The impact of triboelectrification on desert dust flow dynamics
Authors: Δασκαλοπούλου Βασιλική 
Published: November 2023

Το Παγκόσμιο Ηλεκτρικό Κύκλωμα (ΠΗΚ) αποτελεί το ηλεκτρικό κύκλωμα που σχηματίζεται μεταξύ της επιφάνειας της Γης, που είναι καλός αγωγός του στατικού ηλεκτρισμού, και των κατώτερων στρωμάτων της Ιονόσφαιρας, που είναι ασθενώς ιονισμένο πλάσμα σε υψόμετρο περίπου ογδόντα χιλιομέτρων. Η γήινη ατμόσφαιρα, που υπάρχει μεταξύ των οπλισμών αυτού του σφαιρικού πυκνωτή, είναι καλός αγωγός του ηλεκτρισμού και η ύπαρξη της αγωγιμότητας αυτής οφείλεται, κατά κύριο λόγο, στον ιονισμό των ουδέτερων στοιχείων της ατμόσφαιρας από γαλαξιακές κοσμικές ακτίνες, και συνεπώς στην ύπαρξη θετικών και αρνητικών ιόντων. Είναι εμφανές ότι μια τόσο δυναμική δομή είναι ισχυρώς ηλεκτρισμένη, με ηλεκτρικές ιδιότητες που δύνανται να επηρεάσουν οποιοδήποτε φαινόμενο λαμβάνει χώρα εντός αυτής. Οι ατμοσφαιρικές ηλεκτρικές παράμετροι σε συνθήκες αιθρίας, όπως το κατακόρυφο ηλεκτρικό πεδίο (Ez) και το επαγόμενο ρεύμα προς τη γη (Ic) μέσω του ΠΗΚ, εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από τις υπάρχουσες περιβαλλοντικές συνθήκες και τα δυναμικά μετεωρολογικά συστήματα, εξαιτίας της ανακατανομής των είτε φορτισμένων ή αφόρτιστων αερολυμάτων στην ατμοσφαιρική κυκλοφορία. Μεταξύ των ατμοσφαιρικών αερολυμάτων που επηρεάζουν το ατμοσφαιρικό ηλεκτρικό περιεχόμενο, η ερημική σκόνη αποτελεί έναν από τους πιο σημαντικούς συντελεστές, λόγω της άφθονης συγκέντρωσής της, των πολύπλοκων σχημάτων των αιωρούμενων σωματιδίων, καθώς και της πληθώρας μεγεθών που έχουν ως αποτέλεσμα τις ποικίλες ηλεκτρικές ιδιότητες αυτής. Κατά τη διάρκεια έντονων επεισοδίων σκόνης και επακόλουθης μεταφοράς των ανυψωμένων στρωμάτων σε μεγάλες αποστάσεις, οι ηλεκτρικές παράμετροι μπορεί να διαφέρουν πολύ από τις αντίστοιχες τιμές υπό συνθήκες υποβάθρου. Οι ακριβείς μηχανισμοί που είναι ικανοί να περιγράψουν επαρκώς την ηλέκτριση της ερημικής σκόνης, κατά τη διάρκεια της μεταφοράς της, παραμένουν αντικείμενο έρευνας για τη σύγχρονη επιστημονική κοινότητα. Τα σωματίδια σκόνης μπορούν να φορτιστούν κατά τη μεταφορά τους, είτε με την προσάρτηση ατμοσφαιρικών ιόντων είτε μέσω συγκρούσεων μεταξύ σωματιδίων (τριβοηλεκτρισμός). Οι μετρήσεις δείχνουν ότι, κατά μέσο όρο, μεγαλύτερα σωματίδια φορτίζονται θετικά ενώ τα μικρότερα φορτίζονται αρνητικά. Κατά τη μεταφορά σκόνης, τα μεγαλύτερα και κυρίως θετικά φορτισμένα σωματίδια διαχωρίζονται