Blog poświęcony popularyzacji badań klimatycznych

Pyły

sobota, 17 grudnia 2011

Kilka dni temu, 12 grudnia 2011, Roman Paszke zaczął rejs dookoła świata na katamaranie Gemini 3.

"Dzień 3. Nareszcie płynę tak jak planowaliśmy przez ostatnie 3 lata. W nocy był pewien kłopot co zrobić z piaskiem pustynnym z Zachodniej Sahary. Mimo, że do brzegu było ponad 100 mil nawiało sporo piaskowego pyłu i jest wszędzie na pokładzie. Zmywam najpierw słoną, potem słodką wodą. Nie mam niestety odkurzacza i muszę poczekać aż pierwszy tropikalny deszcz zmyje wszystko do czysta. Póki co mam namiastkę brązowej plaży w każdym miejscu na pokładach…. Pozdrawiam wszystkich. Roman Paszke."

Trzeci dzień rejsu Paszke to 16 grudnia 2011 roku. Był wtedy w nocy na szerokości geograficznej 20.4N i długości geograficznej 18.4W koło wybrzeży Północno-Zachodniej Afryki. Jak pisze z pokładu - piasek jest przywiewany z zachodniej Afryki, ale popatrzmy dokładniej skąd i jak się to bada. Otóż do prognozy piasku w atmosferze potrzebne są dane meteorologiczne i geofizyczne. Pierwsza grupa danych jest potrzebna do oceny mobilizacji piasku – czyli tego czy można na tyle wzruszyć piasek, żeby mógł się dostać do atmosfery. Do tego trzeba znać gdzie piasek jest, mówimy o tym "źródła emisji". Są to pustynie ale też wyschnięte jeziora, ważna jest znajomość roślinności i jej sezonowej zmiany. Druga grupa danych to informacja o warunkach meteorologicznych w dniach poprzedzających mobilizację piasku - prędkość wiatru przy ziemi jest najbardziej istotna. Ale innymi parametrami są opad i pokrywa śniegu; dla przykładu mobilizacja piasku na pustyni Gobi w Mongolii jest mała w czasie zimy ze względu na śnieg i niską temperaturę.  Następnym elementem jest  emisja i unoszenie piasku do atmosfery. Tutaj ważny jest rozkład temperatury w atmosferze bo prądy wstępujące mogą piasek unieść do wyższych warstw atmosfery - co jest ważne dla transportu. Istotna jest też geografia.  Dla przykładu - olbrzymia pustynia Taklimakan w Chinach otoczona jest górami i dlatego zachowuje się jak olbrzymia piaskownica. Bardzo często piasek się wzbija do góry i opada na dół. Następnym elementem prognozy jest znajomość rozkładu wiatru na wszystkich wysokościach w powietrzu i to na całym świecie. Dzięki temu można ocenić transport piasku na duże odległości.

naaps dust on google earth

Wyniki z modelu transportu pyłu piaskowego. Rozkład grubości optycznej (koncentracji pyłu) nałożone na Google Earth. Jacht Paszke był w zasiegu piasku emitowanego w północno zachodniej Afryce.

Na rysunku  jest wykres grubości optycznej (skrót AOD- ang. Aerosol Optical Depth) na podstawie modelu transportu piasku dla 16 grudnia 2011 dla północnej Afryki. Skala jest logarytmiczna i żółto zielone kolory pokazują olbrzymie zawartości piasku w atmosferze – grubość optyczną ponad 3.2. Przy takiej grubości optycznej pył prawie zakrywa słońce na niebie. Najmniejsze wartości to ciemno zielony kolor. Piasek z Sahary jest łatwo mobilizowany i ma kilka dróg transportu – na zachód, na północny-wschód przez Morze Śródziemne gdzie czasami dochodzi do Europy i na wschód gdzie czasami dochodzi do Ameryki Północnej. Piasek, który spadł na jacht Paszke pochodził z północno-zachodniej Afryki. Pewnie słońce zachodziło na czerwono. Można też popatrzeć na trajektorie wsteczne – jest to fachowe określenie na to skąd wiał wiatr. Trajektorie wsteczne i trajektorie "do przodu" używane są w ocenie niebezpieczeństwa związanego z transportem zanieczyszczeń w powietrzu – np podczas katastrof reaktorów jądrowych.

Dla ekspertów:

1. Dane transportu pyłu piasku w atmosferze można znależć na stronie NRL. W części "model NAAPS" są wyniki dla 5 dniowej prognozy transportu pyłu piaskowego. Model globalny opiera się na danych z modelu NOGAPS. Fajna jest opcja wyświetlania filmu z prognozy na Google Earth.
http://www.nrlmry.navy.mil/aerosol/

2. AOD raportowane przez model NAAPS jest w 500nm w świetle widzialnym.

3. Trajektorie wsteczne dla danego położenia na świecie można dostać z modelu Hysplit.
http://ready.arl.noaa.gov/HYSPLIT.php

 hysplit

Trajektorie wsteczne (72 godziny) z Hysplit dla pozycji jachtu Gemini 3 w dniu 16 grudnia 2011 na powierzchni oceanu.  

poniedziałek, 21 listopada 2011

Właśnie skończyłem wpis na polskiej Wikipedii na temat Henri Benarda, bo ciekawią mnie komórki w altocumulusie. Poniżej jest trochę materiału na jego temat i zastosowań w meteorologii.  


