλλά και μειϊνουν τθν βροχόπτωςθ ςαν αποτζλεςμα τθσ ακτινοβολοφντοσ δραςτθριότθτασ τουσ αλλά και τθσ ιδιότθτασ τουσ ωσ πυρινεσ ςυμπφκνωςθσ νεφϊν. Τα φρζςκα και κακαρά τροπικά ςφννεφα με χαμθλζσ ςυγκεντρϊςεισ CCN προκαλοφν βροχι πολφ γριγορα για να ωριμάςουν αργότερα ςε μακρόβια ςφννεφα. Από τθν άλλθ, τα πολφ μολυςμζνα ςφννεφα εξατμίηουν το περιςςότερο νερό τουσ πριν ο υετόσ λάβει χϊρα. Ραρακάτω προτείνουμε ζνα κεμελιϊδεσ μοντζλο το οποίο εξθγεί αυτι τθ φαινομενικι διαφορά. Οι φυςικοί που αςχολοφνται με τα νζφθ, ςυνικωσ κατθγοριοποιοφν τα χαρακτθριςτικά των αιωροφμενων ςωματιδίων και των νεφϊν ςε ϋϋκαλάςςιαϋϋ και ϋϋθπειρωτικάϋϋ, όπου τα θπειρωτικά ζχουν πλζον γίνει ςυνϊνυμα με τα ϋϋφορτωμζνα με αιωροφμενα ςωματίδια και μολυςμζνα. Πντωσ, οι ςυγκεντρϊςεισ των αιωροφμενων ςωματιδίων ςε μολυςμζνεσ αζριεσ μάηεσ είναι τυπικά μία ι δφο τάξεισ μεγζκουσ μεγαλφτερεσ ςε ςχζςθ με τον κακαρό αζρα πάνω από τουσ ωκεανοφσ. Ωςτόςο πρίν το ανκρϊπινο είδοσ ξεκινιςει να αλλάηει το περιβάλλον, οι ςυγκεντρϊςεισ των αερολυμάτων πάνω από τθ γθ δεν ιταν πολφ μεγαλφτερεσ (πάνω από το διπλάςιο) απ αυτζσ πάνω από τον ωκεανό. Τα ανκρωπογενι αιωροφμενα ςωματίδια μετζβαλαν το ενεργειακό απόκεμα τθσ γισ διαςκορπίηοντασ και απορροφϊντασ τθν θλιακι ακτινοβολία θ οποία ενεργοποιεί τον ςχθματιςμό των νεφϊν. Επειδι όλα τα ςταγονίδια των νεφϊν πρζπει να ςυμπυκνϊνονται ςε προχπάρχοντα αερολφματα τα οποία δροφν ωσ πυρινεσ ςυμπφκνωςθσ νεφϊν (CCN), θ 70

78 αφξθςθ των αερολυμάτων άλλαξε τθν ςφςταςθ των νεφϊν (π.χ. το μζγεκοσ τθσ διατομισ των ςταγονιδίων). Αυτό με τθ ςειρά του κακορίηει ςε ζνα μεγάλο βακμό τθν διαδικαςία τθσ μορφισ του υετοφ. Ο υετόσ παίηει ζνα ςθμαντικό ρόλο ςτο κλιματικό ςφςτθμα. Ρερίπου το 37% τθσ ειςαγόμενθσ ενζργειασ ςτθν ατμόςφαιρα προζρχεται από απελευκζρωςθ τθσ λανκάνουςασ κερμότθτασ** από ατμοφσ οι οποίοι ςυμπυκνϊνονται ςε ςταγονίδια νεφϊν και κρυςτάλλουσ πάγου. Θ επανεξάτμιςθ των νεφϊν καταναλίςκει ξανά τθν απελευκερωμζνθ ενζργεια. Πταν το νερό αποτίκεται ςτθν ατμόςφαιρα αυτι θ κερμότθτα αφινεται ςτθν ατμόςφαιρα και γίνεται διακζςιμθ για να ενεργοποιιςει τθ μεταφορά κερμότθτασ και το μεγαλφτερθσ κλίμακασ ατμοςφαιρικό ςυςτιματα κυκλοφορίασ. ** [Θ ζκφραςθ λανκάνουςα κερμότθτα αναφζρεται ςτο ποςό ενζργειασ που απελευκερϊνεται ι που απορροφάται από μια χθμικι ουςία κατά τθ διάρκεια μιασ αλλαγισ τθσ κατάςταςθσ (υγρι, ςτερεά, αζρια) που ςυμβαίνει χωρίσ αλλαγι τθσ κερμοκραςίασ τθσ.] Θ κυριαρχία των ανκρωπογενϊν αερολυμάτων, πολφ περιςςότερο πάνω από περιοχζσ τθσ γθσ, ςθμαίνει ότι θ ςφνκεςθ των νεφϊν, ο υδρολογικόσ κφκλοσ, και τα ατμοςφαιρικά ςυςτιματα κυκλοφορίασ επθρεάηονται όλα και από τισ ακτινοβολοφςεσ ιδιότθτεσ αλλά και από τισ μικροφυςικζσ επιδράςεισ των αερολυμάτων, και πικανϊσ με διαφορετικό τρόπο απ ότι ςτθν προβιομθχανικι εποχι. 71

79 5.2 Σα αντιτικζμενα αποτελζςματα των αιωροφμενων ςωματιδίων ςτα ςφννεφα και τον υετό Οι επιρροζσ λόγω ακτινοβολίασ των αερολυμάτων ςτα νζφθ ςυνικωσ ενεργοφν εμποδίηοντασ τον υετό, επειδι μειϊνουν το ποςό θλιακισ ακτινοβολίασ που φκάνει ςτθν επιφάνεια του εδάφουσ, και ωσ εκ τοφτου δθμιουργοφν λιγότερθ διακζςιμθ κερμότθτα για τθν εξάτμιςθ του νεροφ και τθν ενεργοποίθςθ εκ μεταφοράσ κερμότθτασ ςφννεφων βροχισ. Το ποςό τθσ ακτινοβολίασ που δεν ανακλάται πίςω ςτο διάςτθμα από τα αιωροφμενα ςωματίδια απορροφάται από τθν ατμόςφαιρα κυρίωσ από πλοφςια ςε άνκρακα αερολφματα, οδθγϊντασ ςε κζρμανςθ του αζρα πάνω από τθν επιφάνεια. Αυτό ςτακεροποιεί τθν χαμθλι ατμόςφαιρα και καταςτζλλει τθν παραγωγι των εκ μεταφοράσ ςφννεφων. Ο ηεςτότεροσ και ξθρότεροσ αζρασ παράγει ςυςτιματα κυκλοφορίασ που ανακατανζμουν τον υπόλοιπο υετό. Για παράδειγμα, ανυψωμζνθ ξθρι μεταγωγι κερμότθτασ παρατθρικθκε να αναπτφςςεται από τθν κορυφι ςτθλϊν καπνοφ από καιόμενθ κθροηίνθ ςε πετρελαιοπθγζσ. Θ κζρμανςθ τθσ κατϊτερθσ τροπόςφαιρασ ποφ προκαλείται από απορρόφθςθ αιωροφμενων ςωματιδίων μπορεί επίςθσ να ενιςχφςει τθν κυκλοφορία του Αςιατικοφ κερινοφ μουςϊνα και να προκαλζςει μια τοπικι αφξθςθ του υετοφ, παρά τθν παγκόςμια μείωςθ τθσ εξάτμιςθσ θ οποία αντιςτακμίηεται για μεγαλφτερθ ακτινοβολοφςα κζρμανςθ από τα αερολφματα. Στθν περίπτωςθ των αιωροφμενων ςωματιδίων που διαςκορπίηουν τθν ακτινοβολία πίςω ςτο διάςτθμα, θ επακόλουκθ ψφξθ τθσ επιφάνειασ μπορεί επίςθσ να αλλάξει τα ατμοςφαιρικά ςυςτιματα κυκλοφορίασ. Είχε μάλιςτα προτακεί ότι αυτόσ ο μθχανιςμόσ είχε ψφξει το Βόρειο Ατλαντικό και ωσ εκ τοφτου είχε ωκιςει τθ Διατροπικι Ηϊνθ Σφγκλιςθσ νότια, ςυμβάλλοντασ με αυτόν τον τρόπο ςτθν ξιρανςθ του Sahel. [Sahel ονομάηεται θ ςτεπικι λωρίδα γθσ νότια τθσ εριμου Σαχάρα, που ξεκινά από δυτικά προσ ανατολικά απ' τθ Σενεγάλθ ςυνεχίηει ςε νότια Μαυριτανία κεντρικό Μάλι, βόρεια Μπουρκίνα Φάςο, κεντρικό Νίγθρα, βόρεια Νιγθρία, κεντρικό Τςαντ, το κζντρο-βόρειο Σουδάν και καταλιγει ςτθν βόρεια Ερυκραία ςτα παράλια τθσ Ερυκράσ Θάλαςςασ.] 72