από τα μικρότερα αρνητικά φορτισμένα σωματίδια λόγω της βαρυτικής καθίζησης, η οποία ταξινομεί τα σωματίδια σκόνης κατά μέγεθος. Αυτή η διαδικασία αναπτύσσει κατακόρυφα ηλεκτρικά πεδία μέσα στο νέφος σκόνης, ενισχύοντας το προϋπάρχον πεδίο λόγω της εξάντλησης της ατμοσφαιρικής αγωγιμότητας από την παρουσία του στρώματος σκόνης. Ανάλογα με την έντασή του, το συνολικό ηλεκτρικό πεδίο μέσα στο νέφος σκόνης μπορεί: (α) να αντισταθμίσει τη βαρυτική καθίζηση μεγάλων σωματιδίων και (β) να προκαλέσει προτιμητέο προσανατολισμό των μη σφαιρικών σωματιδίων επηρεάζοντας την αεροδυναμική των σωματιδίων. Επομένως, τέτοιες διεργασίες έχουν μεγάλο αντίκτυπο στη δυναμική ροή των σωματιδίων σκόνης, με ακόλουθη επιρροή στο παγκόσμιο κλίμα και στα διάφορα οικοσυστήματα μέσω της αύξησης του χρόνου ζωής των μεγαλύτερων σε μέγεθος σωματιδίων σκόνης στην ατμόσφαιρα, καθώς και εξαιτίας του κατακόρυφου προσανατολισμού τους με αντίκτυπο στη διάδοσή της ακτινοβολίας. Οι μετρήσεις του επίγειου ηλεκτρικού πεδίου μπορούν να είναι ενδεικτικές της ηλεκτρικής συμπεριφοράς των ανυψωμένων στρωμάτων σκόνης και χρησιμοποιηθούν για την ανίχνευση φορτισμένων σωματιδίων εντός των νεφών αυτών. Για την εξ’ ολοκλήρου κατανόηση των ηλεκτρικών χαρακτηριστικών της αερομεταφερόμενης σκόνης, οι εφαρμογές μεταξύ μοντέλων παραμετροποίησης της ηλέκτρισης των σωματιδίων και οι κατακόρυφες μετρήσεις προφίλ εντός των στρωματώσεων είναι υψίστης σημασίας, και αποτελούν βασικό στόχο της παρούσας διατριβής. Αρχικά, περιγράφεται η ανάπτυξη ενός νέου μονοδιάστατου αριθμητικού μοντέλου που παραμετροποιεί και τις δύο παραπάνω διαδικασίες φόρτισης των σωματιδίων σκόνης, παρουσία του ηλεκτρικού πεδίου μεγάλης κλίμακας, κάτω από στάσιμες ατμοσφαιρικές συνθήκες όπου η συμβολή του ανέμου δεν λαμβάνεται υπόψιν. Το μοντέλο μπορεί να υπολογίσει με συνέπεια την τροποποίηση των πυκνοτήτων ατμοσφαιρικών ιόντων και την επακόλουθη μεταβολή του ηλεκτρικού πεδίου μεγάλης κλίμακας, όταν υπάρχουν σωματίδια σκόνης και προσκολλώνται ιόντα της ατμόσφαιρας σε αυτά, και ενημερώνεται περαιτέρω για να ληφθεί υπόψιν η φόρτιση σωματιδίων λόγω των αποτελεσματικών συγκρούσεων μεταξύ σωματιδίων διαφόρων μεγεθών. Επιπλέον, εξετάζουμε τη θεωρητική βάση του προσανατολισμού των σωματιδίων υπό την επίδραση ηλεκτρικών και βαρυτικών πεδίων μέσω αναλυτικών υπολογισμών της μέσης γωνίας προσανατολισμού των φορτισμένων/αφόρτιστων σωματιδίων σκόνης και αναλύονται οι απαιτούμενες εντάσεις του ηλεκτρικού πεδίου για να γίνει δυνατός ένας τέτοιος προσανατολισμός.