W 1898 roku Henri Bénard zaobserwował, dość przypadkowo, regularne komórki w rozpuszczonej parafinie, do której dodał pył grafitowy. Następnie przeprowadził szereg eksperymentów, w których obserwował komórki w cieczy pomiędzy dwiema bliskimi siebie płytkami.  Płytki miały średnicę około 20cm i były w odstępie kilku milimetrów. W 1916 roku Rayleigh wyjaśnił to zjawisko jako ruch ciepłego płynu do góry i osiadanie zimnego płynu na peryferiach komórek. Rayleigh podał warunek na występowanie komórek termicznych, ale jego teoria nie opisuje jaki kształt te komórki mogą przybierać. W eksperymencie Bénarda najczęściej komórki miały heksagonalny kształt, ale zależało to też od różnicy temperatur i odległości płytek pomiędzy sobą. Jeżeli płytki zaczęto przesuwać względem siebie to wtedy powstawały rolki. Komórki te mają obecnie nazwę komórek Rayleigha-Bénarda. Od początku Bénard był zafascynowany analogiami do zjawisk w przyrodzie. W szczególności uważał, że chmury podobne do łusek makreli (altocumulus stratiformis) są przykładem komórek podobnych do tych obserwowanych w laboratorium. Obecnie wiemy, że promieniowanie cieplne na wierzchołku i podstawie tych chmur powoduje oziębianie i ocieplanie podobnie jak pomiędzy płytkami w doświadczeniu Bénarda. W 1937 roku w Paryżu odbyła się Światowa Wystawa Sztuki i Techniki. W budynku, który obecnie mieści paryski Pałac Nauki - Palais de la Découverte, najstarsze muzeum naukowe na świecie (dla przypomnienia - Centrum Nauki w Warszawie powstało niedawno) Bénard ze swoimi współpracownikami pokazywał w pawilonie meteorologicznym eksperymenty obrazujące powstawanie rolek (ścieżek chmurowych) w cieczy. Zresztą swoje ostatnie dwie prace poświęcił zastosowaniom komórek Bénarda w meteorologii między innymi opisowi zjawiska chmur mammatus („chmur piersiowych”). Bénard zmarł w 1939 roku.

 

komorki w Sc 

Otwarte i zamknięte komórki w chmurach stratocumulus. Widać olbrzymią różnicę w jasności tych dwóch systemów, a co za tym idzie zdolności odbijania promieniowania słonecznego.

 

Niedawno (2010) opublikowano fascynujące rezultaty dotyczące komórek Rayleigha-Bénarda obserwowane w chmurach stratocumulus (chmury te są najczęściej występującymi chmurami na świecie).  Okazało się, że komórki Bénarda w stratocumulusie mogą się diametralnie zmieniać w zależności od wielkości kropli. Jeżeli chmury znajdują się w otoczeniu gdzie jest dużo zanieczyszczeń wtedy komórki są zamknięte - jest dużo chmur. Wtedy kiedy powstają w czystym powietrzu, komórki są otwarte, z małą ilością chmur. Zmienia to drastycznie odbicie promieniowania słonecznego od tych chmur.

 

Dla ekspertów:

1. Opis wpływu opadu na strukturę komórek Bénarda można znaleźć w pracy opublikowanej w Nature: Graham Feingold, Ilan Koren, Hailong Wang, Huiwen Xue, Wm. Alan Brewer, Precipitation-generated oscillations in open cellular cloud fields, Nature, 466, 12 August 2010, doi:10.1038/nature09314

2. Komisja naukowa w ENS Paryżu, w roku 1901 uważała, że praca doktorska Bénarda była taka sobie i początkowo wylądował w Lionie.

wtorek, 20 kwietnia 2010

 

Modele transportu pyłów zawieszonych w powietrzu są dostępne na sieci. Jeden z nich naywa sie Model Prognozy i Przewidywania Transportu Zanieczyszczeń Marynarki Wojennej USA (ang. Navy Aerosol Analysis and Prediction System).
http://www.nrlmry.navy.mil/aerosol/

 

W części strony  „aerosol modeling” można dostać rysunki i animacje zanieczyszczeń (uwaga NIE ma tam uwzględnionego aerozolu pochodzenia wulkanicznego – o tym za chwilę).