80 Τα αιωροφμενα ςωματίδια ζχουν επίςθσ ςθμαντικζσ μικροφυςικζσ επιδράςεισ. Επιπλζον CCN επιβραδφνουν τθν μετατροπι των ςταγονιδίων νεφϊν ςε ςταγόνεσ βροχισ λειτουργϊντασ ςαν πυρινεσ ςυμπφκνωςθσ για μεγαλφτερο αρικμό ςυγκεντρϊςεων από μικρότερα ςταγονίδια, τα οποία είναι βραδφτερα ςτο να μετατρζπονται ςε ςταγόνεσ βροχισ ι πάχνθσ πάνω ςτουσ υδρομετεωρίτεσ πάγου. Αυτι θ επίδραςθ φάνθκε να ςταματά τον υετό από τα πολφ χαμθλά και βραχφβια ςφννεφα. Αυτό δθμιοφργθςε τθν προςδοκία ότι οι μολυςμζνεσ περιοχζσ κα υπζφεραν από μείωςθ τθσ βροχόπτωςθσ. Από τθν άλλθ όμωσ, ιταν αναμενόμενο ότι επιταχφνοντασ τθ μετατροπι του νεροφ των ςφννεφων ςε υετό (αυξάνοντασ το ποςοςτό τθσ αυτομετατροπισ) με τθ ςπορά ςφννεφων κα ενίςχυε τα ποςοςτά των βροχοπτϊςεων. Αποδεικνφεται πάντωσ ότι οι μολυςμζνεσ περιοχζσ δεν είναι γενικά ξθρότερεσ και θ ενίςχυςθ τθσ βροχισ με ςπορά ςφννεφων παραμζνει αναποτελεςματικι. [Θ «ςπορά των ςφννεφων» είναι μια διαδικαςία τροποποίθςθσ του καιροφ με ςτόχο τθν αλλαγι τθσ ποςότθτασ ι τθσ μορφισ του υετοφ. Γίνεται διαςκορπίηοντασ ουςίεσ ςτον αζρα που λειτουργοφν ωσ πυρινεσ ςυμπφκνωςθσ ι πυρινεσ πάγου και οι οποίεσ αλλάηουν τισ μικροφυςικζσ διαδικαςίεσ μζςα ςε ζνα ςφννεφο. Θ «ςπορά των ςφννεφων» (cloud seeding) με ιωδιοφχο άργυρο, αλατοφχεσ υγροςκοπικζσ ουςίεσ και ξθρό πάγο 73

81 ανακαλφφκθκε από τον Αμερικανό Μπζρναρντ Βόνεγκατ το Δεν χρθςιμοποιείται μόνο για τθν αφξθςθ τθσ βροχισ και του χιονιοφ, αλλά και για τθν καταπολζμθςθ του χαλαηιοφ. Θ ςπορά ςφννεφων μπορεί να γίνει με επίγειεσ γεννιτριεσ ι αεροπλάνα.] Με τθν ζλευςθ των δορυφορικϊν μετριςεων κατζςτθ δυνατό να ζχουμε μια καλφτερθ εικόνα των επιδράςεων των αιωροφμενων ςωματιδίων ςτα ςφννεφα και τον υετό. (Αποκλείουμε τισ επιδράςεισ των αιωροφμενων ςωματιδίων πυρινων πάγου, γιατί είναι πολφ λιγότερο κατανοθτοί απ ότι οι επιδράςεισ των πυρινων ςυμπφκνωςθσ νεφϊν.) Θ αςτικι και βιομθχανικι ατμοςφαιρικι ρφπανςθ παρατθρικθκε ότι ςταματοφςε τελείωσ τον υετό από «βακειά» ςφννεφα ςε 2.5 km φψοσ πάνω από τθν Αυςτραλία. Ραρατθρικθκε ότι πυκνοί καπνοί από φωτιζσ ςε τροπικά δάςθ εμπόδιηαν τθν βροχόπτωςθ από ςφννεφα ςε φψοσ 5 km. Tα ςφννεφα όμωσ φαινόταν να επανακτοφν τθν ικανότθτα τουσ για δθμιουργία υετοφ όταν απορροφοφςαν ϋϋγιγαντιαία (>1μm διάμετροσ) CCN ψιγματα αλατιοφ από το καλάςςιο ςπρζι και από αλυκζσ. Αυτζσ οι παρατθριςεισ υπιρξαν θ αφορμι για τθν Ραγκόςμια Μετεωρολογικι Οργάνωςθ και τθν Διεκνι Ζνωςθ Γεωδαιςίασ και Γεωφυςικισ, να διατάξουν τθν αποτίμθςθ τθσ επίδραςθσ των αιωροφμενων ςωματιδίων ςτον υετό. Aυτι θ αναφορά κατζλθγε ςτο ότι ϋϋείναι δφςκολο να αποδείξουμε 74

82 μια κακαρι ςχζςθ ανάμεςα ςτα αιωροφμενα ςωματίδια και τον υετό και να κακορίςουμε τθ ςθμαςία τθσ αλλαγισ του υετοφ υπό μία κλιματολογικι ζννοιαϋϋ. Βαςιηόμενοι ςε πολλζσ παρατθριςεισ και προςομοιϊςεισ μοντζλων οι επιδράςεισ των αιροφμενων ςωματιδίων ςτα ςφννεφα (και ιδιαίτερα ςτα ςφννεφα χωρίσ πάγο) είναι περιςςότερο κατανοθτζσ απ ότι οι επιδράςεισ τουσ ςτον υετό. 5.3 Πωσ μποροφμε να αυξιςουμε τθν βροχόπτωςθ επιβραδφνοντασ τθν μετατροπι των ςταγονιδίων των νεφϊν ςε ςταγονίδια βροχισ ; Μια ςθμαντικι μερίδα παρατθριςεων δείχνει ότι CCN αιωροφμενα ςωματίδια με διάμετρο <1μm ελλατϊνουν τον υετό από τα ϋϋρθχάϋϋ ςφννεφα και αναηωογονοφν τα ϋϋβακειάϋϋ εκ μεταφοράσ ςφννεφα βροχισ με κερμι (>15 ο C) βάςθ, αν και θ επίδραςθ ςτο ςυνολικό ποςό τθσ βροχόπτωςθσ δεν προςδιορίηεται εφκολα. Αυτζσ οι παρατθριςεισ υποςτθρίηονται από ζνα μεγάλο αρικμό μοντζλων που μελετοφν και αναλφουν τθν φφςθ των νεφϊν. Οι προςομοιϊςεισ δείχνουν επίςθσ ότι προςκζτοντασ ϋϋγιγαντιαίαϋϋ CCN ςε μολυςμζνα ςφννεφα επιταχφνεται θ αυτομετατροπι, κυρίωσ μζςω τθσ πυρινωςθσ μεγάλων ςταγονιδίων τα οποία μετατρζπονται πολφ γριγορα ςε «ςωματίδια υετοφ» ςυγκεντρϊνοντασ τα άλλα μικρότερα ςταγονίδια των ςφννεφων. Ράντωσ ο βακμόσ τθσ αυτομετατροπισ δεν αποκακίςταται ςτα φρζςκα και κακαρά ςφννεφα. Γνωρίηουμε ότι το ποςό του υετοφ πρζπει να ιςορροπεί με αυτό τθσ εξάτμιςθσ ςε παγκόςμια κλίμακα. Συνεπϊσ, το επακόλουκο των αιωροφμενων ςωματιδίων ςτθν παρεμπόδιςθσ του υετοφ από τα ϋϋρθχάϋϋ ςφννεφα πρζπει να ςθμαίνει αφξθςθ του υετοφ από τα ϋϋβακειά ςφνννεφαϋϋ. Μια τζτοια επανόρκωςθ μπορεί να επιτευχκεί όχι μόνο ςε παγκόςμια κλίμακα αλλά και ςε κλίμακα νεφϊν. Αυτό ςυμβαίνει γιατί τα ςφννεφα μποροφν να αναπτυχκοφν ςε φψθ όπου τα αιωροφμενα ςωματίδια δεν εμποδίηουν τον υετό. Πλα αυτά ςυνοψίηονται ςτο κεμελιϊδεσ μοντζλο τθσ εικόνασ 1. 75

