Impact of organic and inorganic aerosol particles on the formation of primary ice crystals in mixed-phase clouds
Authors: Χατζηπαράσχος Μάριος 
Published: June 2023

Οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ των αερολυμάτων και των νεφών αποτελούν μία από τις κύριες πηγές αβεβαιότητας στις κλιματικές προσομοιώσεις σύμφωνα με την διεθνή έκθεση της διακυβερνητικής αναφοράς για το κλίμα (IPCC). Τα σωματίδια που σχηματίζουν πυρήνες συμπύκνωσης πάγου (INP), προέρχονται από χερσαία και θαλάσσια περιβάλλοντα, επηρεάζοντας σημαντικά τις μικρο-φυσικές ιδιότητες, τη διάρκεια ζωής και τους ρυθμούς βροχόπτωσης των νεφών. Οι προσομοιωμένες συγκεντρώσεις κρυστάλλων πάγου σε νέφη μικτής φάσης επηρεάζονται από αβεβαιότητες στη συγκέντρωση των INP, οδηγώντας σε σοβαρές αποκλίσεις στις προγνώσεις του κλίματος από τα διάφορα κλιματικά μοντέλα.Η παρούσα εργασία στοχεύει στη διερεύνηση της παγκόσμιας κατανομής των σωματιδίων συμπύκνωσης πάγου. Επικεντρώνεται στον εντοπισμό των κύριων πηγών τους και τα είδη των αερολυμάτων που δρουν ως INP, ανάλογα με την τοποθεσία και την εποχή χρησιμοποιώντας πειραματικές παραμετροποιήσεις, και προτείνοντας την χρήση τους σε κλιματικά μοντέλα μετά τη σύγκρισή τους με εναέριες και επίγειες μετρήσεις πεδίου. Η μελέτη αυτή επικεντρώνεται στον προσδιορισμό της επίπτωσης των INP σε νέφη μικτής φάσης.Για το σκοπό αυτό έχει χρησιμοποιηθεί το τρισδιάστατο μοντέλο μεταφοράς και χημείας TM4-ECPL. Το μοντέλο αναπτύχθηκε περαιτέρω για να λαμβάνει υπόψη τις συγκεντρώσεις INP από ορυκτά σκόνης όπως άστριος και χαλαζίας, καθώς και σωματίδια πλούσια σε οργανικά που εκπέμπονται στην ατμόσφαιρα είτε από τους ωκεανούς είτε από τις ηπείρους ως χερσαία βιο-αερολύματα όπως μύκητες και βακτήρια.Στην μελέτη αυτή πρώτα διερευνήσαμε την επίδραση της ορυκτής σκόνης στην παγκόσμια κατανομή των πυρήνων συμπύκνωσής πάγου, εξετάζοντας την συνεισφορά του χαλαζία σε σχέση με τον εμπλουτισμένο με κάλιο άστριο. Ορυκτά τα οποία αποτελούν κύρια συστατικά της αιωρούμενης σκόνης. Για τον σκοπό αυτό, εφαρμόσαμε παραμετροποιήσεις αιχμής με βάση την προσέγγιση της ενεργού επιφανείας των σωματιδίων κατά την δημιουργία πάγου με εμβάπτιση. Επιπρόσθετα, διερευνήσαμε την επίδραση διαφορετικών ορυκτολογικών δεδομένων εδάφους, που χρησιμοποιεί το μοντέλο, για τις προσομοιωμένες συγκεντρώσεις των INP, συγκρίνοντας τες με παρατηρήσεις.Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι, αν και ο άστριος παραμένει ο πιο σημαντικός παράγοντας που συμβάλλει στις συγκεντρώσεις INP παγκοσμίως, επηρεάζοντας τα νέφη μικτής φάσης μεσαίου ύψους, η συμβολή του χαλαζία μπορεί επίσης να είναι σημαντική. Ο χαλαζίας κυριαρχεί σε χαμηλά και υψηλά υψόμετρα, επηρεάζοντας κυρίως τα ψυχρά νέφη και τα νέφη μικτής φάσης. Η παρούσα μελέτη αξιολόγησε επιπλέον τη συμβολή των χερσαίων και θαλάσσιων οργανικών αερολυμάτων στις συγκεντρώσεις INP, προσδιορίζοντας τα κυρίαρχα πρόδρομα αερολύματα που δρουν ως INP ανά περίοδο και περιοχή. Οι αβεβαιότητες στους υπολογισμούς προσδιορίστηκαν και ορισμένες από αυτές ποσοτικοποιήθηκαν από υπολογισμούς ευαισθησίας.