Ακόλουθα, προκειμένου να μελετηθεί η ακρίβεια του μοντέλου φόρτισης, αναπτύχθηκαν κατά τη διάρκεια διεξαγωγής της διατριβής, νέες τεχνικές μέτρησης των ηλεκτρικών ιδιοτήτων της σκόνης καθώς και σχεδιάστηκαν ρηξικέλευθα μετρητικά όργανα που στοχεύουν στον εντοπισμό της ηλέκτρισής της από το έδαφος, αλλά και στη λήψη λεπτομερών προφίλ της έντασης του κατακόρυφου ηλεκτρικού πεδίου και της πυκνότητας φορτίου μέσα στα υπερυψωμένα νέφη σκόνης. Επιδεικνύουμε μια νέα μεθοδολογία, αποκλειστικά μέσω επίγειων παρατηρήσεων, που υποδεικνύει ότι οι διακυμάνσεις του ηλεκτρικού πεδίου στο έδαφος κατά τη διάρκεια της επεισοδίων μεταφοράς σκόνης από την έρημο της Σαχάρας οφείλονται στο γεγονός της φόρτισης των σωματιδίων αυτών. Για το σκοπό αυτό, πραγματοποιούνται, για πρώτη φορά, συνεργιστικές μετρήσεις του κατακόρυφου ατμοσφαιρικού ηλεκτρικού πεδίου και των οπτικών ιδιοτήτων των σωματιδίων μέσω πρότυπου συστήματος για τον πλήρη χαρακτηρισμό των νεφών σκόνης. Οι παράμετροι αυτές παρακολουθήθηκαν για πρώτη φορά ταυτόχρονα, και προκειμένου να προσδιορίσουμε την επίδραση των υπερυψωμένων στρωμάτων σκόνης στο ηλεκτρικό πεδίο του εδάφους, εξάγουμε ένα ηλεκτρικό πεδίο αναφοράς από τις χρονοσειρές των δεδομένων που αντικατοπτρίζει την τοπική δραστηριότητα υποβάθρου. Στη συνέχεια, συγκρίνονται τα δεδομένα με την ημερήσια εξέλιξη των στρωματώσεων και την επίδρασή τους. Για να προσεγγίσουμε ποσοτικά τα αποτελέσματά μας, εξετάζουμε την εξάρτηση του ηλεκτρικού πεδίου έναντι θεωρητικών υποθέσεων για την κατανομή των διαχωρισμένων φορτίων εντός του στρώματος ηλεκτρισμένης σκόνης μέσω μιας φυσικής προσέγγισης που αποτελεί μια πιο ρεαλιστική περιγραφή της κατανομής φορτίων εντός του στρώματος, σε σχέση με ότι είχε προηγουμένως υποτεθεί.Έχοντας επίγνωση των εγγενών προκλήσεων και των ασαφειών που δημιουργούνται κατά τη μέτρηση των διαφόρων παραμέτρων ατμοσφαιρικού ηλεκτρισμού, εισάγουμε τον σχεδιασμό και χαρακτηρισμό δύο πρότυπων, χαμηλού-κόστους, αισθητήρων ατμοσφαιρικού ηλεκτρισμού σχεδιασμένων να μετρούν την ένταση του ηλεκτρικού πεδίου και την πυκνότητα φορτίου, αντίστοιχα, ενώ παράλληλα έχουν δυνατότητες εκτόξευσης σε αερόστατο. μετεωρολογικές πλατφόρμες. Οι αισθητήρες σχεδιάστηκαν, συναρμολογήθηκαν και χαρακτηρίστηκαν από την υποψήφια διδάκτορα, ενώ η απόδοσή τους αξιολογήθηκε επί τόπου σε συνθήκες πεδίου αλλά και σε μετρητικά πειράματα μεγάλου βεληνεκούς, όπου