83 Εικ. 1 Η εξζλιξθ των ϋϋβακειϊνϋϋ εκ μεταφοράσ ςφννεφων αναπτυςςόμενα ςε κακαρι (πάνω) και μολυςμζνθ (κάτω) ατμόςφαιρα. Τα ςταγονίδια των ςφννεφων ενϊνονται ςε ςταγονίδια βροχισ τα οποία εγκαταλείπουν τα κακαρά ςφννεφα. Τα μικρότερα ςταγονίδια ςτθ ρυπαςμζνθ ατμόςφαιρα δεν αποτίκενται πριν φτάςουν ςε επίπεδα με κερμοκραςίεσ υπό του μθδενόσ, όπου παγϊνουν και αφοφ πζςουν λιϊνουν ςε χαμθλότερα επίπεδα. Η πρόςκετθ εκπομπι λανκάνουςασ κερμότθτασ από το πάγωμα ψθλά και θ επαναπορροφοφμενθ κερμότθτα ςτα χαμθλά επίπεδα από το λιϊςιμο του πάγου ςυνεπάγεται μεγαλφτερθ μεταφορά κερμότθτασ προσ τα πάνω για το ίδιο ποςό υετοφ ςτθν επιφάνεια ςτθν πιο ρυπαςμζνθ ατμόςφαιρα. Αυτό ςθμαίνει μείωςθ περιςςότερθσ αςτάκειασ για το ίδιο ποςό βροχοπτϊςεων. Το αναπόφευκτο αποτζλεςμα είναι ενδυνάμωςθ των εκ μεταφοράσ ςφννεφων και επιπρόςκετα των βροχοπτϊςεων, παρά τθν πιο αργι μετατροπι των ςταγονιδίων νεφϊν ςε ςταγόνεσ βροχισ. 76

84 Αυτό το μοντζλο προτείνει ότι επιβραδφνοντασ τον ρυκμό τθσ αυτομετατροπισ των ςταγονιδίων νεφϊν ςε ςταγονίδια βροχισ, κακυςτερείται θ απόκεςθ του νεροφ από τα ςφννεφα, ζτςι ϊςτε περιςςότερο νερό να μπορεί να ανεβαίνει ςε φψθ όπου θ κερμοκραςία είναι μικρότερθ των 0 ο C. Ακόμα και αν το ςυνολικό ποςό βροχόπτωςθσ δεν μειϊνεται από τθν αφξθςθ των αιωροφμενων ςωματιδίων, κακυςτερϊντασ το ςχθματιςμό βροχισ είναι αρκετό ϊςτε να προκαλζςει ενδυνάμωςθ τθσ δραςτικότθτασ των νεφϊν. Μθ βρζχοντασ πρόωρα, το ςυμπυκνωμζνο νερό ςτα ςφννεφα μετατρζπεται ςε υετό ςωματιδίων πάγου τα οποία ελευκερϊνουν τθν λανκάνουςα κερμότθτα παγϊνοντασ ψθλά και επαναπορροφοφν κερμότθτα ςτα χαμθλά επίπεδα όπου και λιϊνουν αφοφ πζςουν ςτο ζδαφοσ. Ο ρόλοσ του λιϊςιμου του πάγου ςτθν ενδυνάμωςθ των εκ μεταφοράσ ςφννεφων κάτω από το ιςοκερμικό επίπεδο των 0 ο C ζχει μοντελοποιθκεί επιτυχϊσ, αν και υπάρχουν μοντζλα που επίςθσ προβλζπουν ενδυνάμωςθ μζςω τθσ αφξθςθσ των επιπζδων των αερολυμάτων ακόμα και χωρίσ τθν διαδικαςία τθσ ϋϋπαγοποίθςθσϋϋ. Αυτά τα μοντζλα προτείνουν ότι θ κακυςτζρθςθ τθσ πρόωρθσ βροχισ προκαλεί μεγαλφτερα ποςά νεροφ ςτα ςφννεφα κακϊσ και πιο ζντονεσ βροχοπτϊςεισ απ αυτά, αλλά αργότερα ςτον κφκλο ηωισ του ςφννεφου. Θ αυξθμζνθ ψφξθ των υδρατμϊν του προςτικζμενου νεροφ ςτα ςφννεφα, κυρίωσ ςτα downdrafts, παρζχει μζροσ τθσ ενδυνάμωςθσ από το μθχανιςμό των εμπλουτιςμζνων κρφων λιμνϊν κοντά ςτθν επιφάνεια ο οποίοσ ωκεί προσ τα πάνω τον περιβαλλοντικό αζρα. Πςο πιο χαμθλά ςυμβαίνει ψφξθ και όςο πιο ψθλά κζρμανςθ, οδθγοφμαςτε ςτθν ενδυνάμωςθ τθσ προσ τα άνωκεν μεταφορά κερμότθτασ για το ίδιο ποςό υετοφ ςτθν επιφάνεια. Θ μείωςθ περιςςότερθσ εκ μεταφοράσ διακζςιμθσ λανκάνουςασ ενζργειασ (convective available potential energy - CAPE) για το ίδιο ποςό βροχόπτωςθσ κα μετατρεπόταν αργότερα ςε ζνα εξ ίςου μεγαλφτερο ποςό από εκπεμπόμενθ κινθτικι ενζργεια που κα μποροφςε να ενιςχφςει τθν μεταγωγι κερμότθτασ και να οδθγιςει ςε μία μεγαλφτερθ εκ μεταφοράσ ανατροπι, περιςςότερο υετό, και βακφτερθ κζνωςθ τθσ ςτατικισ αςτάκειασ. Ρροςομοιϊςεισ ζχουν δείξει ότι θ περιςςότερθ κζρμανςθ ψθλότερα ςτθν τροπόςφαιρα ενδυναμϊνει τα ατμοςφαιρικά ςυςτιματα κυκλοφορίασ. 77

85 Στα ςφννεφα με βάςεισ κοντά ι πάνω από τθν ιςοκερμικι των 0 ο C, ςχεδόν όλο το ςυμπφκνωμα παγϊνει, ακόμα και αν αρχικά ςχθματίηεται ςε πολφ κρφεσ ςταγόνεσ βροχισ ςε ζνα περιβάλλον με χαμθλζσ ςυγκεντρϊςεισ CCN. Επιπλζον, θ επιβράδυνςθ του ρυκμοφ τθσ αυτομετατροπισ λόγω των μεγάλων ςυγκεντρϊςεων CCN κακιςτά τα περιςςότερα από τα ςταγονίδια των νεφϊν αερομεταφερόμενα όταν δυνατά ανοδικά ρεφματα αζρα τα ωκοφν πάνω από το ομοιογενζσ επίπεδο (~ - 38 ο C) δθμιουργίασ πυρινων πάγου, όπου παγϊνουν ςχθματίηοντασ μικρά ςωματίδια πάγου τα οποία δεν ζχουν κανζνα δραςτικό μθχανιςμό για να μπορζςουν να ςυγκολλθκοφν και μετά να αποτεκοφν ςτθν επιφάνεια τθσ γθσ. Αυτό το φαινόμενο παρατθρικθκε από αεροςκάφοσ και προςομοιϊκθκε ςε εκ μεταφοράσ καταιγίδεσ ςτο δυτικό Τζξασ και ςε μεγάλεσ πεδιάδεσ των Θνωμζνων Ρολιτειϊν. Πταν θ ίδια προςομοίωςθ επαναλιφκθκε με μειωμζνεσ ςυγκεντρϊςεισ CCN, το υπολογιηόμενο ποςό βροχόπτωςθσ αυξικθκε ουςιαςτικά. Το ίδιο μοντζλο ζδειξε ότι προςκζτοντασ μικρά CCN αιωροφμενα ςωματίδια ςε ςφννεφα με κερμι βάςθ ζχουμε το ακριβϊσ αντίκετο αποτζλεςμα απ ότι ςτα ςφννεφα με ψυχρι βάςθ : αυξάνεται το ποςό του υετοφ δυναμϊνοντασ τθν εκ μεταφοράσ κερμότθτα, ενϊ θ αποδοτικότθτα του υετοφ διατθρείται (ο επιφανειακόσ υετόσ διαχωρίηεται από το ςυνολικό ςυμπφκνωμα των νεφϊν) ελαττωμζνθ. Θ ενδυνάμωςθ λόγω τθσ επιβράδυνςθσ τθσ αυτομετατροπισ από τα αιωροφμενα ςωματίδια μπορεί να εξθγθκεί ςφμφωνα με κεμελιϊδεισ κεωρθτικζσ μελζτεσ τθσ κεωρίασ του ψευδοαδιαβατικοφ πακζτου (Εικ. 2). Θ εκ μεταφοράσ διακζςιμθ λανκάνουςα ενζργεια (CAPE) μετρά το ποςό υγρισ ςτατικισ ενζργειασ που είναι διακζςιμθ για να προωκιςει τθ μεταφορά κερμότθτασ. Θ τιμι τθσ υπολογίηεται κανονικά αν αναφερκοφμε ςε ζνα ψευδο-αδιαβατικό πακζτο νεφϊν το οποίο ανυψϊνεται ενϊ αποκζτει όλο το ςυμπφκνωμα του με μορφι βροχισ, ακόμα και ςε κερμοκραςίεσ υπό του μθδενόσ. 78