W meteorologii używa się terminu aerozole, który w Polsce kojarzy się raczej z zakładem fryzjerskim,  klasyfikując w tym słowie różne pyły zawieszone w atmosferze i  kropelki zanieczyszczeń. Model transportu zanieczyszczeń ma dwie główne części.  Najważniejsza część to globalna prognoza pogody. Innymi słowy trzeba wiedzieć jak i skąd wieje wiatr przez następne kilka  dni, jaki jest opad deszczu,  czy na ziemi leży śnieg czy nie,  czy są chmury czy nie.  Tę informację uzyskuje się ze średnioterminowych i globalnych prognoz pogody. Drugim składnikiem modelu jest informacja o żródłach zanieczyszczeń. Do tego używa się różnych technik w zależności od typu zanieczyszczenia. Dla przykładu,  „ilość piasku”, dokładnie - pyłów zawieszonych w powietrzu,  zależy od prędkości wiatru na powierzchni Ziemi i od tego czy powierzchnia Ziemi jest pustynna.  Trzeba wiedzieć, czy przez ostatnie kilka dni padał deszcz, bo od tego zależy ilość piasku, która może być uniesiona do atmosfery. Transport do atmosfery zależy też od tego czy jest w atmosferze ruch pionowy. Po dostaniu się do atmosfery cząsteczki pyłu mogą opadać,  te które są duże, powyżej mikrometra,  opadają dość szybko. W atmosferze zostają  zazwyczaj bardzo małe pyły zawieszone, o wielkości mniejszej niż jeden mikrometr. Pyły zawieszone mogą osiadać lub być wymywane, nazywa się to suchą i wilgotną depozycją. „Wilgotna depozycja” jest związana z wymywaniem przez deszcze. Bardzo małe cząstki, którą są bardzo wysoko (kilkanaście kilometrów ponad powierzchnią Ziemi), mogą przebywać w atmosferze przez kilka miesięcy i wpływać na globalną temperaturę Ziemi. Efekt taki jest obserwowany na rocznych średnich temperaturach Ziemi.  Dlatego aerozole wpływają na globalne ocieplenie.  Ocenia się, że aerozole średnio oziębiają powierzchnię Ziemi.  Podobnym naturalnym czynnikiem jest emisja soli morskiej, chociaż jest to efekt głównie nad powierzchnią oceanów a nie nad lądem. Tutaj znowu wiatr jest głównym mechanizmem emisji. Z tym, że  bezpośrednią przyczyną tworzenia się cząstek soli morskiej są załamujące się fale, które wprowadzają duże ilości powietrza w głąb wody. To powietrze rozdrabnia się  w warstwie powierzchniowej oceanu  na bardzo małe pęcherzyki, które wyskakując z powierzchni zabierają ze sobą niezwykle małą ilość słonej wody, która paruje i tworzy mikroskopijne cząsteczki soli.   W obszarch "pustyń morskich", na środku oceanów, jest czysto i chmury powstają cześciowo przez oddziaływanie z cząsteczkami soli morskiej zawieszonymi w powietrzu.

Poza pyłami piasku i soli morskiej, których ilość prognozuje się na podstawie prognozy pogody,  zródłami są też emisje zanieczyszczeń. Informację o emisji dostaje się z inwentaryzacji zanieczyszczeń z ośrodków przemysłowych i częściowo z pomiarów satelitarnych.  Dwie duże grupy zanieczyszczeń tego typu to siarczany i sadza. Z punktu widzenia wpływu na klimat te dwie grupy działają inaczej. Siarczany wpływają na zwiększenie odbijania promieniowania słonecznego, podczas gdy cząstki sadzy wpływają na ocieplanie.  Innymi źródłami aerozoli są pożary i wybuchy wulkaniczne. Źródła emisji dla tych zanieczyszczeń są mniej przewidywalne. Stosuje się techniki oparte na pomiarach satelitarnych. Dla przykładu ilość emisji zanieczyszczeń z pożarów można ocenić na podstawie temperatury pożarów z pomiarów satelitarnych.

Na podobnej zasadzie można ocenić jak rozprzestrzeniają się zanieczyszczenia w atmosferze ze żródeł w określonym miejscu.  Takie linie nazywają się liniami wysnutymi - moim zdaniem bardzo ładnie się te linie nazywają.  Samemu można wyświetlić rysunki z tych modeli. Patrz model HYSPLIT 
http://ready.arl.noaa.gov/HYSPLIT.php

Istnieją też grupy dyskusyjne poświęcone chmurom wulkanicznym
http://tech.groups.yahoo.com/group/volcanicclouds/

Animacje SO2 i pyłów z wulkanu Eyjafjallajökull na podstawie norweskiego modelu EMEP z Norweskiego Instytutu Meteorologii są tutaj

ftp://ftp.met.no/pub/emep/AMVB/ppm10_tcol_20100420.mpg
ftp://ftp.met.no/pub/emep/AMVB/so2_tcol_20100420.mpg

Opis modelu można znależć tutaj
https://wiki.met.no/emep/emep_volcano_plume
ale podstawy fizyczne (prognoza pogody + źródła) są takie jak opisałem powyżej.