Τα ευρήματα της έρευνας υποστηρίζουν την αναγκαιότητα συμπερίληψης του χαλαζία στα κλιματικά μοντέλα για τον υπολογισμό της αριθμητικής συγκέντρωσης των ΙΝPs στην ατμόσφαιρα, υπογραμμίζοντας την ανάγκη για περαιτέρω προσδιορισμό της αφθονίας τους σε ερημικές περιοχές, την κατανομή μεγέθους τους και την κατάσταση ανάμειξης τους στα εκπεμπόμενα σωματίδια σκόνης της ατμόσφαιρας.Από τα ευρήματα της παρούσας έρευνας, διαπιστώθηκε ότι σε σχετικά υψηλές θερμοκρασίες (πάνω από -15 °C) η πλειονότητα των INP είναι βιολογικής προέλευσης, ενώ σε χαμηλότερες θερμοκρασίες και μεγάλα υψόμετρα επικρατούν παγκοσμίως INP από ορυκτή σκόνη. Τα INP που προέρχονται από θαλάσσια οργανικά βρίσκονται κυρίως πάνω από απομακρυσμένους ωκεανούς και σε παράκτιες περιοχές, και κυριαρχούν μεταξύ 40°-70°Ν (Νότιους Ωκεανούς). Υψηλές συγκεντρώσεις των ΙΝPs από θαλάσσια οργανικά παρατηρούνται σε περιοχές με υψηλές συγκεντρώσεις θαλάσσιων αερολυμάτων και έντονη βιολογική δραστηριότητα. Τα θαλάσσια INP κυριαρχούν στον πρωτογενή σχηματισμό πάγου πάνω από τα 600 hPa στο βόρειο ημισφαίριο. Τα INP που προέρχονται από ορυκτή σκόνη παρατηρούνται κυρίως πάνω και κατάντη από ερημικές περιοχές, ιδιαίτερα στην έρημο Σαχάρα, στην έρημο Γκόμπι και στην Αραβική Χερσόνησο. Τα INP από τη σκόνη συμβάλλουν περισσότερο στα συνολικά INP στα μεσαία γεωγραφικά πλάτη στο βόρειο ημισφαίριο παρά στο νότιο λόγω της θέσης των πηγών σκόνης και των μοτίβων ατμοσφαιρικών μεταφορών μεγάλης εμβέλειας. Το INP από τα χερσαία βιο-αερολύματα μπορούν να σχηματίσουν κρυστάλλους πάγου στις υποτροπικές περιοχές νοτίου ημισφαίριου κατά τις εκροές του ηπειρωτικού αέρα. Οι προσομοιωμένες συγκεντρώσεις INP προβλέπουν ~ 64 % των παρατηρήσεων που συγκεντρώθηκαν από διαφορετικές εκστρατείες εντός 1 τάξης μεγέθους και ~ 79 % εντός 1.5 τάξης μεγέθους.Τέλος, σε συνεργασία με το Barcelona Supercomputing Center, οι επικυρωμένες στο TM4-ECPL παραμετροποιήσεις της σκόνης και του θαλάσσιου οργανικού αερολύματος των INP εισήχθησαν στην ατμοσφαιρική συνιστώσα του Μοντέλου Γήινου Συστήματος EC-Earth3 και μας επέτρεψαν να παράσχουμε την πρώτη προκαταρκτική αξιολόγηση του αντίκτυπου αυτών των INP στη νεφοκάλυψη, τη διαδρομή του νερού του πάγου, την επιφανειακή θερμοκρασία, την ακτινοβολία μεγάλου και μικρού μήκους κύματος στην κορυφή της ατμόσφαιρας.Συνοψίζοντας, η παρούσα διατριβή αποσκοπεί στη βελτίωση της κατανόησης του ρόλου των INP στην ατμόσφαιρα, στην πιο ρεαλιστική αναπαράσταση της έμμεσης επίδρασής τους στον σχηματισμό παγοκρυστάλλων, καθώς και στην επίδρασή τους στα νέφη μικτής φάσης και στο κλίμα γενικότερα, με απώτερο στόχο τη χρήση καλά τεκμηριωμένων παραμετροποιήσεων σε κλιματικά μοντέλα για την βελτίωση των προσομοιώσεων κλίματος.