86 Εικ. 2 Η άνωςθ ενόσ χωρίσ προςμίξεισ πακζτου αζρα που ανυψϊνεται αδιαβατικά. Στο 0 τθσ άνωςθσ αντιςτοιχεί το κανονικό πακζτο αζρα : κορεςμζνο ςε νερό υγρισ μορφισ, αποκζτει όλα τα ςυμπυκνϊματά του αμζςωσ χωρίσ να παγϊνει (κάκετθ γραμμι b). Η βάςθ του ςφννεφου είναι ςτουσ 22 ο C και ςτα 960 hpa. Η άνωςθ των ακόλουκων εκδοχϊν δείχνουν : a) καταςτολι βροχόπτωςθσ και διατιρθςθ όλου του ςυμπυκνωμζνου νεροφ ϋϋφορτωμζνουϋϋ ςτο πακζτο αζρα, χωρίσ να παγϊνει. b) απόκεςθ όλου του ςυμπυκνωμζνου νεροφ, χωρίσ να παγϊνει. c) απόκεςθ όλων των ςυμπυκνωμάτων, χωρίσ να παγϊνει για Τ < -4 0 C. d) καταςτολι απόκεςθσ μζχρι Τ=-4 0 C, και μετά πάγωμα και απόκεςθ όλου του ςυμπυκνωμζνου νεροφ πάνω από τθ κερμοκραςία αυτι. Η εκλυόμενθ ςτατικι ενζργειa J kg -1 ςε ςχζςθ με τθ γραμμι αναφοράσ b δείχνεται από τουσ αρικμοφσ δίπλα από τισ αντίςτοιχεσ καμπφλεσ. 79

87 Θεωριςτε τθν περίπτωςθ ενόσ τροπικοφ πακζτου αζρα το οποίο ανεβαίνει από το επίπεδο τθσ κάλαςςασ και οι αρχικζσ ςυνκικεσ τθσ βάςθσ του ςφννεφου είναι πίεςθ 960 hpa και κερμοκραςία 22 0 C. Πταν δεν επιτρζπεται θ απόκεςθ, όλο το ςυμπυκνωμζνο νερό παραμζνει ςτο πακζτο και απαιτεί ενζργεια ίςθ με 415 J kg -1 για να ανυψωκεί ςτο φψοσ τθσ ιςόκερμθσ των -4 0 C (ςθμείο d1 ςτθν εικ.3), που είναι θ υψθλότερθ κερμοκραςία ςτθν οποία λαμβάνει χϊρα πρακτικά το πάγωμα ςτθν ατμόςφαιρα. Ραγϊνοντασ όλο το νερό που περιζχεται ςτα ςφννεφα κα ηζςταινε τον αζρα και κα πρόςκετε κερμικι άνωςθ από μία ποςότθτα θ οποία κα ιςορροποφςε ςχεδόν ακριβϊσ το ςυμπυκνωμζνο φορτίο (d2). Πταν τα υδρομετζωρα πάγου αποτίκενται από ζνα πακζτο αζρα, τότε αυτό γίνεται κετικότερο ςτθν άνωςθ λόγω του μειωμζνου του βάρουσ (d3), με αποτζλεςμα θ εκλυόμενθ εκ μεταγωγισ κερμότθτασ ενζργεια ςτθν κορυφι του ςφννεφου (d4) να γίνεται μζγιςτθ. Ριο ςυγκεκριμζνα, είναι μεγαλφτερθ από περίπου 1000 J kg -1 ςε ςχζςθ με τθν περίπτωςθ όπου το νερό από το ςφννεφο αποτίκεται με τθ μορφι βροχισ κάτω από τθν ιςοκερμικι των -4 0 C και με τθ μορφι πάγου πάνω από το επίπεδο αυτό (c1). Ωςτόςο, περαιτζρω επιβράδυνςθ τθσ μετατροπισ του νεροφ των νεφϊν ςε υετό ςε φψθ μεγαλφτερα από το επίπεδο των 0 ο C ελαττϊνει τθν μεταγωγι κερμότθτασ. Στθν πιο ακραία περίπτωςθ παράταςθσ τθσ καταςτολισ από το ιςοκερμικό επίπεδο των -4 0 C ς αυτό των C, καταναλϊνεται επιπλζον ενζργεια 727 J kg -1 για τθν ανφψωςθ των ςυμπυκνωμάτων. Δεν υπάρχει αποτελεςματικόσ μθχανιςμόσ για τθν απόκεςθ του νεροφ των νεφϊν που πάγωςε ομοιογενϊσ ςχθματίηοντασ ψιγματα πάγου. Αυτό κα εμπόδιηε τθν εκφόρτωςθ του πακζτου αζροσ, καταναλϊνοντασ ακόμα περιςςότερθ εκ μεταγωγισ κερμότθτασ ενζργεια και καταςτζλλοντασ περαιτζρω τθ μεταγωγι κερμότθτασ και τθν απόκεςθ. Στθν πραγματικότθτα, τα πακζτα νεφϊν πάντοτε ενϊνονται με το περιβάλλον, αλλά αυτό ιςχφει εξίςου για όλεσ τισ περιπτϊςεισ ςτθν εικόνα 2, ζτςι ϊςτε ποιοτικά οι αντιπαραβαλλόμενεσ επιδράςεισ των αιωροφμενων ςωματιδίων να παραμζνουν οι ίδιεσ. Αν και οι εξιδανικευμζνοι υπολογιςμοί εδϊ είναι χριςιμοι για να κακιερϊςουν τισ ζννοιεσ, οι ακριβείσ υπολογιςμοί απαιτοφν τθν εκτζλεςθ τριςδιάςτατων μοντζλων για όλο τον κφκλο ηωισ των εκ μεταγωγισ κερμότθτασ ςυςτθμάτων νεφϊν, ακολουκοφμενοι από επικφρωςθ με λεπτομερείσ παρατθριςεισ. 80

88 Θ ςθμαςία του ελζγχου τθσ εκλυόμενθσ εκ μεταγωγισ κερμότθτασ ενζργειασ από τα αιωροφμενα ςωματίδια προςκζτοντασ τουλάχιςτον 1000 J kg -1 μπορεί να εκτιμθκεί αν αναλογιςτοφμε ότι θ εκ μεταφοράσ διακζςιμθ λανκάνουςα ενζργεια (CAPE) κυμαίνεται περίπου από 1000 ζωσ 1500 J kg -1 ςτον Αμαηόνιο. Ρροςομοιϊςεισ για αιωροφμενα ςωματίδια με αυξθμζνα τα ανοδικά ρεφματα αζρα κατά 20%, δείχνουν αφξθςθ τθσ εκλυόμενθσ εκ μεταγωγισ κερμότθτασ ενζργειασ κοντά ςτο 50 %. 5.4 Ο ρόλοσ των επιδράςεων λόγω ακτινοβολίασ εναντίον των μικροφυςικϊν επιδράςεων των αιωροφμενων ςωματιδίων Μζχρι τϊρα, οι επιδράςεισ λόγω ακτινοβολίασ και οι μικροφυςικζσ επιδράςεισ των αιωροφμενων ςωματιδίων ςτο κλιματικό ςφςτθμα εξεταηόταν χωριςτά και ανεξάρτθτα. Οι ποικίλεσ και ςυχνά ςυγκρουόμενεσ επιδράςεισ δεν είναι υποκείμενεσ ςε ποςοτικι ςτάκμιςθ ςτθν ίδια κλίμακα. Λαμβάνοντασ υπόψθ τισ αντιτικζμενεσ μικροφυςικζσ και λόγω ακτινοβολίασ επιδράςεισ ςτθ ποςότθτα των βροχοπτϊςεων από τα ϋϋβακειάϋϋ και με ηεςτι βάςθ ςφννεφα, αναδεικνφεται θ ανάγκθ να αξιολογθκοφν τα ςυνδυαςμζνα αποτελζςματα αυτϊν των δφο παραγόντων. Μία ποςοτικι ςφγκριςθ μεταξφ τθσ ιςχφοσ των επιδράςεων λόγω ακτινοβολίασ και των μικροφυςικϊν επιδράςεων των αιωροφμενων ςωματιδίων παρουςιάηεται ςτθν εικόνα 3. 81

