Wędrówki pustynnego pyłu

Co roku setki milionów ton pustynnego pyłu są wywiewane z Sahary przez wiatr. Dziś zajmiemy się tym, dokąd wędrują, jakie mają znaczenie dla klimatu i środowiska oraz (oczywiście) jak może na to wpłynąć zmiana klimatu.

Rysunek 1. Piasek znad Sahary wywiany nad ocean, w rejon Cape Verde, 24 czerwca 2009. Zdjęcie satelitarne zamieszczamy dzięki uprzejmości NASA'S Earth Obervatory.

Nawet najdłuższa podróż zaczyna się od pierwszego kroku. W przypadku saharyjskiego pyłu tym krokiem jest najczęściej burza piaskowa, w trakcie której wiatr porywa drobiny piasku z powierzchni Ziemi. Nieodłącznym elementem burzy są silne prądy wstępujące, czyli unoszenie się rozgrzanego od powierzchni Ziemi powietrza. Powietrze może wznosić się aż do szczytu troposfery, czyli zaczynającej się przy powierzchni Ziemi warstwy powietrza, w której temperatura spada z wysokością. Wyżej, w tropopauzie temperatura się stabilizuje a w stratosferze – rośnie. Utrudnia to ruchy pionowe, ponieważ jeśli nawet cząstka powietrza uniesie się nieco, to okazuje się cięższa od powietrza wokół i opada z powrotem na „swoje miejsce”. Dlatego, docierając do tropopauzy powietrze zatrzymuje się i zaczyna rozpływać na boki. Właśnie temu zjawisku widoczne na zdjęciu poniżej rozbudowane chmury w kształcie grzybów zawdzięczają swoje „kapelusze”. Prądy wstępujące wynoszą pył na duże wysokości – nawet 6 km.

Rysunek 2. Burza piaskowa nad Saharą. Zdjęcie wykonane 24 września 2014 z pokładu Międzynarodowej Stacji Kosmicznej zamieszczamy dzięki uprzejmości NASA's Earth Observatory.

Co dzieje się dalej? To zależy od sytuacji synoptycznej. Dominujące nad Saharą wiatry wschodnie, wynoszą masy ciepłego, zapylonego powietrza nad Ocean Atlantycki, przez który mogą popłynąć dalej w stronę Karaibów. Na podstawie danych satelitarnych ocenia się, że co roku wyrusza w tę drogę ponad 180 milionów ton pyłu, z czego ok. 140 milionów ton ląduje w oceanie (Yu i in., 2015), a reszta płynie dalej aż nad Stany Zjednoczone (Prospero i in., 2010) i Amerykę Południową (Yu i in., 2015). Jak jednak pokazują obserwacje (Kallos i in., 2007), praktycznie nie ma również dnia, w którym pył pustynny nie przemieszczałby się nad jakąś częścią basenu Morza Śródziemnego. W morzu tym rocznie ląduje ok. 100 milionów ton pyłu, podczas gdy kolejne 100 milionów ton wywiewane jest dalej na północ, nad Europę (Guerzoni et al., 1999, Kallos i in., 2006). Napływy pyłu nad nasz kontynent najbardziej prawdopodobne są zimą i wiosną. Regularnie obserwujemy je także w Polsce – przykład takich obserwacji poniżej.

Rysunek 3. Lidarowe obserwacje pyłu pustynnego nad Warszawą, 13-14.04.2005. Na osi poziomej wykreślono czas a na pionowej – wysokość. Skala barwna przedstawia depolaryzację sygnału lidarowego, czyli wielkość, która przyjmuje niskie wartości dla cząstek sferycznych i wysokie dla cząstek niesferycznych, do jakich należą cząsteczki pyłu. Warstwa aerozolu pustynnego jest dobrze widoczna pomiędzy poziomami 2 i 4 km. W aerozolu miejskim przebywającym przy powierzchni Ziemi dominują cząstki sferyczne. Więcej na temat lidaru znajdziecie w artykule "To się nazywa lidar!".