πραγματοποιήθηκαν εκτεταμένες παρατηρήσεις σκόνης. Τα δεδομένα και από τους δύο αισθητήρες αξιολογούνται σε σχέση με τις επικρατούσες μετεωρολογικές συνθήκες και υποβάλλονται σε επεξεργασία για διαφορετικά υψόμετρα, ενώ δείχνουν μια καλή συνολική συμφωνία μεταξύ των μετρούμενων μεγεθών. Τέλος, στοχεύουμε παρατηρησιακά στον προτιμητέο προσανατολισμό των άμορφων σωματιδίων σκόνης, ο οποίος μπορεί να ανιχνευθεί από την προκύπτουσα διαφορά στο συνολικό ποσοστό γραμμικά πολωμένης ακτινοβολίας, καθώς αυτή μεταδίδεται μέσω στρωμάτων σκόνης στην ατμόσφαιρα. Επανεξετάζουμε μια ήδη υπάρχουσα μεθοδολογία, αλλά στοχεύοντας στην παρατήρηση της διχρωικής εξασθένησης του άμεσου ηλιακού φωτός χρησιμοποιώντας ένα πειραματικό πολωσίμετρο, το οποίο είναι ικανό να παρακολουθεί τον ηλιακό δίσκο σε συνθήκες επεισοδίων σκόνης. Το όργανο καταγράφει την κατάσταση πόλωσης του άμεσου ηλιακού φωτός, που χαρακτηρίζεται από το πλήρες διάνυσμα Stokes, σε προεπιλεγμένο μήκος κύματος στα 550 nm με όριο ανίχνευσης 1e-7. Αρχικά, χαρακτηρίζουμε πλήρως το όργανο και οριοθετούμε την τεχνική μέτρησής του, παράγουμε ένα κατανοητό και φιλικό προς τον χρήστη εγχειρίδιο χρήσης του οργάνου και στη συνέχεια παρέχουμε μοναδικές παρατηρήσεις αύξησης της γραμμικής πόλωσης κατά τη διάδοση του ηλιακού φωτός μέσα από στρωματώσεις σωματιδίων σκόνης, υπό διάφορες συγκεντρώσεις στην ατμόσφαιρα αλλά και παρακολουθώντας τα νέφη σε ένα εύρος ζενίθιων γωνιών. Καταλήγοντας, επιχειρούμε να ερμηνεύσουμε τις μετρήσεις αυτές ως μια πρώτη ένδειξη κατακόρυφου ή οριζόντιου προσανατολισμού σωματιδίων σκόνης. Τα παρατηρούμενα ηλεκτρικά πεδία, ωστόσο, δεν είναι επαρκή για να προσανατολίσουν μεγαλύτερα σωματίδια εντελώς κατακόρυφα και να τα διατηρήσουν ψηλά, κάτι που πιθανώς υποδηλώνει άλλους μηχανισμούς που οδηγούν στην συμπεριφορά αυτή. Ως κατακλείδα της ερευνητικής προσπάθειας αυτής, επισημαίνεται ότι όταν συνδυάζονται όλοι οι αναφερόμενοι επιστημονικοί κλάδοι (μοντέλα - υλοποιήσεις - παρατηρήσεις), η παρουσία ηλεκτρισμένης σκόνης σε υπερυψωμένα στρώματα μακριά από την πηγή εκπομπής των σωματιδίων είναι αδιαμφισβήτητη, πράγμα που σημαίνει ότι οι ηλεκτρικές ιδιότητες των σωματιδίων επηρεάζουν κατ’ ένα τρόπο τη δυναμική τους μεταφορά. Ενθαρρύνουμε μελλοντικές έρευνες όπου θα χρησιμοποιηθεί η περιγραφόμενη μελέτη και θα εξελιχθούν τόσο οι μέθοδοι μέτρησης των ηλεκτρικών ιδιοτήτων των αερολυμάτων όσο και τα θεωρητικά μοντέλα ηλέκτρισης με πιο ρεαλιστικό τρόπο.