89 Εικ. 3 χιμα για τθν εξιγθςθ τθσ ςχζςθσ μεταξφ των επιδράςεων λόγω ακτινοβολίασ και των μικροφυςικϊν επιδράςεων των αιωροφμενων ςωματιδίων Το οπτικό πάχοσ των αιωροφμενων ςωματιδίων aerosol optical thickness (ΑΟΤ), φτάνει τθν μονάδα για CCN 0.4 = 10 4 cm -3 (κόκκινθ διακεκομμζνθ γραμμι), που αντιςτοιχεί ςε ςχθματιςμό πυρινων από 2000 ςταγονίδια νεφϊν ανά cm 3. Η ςχετικι μετάδοςθ ακτινοβολίασ που φτάνει ςτθν επιφάνεια δείχνεται από τθν ςυνεχι κόκκινθ γραμμι. Η ιςχφσ τθσ μεταγωγισ κερμότθτασ δείχνεται από τθν μπλζ γραμμι, θ οποία δείχνει τθν εκλυόμενθ εκ μεταγωγισ κερμότθτασ διακζςιμθ λανκάνουςα ενζργεια [convective available potential energy (CAPE)] ενόσ πακζτου νζφουσ που ανεβαίνει ςτθν κορυφι του νζφουσ κοντά ςτθν τροπόπαυςθ. Ο υπολογιςμόσ βαςίηεται ςτο ςχιμα τθσ εικόνασ 2, με ζμφαςθ ςτθν καμπφλθ c που τθ κεωροφμε το ςθμείο μθδενικισ αναφοράσ. Σθμειϊνουμε ότι το μζγιςτο ςτθν CAPE, λαμβάνει χϊρα για CCN cm -3, που αντιςτοιχεί ςτθ μζγιςτθ ενδυνάμωςθ νεφϊν ςφμφωνα με τθν καμπφλθ d ςτο ςχιμα τθσ εικόνασ 2. Το ΑΟΤ που αντιςτοιχεί ςτο CCN 0.4 για το μικροφυςικό μζγιςτο είναι μόλισ Αυξάνοντασ τα αιωροφμενα ςωματίδια πζραν αυτοφ του ςθμείου, μειϊνεται ουςιαςτικά θ ιςχφσ του ςφννεφου επειδι και οι μικροφυςικζσ αλλά και οι επιδράςεισ λόγω ακτινοβολίασ εργάηονται προσ τθν ίδια κατεφκυνςθ : μικρότερθ ζκλυςθ εκ μεταγωγισ κερμότθτασ ενζργειασ ψθλά και λιγότερθ κζρμανςθ από ακτινοβολία ςτθν επιφάνεια. 82

90 Επειδι τα οπτικϊσ ενεργά αιωροφμενα ςωματίδια είναι μεγαλφτερα από 0.05 μm ςε ακτίνα και επειδι τα αιωροφμενα ςωματίδια με μεγάλο χρόνο ηωισ που προκαλοφν ρφπανςθ του αυτοφ ι μεγαλφτερου μεγζκουσ δροφν ωσ CCN, οι ςυγκεντρϊςεισ CCN γενικά αυξάνονται με το οπτικό πάχοσ των αιωροφμενων ςωματιδίων (Αerosol Οptical Τhickness - ΑΟΤ) (εικόνα 4). Εικ. 4 Σχζςεισ μεταξφ οπτικϊν παχϊν ςτα 500 nm και ςυγκεντρϊςεων CCN ςε υπερκορεςμό 0,4 % από μελζτεσ όπου αυτζσ οι μεταβλθτζσ ζχουν μετρθκεί ταυτόχρονα ι από διακζςιμα δεδομζνα από κοντινζσ κζςεισ ςε ςυγκρίςιμεσ χρονικζσ ςτιγμζσ. Τα error bars ςτο διάγραμμα εκφράηουν τθν διακφμανςθ των μετριςεων μεταξφ των διαφόρων μελετϊν. Θ εξίςωςθ που ςυνδζει τα μεγζκθ ΑΟΤ (y) και CCN0.4 (x) δίνεται ςτο ςχιμα. Ππου R είναι ο ςυντελεςτισ αλλθλεξάρτθςθσ. Για τθν παραπάνω γραφικι παράςταςθ εξαιροφνται τα αιωροφμενα ςωματίδια από τθν ςκόνθ εριμων. 83

91 Θ εμπειρικι ςχζςθ μεταξφ ΑΟΤ και CCN δείχνεται ςτθν εικ. 3, AOT = (CCN 0.4 ) 0.64, όπου CCN 0.4 είναι θ ςυγκζντρωςθ ενεργϊν CCN ςε ζνα υπερκορεςμό 0.4%. Θ ςυγκζντρωςθ των ςταγονιδίων νεφϊν N c είναι ανάλογθ του (CCN 0.4 ) k, όπου το k είναι τυπικά μικρότερο τθσ μονάδασ. Θζτοντασ όπου k=0,825 ςυνεπάγεται 2000 ςταγονίδια νεφϊν ανά cm 3 για 10 4 CCN 0.4 ανά cm 3, που αντιςτοιχεί ςε ΑΟΤ=1. Θ τιμι του k προζκυψε από τον Ramanathan αν και ο Freud τθν υπολόγιςε κοντά ςτθν τιμι 1. Θ N c φαινόταν να ςχετίηεται με το βάκοσ πάνω από τθν βάςθ των ςφννεφων που απαιτείται για να ξεκινιςει βροχι. Αυτό το βάκοσ προςδιορίηει τθν κερμοδυναμικι τροχιά του ςε ανφψωςθ πακζτου αζρα άρα και τθν ιςχφ τθσ εκ μεταγωγισ κερμότθτασ και το μζγεκοσ τθσ ανατροπισ τθσ μεταγωγισ κερμότθτασ, το οποίο προςδιορίηει το ποςό το ποςό τθσ βροχόπτωςθσ που παράγεται από το ςφςτθμα του νζφουσ κακ όλθ τθν διάρκεια του κφκλου ηωισ του. Το ςυννεφϊδεσ πακζτο αζρα ανεβαίνει κατά μικοσ τθσ καμπφλθσ a ςτθν εικόνα 2, για όςο χρονικό διάςτθμα θ κορυφι του ςφννεφου δεν ζχει φτάςει ςτο ςθμείο D και μετατοπίηεται ςε μια τροχιά μεταξφ των καμπυλϊν c και d ανάλογα με το ποςό του ςυμπυκνωμζνου νεροφ ςε εκείνο το φψοσ. Θ εξάρτθςθ του D ςτουσ CCN δείχνεται από ζνα ςυνδυαςμό μετριςεων από αεροςκάφθ που δίνουν μία προςεγγιςτικι ςχζςθ του D=80+(4x CCN 0.4 ). Σφμφωνα μ αυτι τθν ςχζςθ οι CCN 0.4 κα ζπρεπε να φτάνουν περίπου τουσ 1200 ανά cm 3 για να εμποδίηουν τυπικά τροπικά ςφννεφα να βρζξουν πρίν φτάςουν τθν πρακτικά κερμοκραςία παγϊματοσ των -4 0 C θ οποία υπάρχει για D=5 km. Στο ςθμείο αυτό το φαινόμενο τθσ ενδυνάμωςθσ είναι ςτο μζγιςτο όπου το ςυννεφϊδεσ πακζτο αζρα ακολουκεί τθν καμπφλθ d ςτθν εικόνα 2. Αυξάνοντασ τουσ CCN πζραν αυτοφ του ςθμείου μειϊνεται θ ιςχφσ τθσ μεταγωγισ κερμότθτασ μετατοπίηοντασ το πακζτο αζρα από τθν καμπφλθ d ςτθν καμπφλθ a τθσ εικόνασ 2. Αυτό ςθμαίνει ότι θ μικροφυςικι επίδραςθ ςτθν ενδυνάμωςθ τθσ μεταγωγισ κερμότθτασ ζχει μζγιςτο ςτισ μζτριεσ ςυγκεντρϊςεισ CCN. Αυτό το μζγιςτο γίνεται μικρότερο για νζφθ με πιο κρφα βάςθ όπου θ απόςταςθ από το ςθμείο παγϊματοσ είναι μικρότερθ, ζτςι λιγότεροι CCN είναι επαρκείσ για να εμποδίςουν το ξεκίνθμα τθσ βροχισ ςτο επίπεδο αυτό. 84