Co nam z tego piasku

Dlaczego o wędrówkach pustynnego pyłu piszemy w Nauce o klimacie? Oczywiście dlatego, że taka specyficzna atmosferyczna domieszka ma wpływ na bilans energetyczny Ziemi (Andreae, 1996). Cząsteczki pyłu z jednej strony absorbują promieniowanie słoneczne (zwłaszcza fale krótkie, długości poniżej 400 nm) a z drugiej – rozpraszają je z powrotem w kosmos. Oddziałują także z promieniowaniem ziemskim.

Ten bezpośredni wpływ obecności pyłu na strumienie promieniowania to jednak nie wszystko. Może on wpływać także na własności i czas życia chmur. Okruchy mogą pełnić rolę jąder kondensacji. Nazywamy tak cząstki, na których może skraplać się para wodna z powietrza. Są one niezbędne do powstawania chmur, bo tworzenie się kropelek w wyniku łączenia samych tylko molekuł wody wymagałoby dużo większych koncentracji pary wodnej niż te występujące w naturze.

W zależności od koncentracji jąder kondensacji obecnych w powietrzu, na chmurę może się składać dużo małych lub mało dużych kropelek. Pierwsza opcja oznacza, że krople mają w sumie większe pole powierzchni (nie wierzycie? A wolicie obrać osiem malutkich ziemniaczków czy jednego dużego ziemniaka o tej samej wadze?) a co za tym idzie – skuteczniej rozpraszają promieniowanie słoneczne.

Rysunek 4. Strumień promieniowania słonecznego (energia docierająca w ciągu sekundy do metra kwadratowego powierzchni) zarejestrowany na stacji badawczej SolarAOT w Strzyżowie 3 kwietnia 2016, podczas napływu pyłu znad Sahary oraz, dla porównania, 2 kwietnia. Napływ aerozolu pustynnego spowodował redukcję natężenia promieniowania o ok. 7%.

Co więcej, zaobserwowano, że zwłaszcza w rejonach, gdzie aerozol pustynny miesza się z aerozolem siarkowym i solą morską, niektóre jądra kondensacji okazują się być bardzo duże w porównaniu z innymi (mają średnice rzędu 2 zamiast 0,2 mikronów). Obecność takich "gigantycznych" jąder oznacza również możliwość powstawania dużych (w porównaniu z pozostałymi) kropel (Levin i in., 2005). Takie duże krople opadają pod wpływem grawitacji i wychwytują mniejsze koleżanki. Prowadzi to do powstawania deszczu, a deszcz to koniec życia chmury. Oczywiście im krócej żyje chmura, tym mniej promieniowania słonecznego w tym czasie rozprasza.

Bardziej przyziemnym powodem zainteresowania naukowców pyłem pustynnym jest jego wpływ na jakość powietrza. Napływy pyłu w niskich warstwach atmosfery są szczególnie dolegliwe dla mieszkańców Półwyspu Iberyjskiego czy Grecji. Przykładowo obserwacje prowadzone w Atenach w latach 2001-2004 pokazały, że aerozol pustynny przez 140-220 dni w roku przyczyniał się do przekraczania europejskiej normy koncentracji pyłu zawieszonego w przynajmniej 1 z 17 stacji pomiarowych (Kallos i in., 2007).

Rysunek 5. Pył pustynny i chmury nad Tunezją, Sycylią i Morzem Śródziemnym, 1.12.2010. Zdjęcie zamieszczamy dzięki uprzejmości NASA's Earth Observatory.

Jako ciekawostkę dodamy, że wypadanie pyłu pustynnego z atmosfery dostarcza ekosystemom Morza Śródziemnego, Atlantyku i nie tylko... składników odżywczych. Wraz z pyłem podróżują bowiem związki azotu, żelaza i fosforu, czyli składniki niezbędne w rozwoju roślin. Niektóre z letnich zakwitów glonów na Morzu Śródziemnym udało się powiązać właśnie z epizodami transportu saharyjskich pyłów. (Dulac i in. 1996; Markaki i in. 2003).

Rysunek 6. Animacja danych satelitarnych NASA's Goddard Space Flight Center przedstawiająca wędrówkę pyłu znad Sahary do lasów deszczowych Amazonii.