92 Στο ςθμείο όπου θ ενδυνάμωςθ από τισ μικροφυςικζσ επιδράςεισ είναι μζγιςτθ, το ΑΟΤ ςυνεχίηει να βρίςκεται ςτθ πολφ μζτρια τιμι του Ρροςτικζμενα αιωροφμενα ςωματίδια αυξάνουν το ΑΟΤ και μειϊνουν τθ ροι τθσ θλιακισ ενζργειασ ςτθν επιφάνεια θ οποία ενεργοποιεί τθν μεταγωγι κερμότθτασ. Ζτςι, με τθν αφξθςθ των αιωροφμενων ςωματιδίων πάνω από αυτό το μζγιςτο, θ αποδυνάμωςθ τθσ μικροφυςικισ επίδραςθσ ενιςχφεται από τθν παρεμπόδιςθ μείωςθσ τθσ κζρμανςθσ τθσ επιφάνειασ. Θ αλλθλεπίδραςθ μεταξφ των μικροφυςικϊν επιδράςεων και των επιδράςεων λόγω ακτινοβολίασ των αιωροφμενων ςωματιδίων ίςωσ να εξθγεί τισ παρατθριςεισ του Bell, ο οποίοσ ζδειξε ότι ο εβδομαδιαίοσ κφκλοσ των αιωροφμενων ςωματιδίων που προκαλοφν ατμοςφαιρικι ρφπανςθ ςτισ νοτιοανατολικζσ Hνωμζνεσ Ρολιτείεσ ςχετίηεται με ζνα κακθμερινό μζγιςτο και ζνα ελάχιςτο ςτο τζλοσ τθσ εβδομάδασ ςτθν ζνταςθ των απογευματινϊν εκ μεταγωγισ κερμότθτασ βροχοπτϊςεων κατά τθν διάρκεια του καλοκαιριοφ. Αυτό αντικατοπτριηόταν από ζνα ελάχιςτο ςτθν βροχόπτωςθ ςτα μζςα τθσ εβδομάδασ για περιοχζσ που βρίςκονται δίπλα ςτθ κάλαςςα, απεικονίηοντασ μία προκαλοφμενθ από τα αερολφματα- διαμόρφωςθ τθσ ςφγκλθςθσ του αζρα των μουςϊνων και τθν αφξθςθ του πζρα από το ζδαφοσ με επιςτροφι τθσ ροισ ψθλά από τον ωκεανό. Αυτό αποτελεί ζνα αξιοςθμείωτο εφρθμα, κακϊσ υποδεικνφει ότι οι μικροφυςικζσ επιδράςεισ των αιωροφμενων ςωματιδίων ςτθν ενδυνάμωςθ των βακειϊν και με κερμι βάςθ νεφϊν δεν ςυμβαίνει ςε βάροσ των άλλων νεφϊν τθσ ίδιασ περιοχισ, αλλά μπορεί να οδθγιςει ςε αλλαγζσ τθσ κυκλοφορίασ τθσ περιοχισ που οδθγοφν με τθ ςειρά τουσ ςε μεγαλφτερθ ςφγκλθςθ υγραςίασ και αυξθμζνο περιφερειακό υετό. Αυτόσ ο εβδομαδιαίοσ κφκλοσ εμφανίςτθκε ςτα τζλθ τθσ δεκαετίασ του 80 και ενιςχφκθκε κατά τθν δεκαετία του 90 μαηί με τθν ςφγχρονθ χειροτζρευςθ τθσ τάςθσ εξαςκζνιςθσ τθσ θλιακισ ακτινοβολίασ που φκάνει ςτθν επιφάνεια, θ οποία πραγματοποιικθκε μζχρι τθν δεκαετία του 80. Αυτό πικανόν να προκλικθκε από τθν χειροτζρευςθ των εκπομπϊν κειϊκϊν αλάτων και μαφρου άνκρακα. Είναι πικανό ότι ο εβδομαδιαίοσ κφκλοσ προζκυψε όταν τα γενικά επίπεδα αιωροφμενων ςωματιδίων μειϊκθκαν ςτο βακμό εκείνο όπου επικρατοφν οι μικροφυςικζσ επιδράςεισ, όπωσ δείχνεται και ςτθν εικόνα 3. 85

93 5.5 Μζτρθςθ των επιδράςεων λόγω ακτινοβολίασ και των μικροφυςικϊν επιδράςεων των αιωροφμενων ςωματιδίων με το ίδιο μζτρο ςφγκριςθσ Ο υετόσ και οι επιδράςεισ λόγω ακτινοβολίασ των αιωροφμενων ςωματιδίων (άμεςα αλλά και μζςω των νεφϊν) μποροφν να μετρθκοφν ολοκλθρωτικά αν κεωριςουμε τισ ςυνδυαςμζνεσ διαφοροποιιςεισ ςτθν ενζργεια τθσ ατμόςφαιρασ και τθσ επιφάνειασ. Τα μζτρα ςφγκριςθσ που ςυνικωσ χρθςιμοποιοφμε είναι θ radiative forcing** ςτθν κορυφι τθσ ατμόςφαιρασ (Top Of the Atmosphere-TOA) και ςτθν βάςθ τθσ ατμόςφαιρασ (Bottom Of the Atmosphere-BOA) δθλ. τθν επιφάνεια τθσ γισ που μετράται ςε W m -2. Εδϊ προτείνουμε ζνα νζο μζτρο ςφγκριςθσ, τoν κερμοδυναμικό εξαναγκαςμό των αιωροφμενων ςωματιδίων (Thermodynamic Forcing-TF) που αντιπροςωπεφει τθν προκαλοφμενθ από τα αερολφματα αλλαγι ςτο ατμοςφαιρικό ενεργειακό απόκεμα που υπάρχει ςτθ φφςθ. Σε αντίκεςθ με τθν ζνταςθ τθσ ακτινοβολίασ ςτθν ΤΟΑ, θ TF δεν επιφζρει αλλαγζσ ςτο κακαρό ενεργειακό απόκεμα τθσ γισ αλλά το ανακατανζμει εςωτερικά. Γι αυτό το λόγο θ TF επθρεάηει τισ κερμοβακμίδεσ και τθν ατμοςφαιρικι κυκλοφορία. Θ κφρια πθγι τθσ ΤF είναι θ μεταβολι του ποςοφ τθσ λανκάνουςασ κερμότθτασ που ελευκερϊνεται από τισ μεταβολζσ ςτα ςφννεφα και ςτον υετό λόγω των αιωροφμενων ςωματιδίων. Θ κατακόρυφθ κατανομι τθσ ατμοςφαιρικισ κερμότθτασ είναι πολφ ςθμαντικι επειδι προςδιορίηει τθν κατακόρυφθ κερμοβακμίδα και ωσ εκ τοφτου και τθν CAPE θ οποία ποςοτικοποιεί τθν ικανότθτα παραγωγισ νεφϊν λόγω μεταφοράσ κερμότθτασ και τθν δθμιουργία υετοφ. Θ κζρμανςθ τθσ ατμόςφαιρασ λόγω απορρόφθςθσ αιωροφμενων ςωματιδίων τείνει να μειϊςει τθν CAPE και ωσ εκ τοφτου εμποδίηει τθν ανάπτυξθ νεφϊν λόγω μεταφοράσ κερμότθτασ, ενϊ οι μικροφυςικζσ επιδράςεισ των αερολυμάτων επιτρζπουν κα λζγαμε μία «καλφτερθ εκμετάλλευςθ τθσ CAPE» και ζτςι ςυμβάλλουν ςτθν ενδυνάμωςθ των νεφϊν λόγω μεταφοράσ κερμότθτασ και τον υετό που προκφπτει από τθν ενδυνάμωςθ αυτι. Πλεσ οι ςυνιςτϊςεσ που ςυνειςφζρουν ςτθν radiative forcing, θ TF αλλά και οι τελικζσ μεταβολζσ ςτθν CAPE μποροφν να μετρθκοφν ωσ διαταραχζσ ςτθν ροι τθσ ενζργειασ με μονάδεσ μζτρθςθσ τα W m

94 Θεωροφμε το παράδειγμα πακζτου αζρα από τροπικι περιοχι (ελάχιςτθ περιεκτικότθτα ςε αιωροφμενα ςωματίδια) που αλλάηει διαδρομι από τθν c ςτθν d ςτθν Εικ.2. Πταν τελειϊςει ο κφκλοσ μεταφοράσ τθσ κερμότθτασ επιπλζον ενζργεια 1000 J kg -1 ζχει αφαιρεκεί από τθν CAPE εξ αιτίασ τθσ μεταφοράσ κερμότθτασ υπό ςυνκικεσ κακαρισ ατμόςφαιρασ. Θ επακόλουκθ αφξθςθ τθσ μεταφοράσ κερμότθτασ φαίνεται να παράγει περιςςότερθ βροχι και να αυξάνει τθν κερμοκραςία μετατρζποντασ περιςςότερθ λανκάνουςα κερμότθτα ςε αιςκθτι κερμότθτα με ρυκμό 29 W m -2 για κάκε προςτικζμενο χιλιοςτό βροχόπτωςθσ. Θ διαδικαςία αυτι αυξάνει τθν βροχόπτωςθ και επιταχφνει τον υδρολογικό κφκλο. Αν τϊρα το πακζτο αζρα ζχει μεγαλφτερθ περιεκτικότθτα ςε αιωροφμενα ςωματίδια θ επίδραςθ του λόγω ακτινοβολίασ κα τείνει να μειϊςει τθν επιφανειακι λανκάνουςα κερμότθτα και τθν αιςκθτι κερμότθτα και να κερμάνει τθν μεςαία τροπόςφαιρα. Αυτι θ ςτακεροποίθςθ τθσ ατμόςφαιρασ προκαλεί λιγότερθ μεταφορά κερμότθτασ τθσ CAPE, λιγότερθ βροχόπτωςθ και ωσ εκ τοφτου επιβράδυνςθ του υδρολογικοφ κφκλου. **[Oριςμόσ του radiative forcing ι «μεταβολι λόγω επίδραςθσ τθσ ακτινοβολίασ» ι «κλιματικοφ εξαναγκαςμοφ λόγω μεταβολισ τθσ ακτινοβολίασ» : Είναι θ μεταβολι ςτθν ολικι ροι ακτινοβολίασ ςτο φψοσ τθσ τροπόπαυςθσ όταν μεταβλθκεί θ ςυγκζντρωςθ ενόσ από τα ςυςτατικά τθσ ατμόςφαιρασ τα οποία εμφανίηονται ενεργά ωσ προσ τθν ακτινοβολία (κερμοκθπικά αζρια, αερολφματα, νζφθ), κεωρϊντασ ότι θ κερμοκραςία ςτθν επιφάνεια του εδάφουσ και ςτθν τροπόπαυςθ παραμζνει ςτακερι. Θ radiative forcing είναι ουςιαςτικά θ άμεςθ μζτρθςθ τθσ παγκόςμιασ μζςθσ τιμισ του ρυκμοφ μεταβολισ τθσ ροισ ενζργειασ λόγω τθσ γνωςτισ μεταβολισ τθσ ςυγκζντρωςθσ των αιωροφμενων ςωματιδίων.] 87

95 5.6 υνοψίηοντασ Το ςθμαντικότερο ςυμπζραςμα αυτοφ του κεφαλαίου είναι ο ςυςχετιςμόσ μεταξφ του ΑΟΤ και τθσ ςυγκζντρωςθσ των CCN. O ςυςχετιςμόσ αυτόσ που δείξαμε παραπάνω ςθμαίνει ότι τουλάχιςτον για μεγάλεσ κλίμακεσ- οι επιδράςεισ λόγω ακτινοβολίασ και οι μικροφυςικζσ επιδράςεισ των αιωροφμενων ςωματιδίων ςτθ φυςικι των νεφϊν δεν μποροφν να μελετθκοφν ξεχωριςτά. Σφμφωνα με τθν Εικ. 3 υπάρχει ζνα μζγιςτο ςτθ ςυγκζντρωςθ των CCN ςτθν τροπικι ατμόςφαιρα που αντιςτοιχεί ςτθν μζγιςτθ μεταφορά κερμότθτασ, που ςυνεπάγεται τθν μζγιςτθ ενδυνάμωςθ των νεφϊν και άρα το μζγιςτο ποςό βροχόπτωςθσ απ αυτά. Το μζγιςτο αυτό υπολογίηεται για ΑΟΤ 0.25 και ςυγκζντρωςθ CCN cm -3. Aυξάνοντασ τα αιωροφμενα ςωματίδια πζραν αυτοφ του μζγιςτου ζχουμε ακριβϊσ τα αντίκετα αποτελζςματα μιασ και ουςιαςτικά μειϊνεται θ ιςχφσ των ςφννεφων επειδι οι μικροφυςικζσ αλλά και οι επιδράςεισ λόγω ακτινοβολίασ «εργάηονται» προσ τθν ίδια κατεφκυνςθ, δθλαδι μικρότερθ μεταφορά κερμότθτασ προσ τα ανϊτερα ςτρϊματα τθσ ατμόςφαιρασ, λιγότερθ βροχόπτωςθ και λιγότερθ κζρμανςθ τθσ επιφάνειασ τθσ γθσ από τθν ακτινοβολία που φκάνει ς αυτι. Θ ςυγκεκριμζνθ μελζτθ ζχει βρεί κετικι ανταπόκριςθ ςε πειραματικά δεδομζνα που αφοροφν τθν περιοχι του Αμαηονίου *I. Koren, J. V. Martins, L. A. Remer, H. Afargan, Science321, 946 (2008)]. 88

96 ΚΕΦΑΛΑΙΟ : 6 ΟΙ ΕΠΙΠΣΩΕΙ ΣΩΝ ΑΙΩΡΟΤΜΕΝΩΝ ΩΜΑΣΙΔΙΩΝ ΣΟΝ ΚΑΛΟΚΑΙΡΙΝΟ ΜΟΤΩΝΑ ΣΗ ΙΝΔΙΑ 6.1 Γενικά ςτοιχεία Στο κεφάλαιο αυτό παρουςιάηουμε μζςω δορυφόρων αλλά και επί τόπου αποδείξεισ, που υποδεικνφουν τθν πικανι επίδραςθ των αιωροφμενων ςωματιδίων ςτον καλοκαιρινό μουςϊνα τθσ Ινδίασ. Τα αποτελζςματα δείχνουν ότι θ αφξθςθ των αιωροφμενων ςωματιδίων ςτθν πεδιάδα των ποταμϊν Ινδοφ και Γάγγθ (Indo Gangetic Plain-IGP) τισ τελευταίεσ δεκαετίεσ ζχει οδθγιςει ςε μία μακροπρόκεςμθ αφξθςθ τθσ κερμότθτασ ςτθν ανϊτερθ τροπόςφαιρα πάνω από τθν βόρεια Ινδία και το οροπζδιο του Θιβζτ, αυξάνοντασ μ αυτό τον τρόπο τθν βροχόπτωςθ ςτθν βόρεια Ινδία και τουσ πρόποδεσ των Ιμαλαΐων ςτισ αρχζσ τθσ περιόδου των μουςϊνων (Μάιοσ- Ιοφνιοσ). Θ αφξθςθ αυτι ακολουκείται όμωσ από μείωςθ τθσ βροχόπτωςθσ ςτο τζλοσ τθσ περιόδου των μουςϊνων (Ιοφλιοσ-Αφγουςτοσ). Indo Gangetic Plain-IGP 89

97 6.2 Ειςαγωγι Θ μελζτθ των μακροπρόκεςμων τάςεων των μουςϊνων τθσ Ινδίασ είναι βαςικι για τον κακοριςμό των επιπτϊςεων τθσ κλιματικισ αλλαγισ ςτθν περιοχι αυτι και τον κοινωνικό αντίκτυπο που ζχει ςε ςχεδόν 1.2 δισ. Ανκρϊπουσ, δθλ. το 1/6 του ςυνολικοφ πλθκυςμοφ τθσ Γθσ. Υπάρχουν πολλζσ αποδείξεισ κυρίωσ από μοντζλα αναπαράςταςθσ του κλίματοσ που δείχνουν ότι οι αυξθμζνεσ ςυγκεντρϊςεισ αερολυμάτων (κυρίωσ μαφρου άνκρακα, ςκόνθσ αλλά και μίξθσ αυτϊν των δφο) πάνω από τθν Ινδία, ζχουν ςθμαντικι επίδραςθ ςτισ βροχοπτϊςεισ των μουςϊνων και ςτθν κυκλοφορία τθσ ατμόςφαιρασ. Θ μακροπρόκεςμθ μείωςθ τθσ θλιακισ ακτινοβολίασ που ςχετίηεται άμεςα με τθν αφξθςθ των ςωματιδίων εξ αιτίασ τθσ βιομθχανικισ δραςτθριότθτασ και τθσ αφξθςθσ του πλθκυςμοφ τθσ Ινδίασ, ζχει δειχκεί ςε προθγοφμενεσ μελζτεσ [Ramanathan et al., 2005; Padma Kumari et al., 2007]. Τα αποτελζςματα όμωσ τθσ αφξθςθσ των ςωματιδίων ςτισ βροχοπτϊςεισ τθν περίοδο των μουςϊνων ποικίλουν και αυτό εξαρτάται από τθν διάρκεια των μετριςεων και από το αν ςτθ μελζτθ ζχουν χρθςιμοποιθκεί όλα τα δεδομζναμετριςεισ κακ όλθ τθ διάρκεια των βροχοπτϊςεων. Ρρόςφατα ο Dash et al. [2009] βρικε ότι οι Ινδικοί μουςϊνεσ ζχουν ποικίλεσ μακροπρόκεςμεσ τάςεισ που εξαρτϊνται από τισ περιοχζσ και τουσ μινεσ. Υπιρξαν προθγοφμενεσ μελζτεσ που ςαν αντικείμενό τουσ είχαν τθν μελζτθ των τάςεων των μουςϊνων ςυναρτιςει διάφορων τοπικϊν-φυςικϊν χαρακτθριςτικϊν των περιοχϊν τθσ Ινδίασ. Στθ μελζτθ αυτι ελζγχουμε τισ μακροπρόκεςμεσ τάςεισ των μουςϊνων για περιοχζσ τθσ Ινδίασ ςυναρτιςει τθσ επίδραςθσ που ζχουν ς αυτοφσ θ αφξθςθ των αιωροφμενων ςωματιδίων. Τα αιωροφμενα ςωματίδια μειϊνουν τισ βροχοπτϊςεισ ςτθν Ινδία κατά τθν εποχι των μουςϊνων εξ αιτίασ τθσ μείωςθσ τθσ θλιακισ ακτινοβολίασ που φκάνει ςτθν επιφάνεια τθσ Γθσ το λεγόμενο και «θλιακό ςκοτείνιαςμα» (Solar Dimming Effect-SDM) που ζχει ωσ αποτζλεςμα τθν ελάττωςθ τθσ κερμικισ διαφοράσ μεταξφ βοράσ-νότου, που ςυνεπάγεται και τθν ελάττωςθ τθσ τοπικισ μεςθμβρινισ κυκλοφορίασ των μουςϊνων [Ramanathan et al., 2005]. Από τθν άλλθ ο Lau et. Al [2006, 2008] προτείνει τθν «υπόκεςθ» τθσ ανοδικισ μεταφοράσ κερμότθτασ (Elevated Heat Pump EHP) κατά τθν οποία θ 90

98 ςυςςϊρευςθ τθσ ςκόνθσ και του μαφρου άνκρακα, πάνω από τθν IGP και τουσ πρόποδεσ των Ιμαλαΐων κατά τθ διάρκεια τθσ προ-μουςϊνων περιόδου, προκαλεί αφξθςθ τθσ κερμότθτασ ςτθ μεςαία και ανϊτερθ τροπόςφαιρα και ωσ εκ τοφτου οδθγεί ςε αφξθςθ τθσ βροχόπτωςθσ πάνω από τθν βόρεια Ινδία ςτα τζλθ τθσ άνοιξθσ και ςτισ αρχζσ του καλοκαιριοφ. Πμωσ θ αφξθςθ τθσ βροχισ και οι προκαλοφμενεσ απ αυτι αλλαγζσ ςτον υδρολογικό κφκλο ςτθν αρχι των μουςϊνων, οδθγεί ςε μειωμζνεσ βροχοπτϊςεισ ςε όλθ τθν Ινδία ςτα μζςα και ςτα τζλθ του καλοκαιροφ. Ο μθχανιςμόσ EHP είναι ςθμαντικόσ για τουσ μουςϊνεσ όχι μόνο βραχυπρόκεςμα (ζνασ χρόνοσ) αλλά και μακροπρόκεςμα (μζχρι και δεκαετίεσ). Ρρόςφατεσ παρατθτθςιακζσ μελζτεσ ζδειξαν ότι μία μακροπρόκεςμθ αυξθτικι τάςθ ςτθ κερμότθτα τθσ ανϊτερθσ τροπόςφαιρασ πάνω από τθν βορειοδυτικι Ινδία και το Ρακιςτάν, ςυνδζεται με τθν «υπόκεςθ» EHP του Lau [Gautam et al., 2009; Prasad et al., 2009]. Στθ μελζτθ αυτι χρθςιμοποιικθκαν τα δεδομζνα βροχόπτωςθσ του GPCP (Global Precipitation Climatology Project) και του IITM (Indian Institute of Tropical Meteorology), το όργανο μετριςεων OMI-AI (Ozone Measuring Instrument Aerosol Index), ςτοιχεία τθσ επίδραςθσ των αιωροφμενων ςωματιδίων ςτθν ορατότθτα, δεδομζνα κερμοκραςίασ για τα ανϊτερα τμιματα τθσ τροπόςφαιρασ με τθ βοικεια του μετρθτικοφ οργάνου ΜSU (Microwave Sounding Unit) και ςτοιχεία για τουσ ανζμουσ από το NCEP (National Center for Environmental Prediction. 91

99 6.3 Αποτελζςματα Αφξθςθ των αιωροφμενων ςωματιδίων πάνω από τθν IGP Θ αφξθςθ του πλθκυςμοφ και θ βιομθχανοποίθςθ τισ τελευταίεσ δεκαετίεσ οδιγθςε ςτθ ραγδαία αφξθςθ τθσ ςυγκζντρωςθσ των ατμοςφαιρικϊν αιωρθμάτων μαφρου άνκρακα πάνω από τθν IGP, μία πυκνοκατοικθμζνθ περιοχι που οριοκετείται βόρεια από το οροπζδιο του Θιβζτ και νότια από το οροπζδιο Chota Nagpur. Επιπλζον από τον Απρίλιο ζωσ και τον Ιοφνιο θ IGP πλιγεται από μάηεσ αζρα που μεταφζρουν μεγάλα ποςά ςκόνθσ από τθν ζρθμο Thar που βρίςκεται ςτθν βορειοδυτικι Ινδία και από εριμουσ του Ρακιςτάν, του Αφγανιςτάν ακόμα και από τθν Αραβικι Χερςόνθςο και από τθν Νότια Αφρικι. Κατά τθ διάρκεια τθσ περιόδου των μουςϊνων (Ιοφνιοσ- Ιοφλιοσ), ςωματίδια ςκόνθσ ςυνεχίηουν να μεταφζρονται ςτθν IGP από εριμουσ τθσ Μζςθσ Ανατολισ. Τα αιωροφμενα ςωματίδια ςκόνθσ «ςαρϊνουν» τα μικρότερα ςε μζγεκοσ απ αυτά ςωματίδια μαφρου άνκρακα, τα οποία δθμιουργοφν ζνα ςτρϊμα πάνω από τα ςωματίδια ςκόνθσ κακιςτϊντασ τα ζτςι πιο απορροφθτικά ςτθν ακτινοβολία *Eck et al., 2008; Ramana et al., Θ ςτακερι αφξθςθ ςτθ ςυγκζντρωςθ των αιωροφμενων ςωματιδίων που απορροφοφν τθν ακτινοβολία πάνω από τθν IGP φαίνεται ςτθ κετικι τάςθ του OMI-AI για τθν περιοχι αυτι (Εικόνα 1a). Mία άλλθ μζτρθςθ τθσ ςυγκζντρωςθσ των ατμοςφαιρικϊν αιωρθμάτων γίνεται με χριςθ τθσ ατμοςφαιρικισ ορατότθτασ, θ οποία ςχετίηεται απ ευκείασ με τθν εξαςκζνιςθ τθσ θλιακισ ακτινοβολίασ από τα αιωροφμενα ςωματίδια και είναι αντικζτωσ ανάλογθ του οπτικοφ τουσ πάχουσ. Μακροπρόκεςμθ καταγραφι τθσ ορατότθτασ υπάρχει γενικά διακζςιμθ ςε πολλοφσ μετεωρολογικοφσ ςτακμοφσ ϊσ ζνα μζροσ τθσ γενικότερθσ καταγραφισ του καιροφ. Θ ορατότθτα αποτελεί ζνα χριςιμο ςτοιχείο που μασ υποδεικνφει εμμζςωσ τισ ςυγκεντρϊςεισ των αιωροφμενων ςωματιδίων ςτθν ατμόςφαιρα τόςο τοπικά όςο και ςε παγκόςμια κλίμακα. Σαν επιπρόςκετθ απόδειξθ τθσ αυξθτικισ τάςθσ του AI-Aerosol Index, παρακζτουμε τθν ορατότθτα ςτο Νζο Δελχί ςτθν Εικόνα 1a (με αντιςτραμμζνουσ άξονεσ) θ οποία μασ δείχνει μία ιδιαίτερθ ςθμαντικι μείωςθ τθσ ορατότθτασ κάτι που ςυνεπάγεται τθν ςθμαντικι αφξθςθ των 92

100 αιωροφμενων ςωματιδίων. Θ μακροπρόκεςμθ μείωςθ τθσ ορατότθτασ ςχετίηεται με τθν αυξθμζνθ μείωςθ τθσ θλιακισ ακτινοβολίασ που φκάνει ςτο ζδαφοσ λόγω των αερολυμάτων και μπορεί να κεωρθκεί ςαν απόδειξθ του φαινομζνου SDM. Εικ. 1 (a) Χρονοδιάγραμμα του AI (Aerosol Index) πάνω από τθν IGP και τθσ ορατότθτασ (μαφρθ γραμμι) ςτο Νζο Δελχί που καταςκευάςτθκε με τθν βοικεια των TOMS, EPTOMS και ΟΜΙ. Στθ δεξιά τεταγμζνθ είναι οι αυξανόμενεσ ςχετικζσ μονάδεσ και ςτθν αριςτερι οι φκίνουςεσ. Το χρονικό διάςτθμα ςτο οποίο αναφζρεται το διάγραμμα είναι από το Ελλείποντα ςτοιχεία του ΑΙ ςθμειϊνονται με Χ ςτο διάγραμμα. (b) Στοιχεία για τθν κερμοκραςία των ανϊτερων τμθμάτων τθσ τροπόςφαιρασ όπωσ δίνονται από το MSU (Microwave Sounding Unit). Στθν εικόνα ςθμειϊνεται επίςθσ και άνεμοσ βαρομετρικισ πίεςθσ 200 hpa. (c) Ποςότθτα βροχοπτϊςεων πάνω από τθν ευρφτερθ περιοχι τθσ Ινδίασ ςφμφωνα με το GPCP (Global Precipitation Climatology Project). Στθν εικόνα ςθμειϊνονται επίςθσ άνεμοι βαρομετρικισ πίεςθσ 850 hpa. Οι διαφορετικοφ μεγζκουσ πράςινεσ κουκίδεσ και ςτισ δφο εικόνεσ μασ δείχνουν που βρίςκονται τα μζγιςτα των κατανομϊν. 93