Jak to się zmienia

Emisje i transport pyłów pustynnych z Afryki silnie zmieniają się z dnia na dzień, z miesiąca na miesiąc, z roku na rok i z dekady na dekadę. Wpływają i ulegają wpływom najrozmaitszych zjawisk regionalnych. Próby opisania zmienności tego zjawiska podjęli się ostatnio francuscy i amerykańscy naukowcy pod przewodnictwem Amato Evana. Tej wiosny opublikowali w Nature artykuł pod tytułem The Past, Present and Future of African Dust („Przeszłość, teraźniejszość i przyszłość afrykańskiego pyłu”).

Evan i jego współpracownicy zajęli się analizą zmienności prędkości wiatru (konkretnie wiatru na wysokości 10 m, gdzie na znaczeniu traci kształt, faktura i inne cechy podłoża). Prędkość wiatru w konkretnym miejscu i chwili zależy od wielu czynników, przykładowo pory dnia, pory roku, fazy tzw. Oscylacji Północnoatlatyckiej, fazy Oscylacji Południowej (El Niño) i innych, zmieniających się w różnym tempie. Na wykres zmian prędkości wiatru możemy więc patrzeć jak na sumę wielu wykresów. A skoro tak, to możemy go w ten sposób opisać - jako sumę rozmaitych składowych (pamiętacie ze szkoły rozkładanie wektora na składowe - np. poziomą i pionową? To podobne, tylko bardziej skomplikowane). W pracy Evana i kolegów wykazano, że zmienność emisji pyłu pustynnego z Afryki jest odbiciem jednej z takich składowych.

Naukowcy przeanalizowali prędkości wiatru nad Saharą w latach 1851 - 2011. Posłużyli się w tym celu tzw. reanalizą, czyli wynikami modelu numerycznego (o modelach czytaj w tekście Wirtualny klimat) uruchomionego dla historycznych danych obserwacyjnych. Użycie modelu pozwala w takim przypadku powiedzieć, co najprawdopodobniej działo się pomiędzy miejscami i terminami, w których prowadzono pomiary. Wnioski z analizy były następujące: najwyższe koncentracje pyłu w atmosferze występowały w latach 1910-1950 oraz 1970-1990, z kolei w latach sześćdziesiątych XIX w. i pięćdziesiątych XX w. oraz na początku wieku XXI w. koncentracje pyłu były anomalnie małe.

Projekcje prędkości wiatru wskazują według autorów, że w miarę wzrostu koncentracji gazów cieplarnianych w XXI wieku, prędkości wiatru w rejonie Sahary będą spadać, a przez to spadać będą również koncentracje pyłu saharyjskiego w atmosferze. Jak piszą, może to być korzystne dla zdrowia mieszkańców Afryki Zachodniej i innych rejonów, w których pył jest istotnym czynnikiem pogarszającym jakość powietrza (Griffin i Kellog, 2004). Z drugiej strony może to sprzyjać silniejszemu nagrzewaniu się Północnego Atlantyku, co uczyniłoby ten akwen bardziej podatnym na rozwój huraganów (Dunion i Velden, 2004).

Gdzie to śledzić?

Tymczasem, póki transport pyłów znad Sahary jeszcze nie ustał, możecie śledzić jego napływy nad Europę za pośrednictwem internetu. Na stronie NRL/Monterey Aerosol Page (a konkretniej tu) znajdziecie prognozy rozprzestrzeniania się aerozolu nad Europą. Oprócz pyłu pustynnego, model NAAPS (Navy Aerosol Analysis and Prediction System) prognozuje także transport aerozolu siarkowego oraz dymów (patrz rysunek poniżej).

Rysunek 6. Przykładowa prognoza modelu NAAPS ze strony NRL/Monterey Aerosol Page, na godzinę 12:00 UTC 3 kwietnia 2016. Kolorami oznaczono grubości optyczne aerozolu (wielkość mówiąca pośrednio o całkowitej zawartości aerozolu w kolumnie powietrza): skala niebieska – dym, skala zielono-żółta – pył pustynny, skala pomarańczowo-czerwona – aerozol siarkowy.

Wiedząc, że pył jest wywiewany znad Sahary, możecie wypatrywać go na zdjęciach satelitarnych, np. z użyciem prostego narzędzia Worldview. Domyślnie zobaczycie w nim "zwykłe" kolorowe zdjęcie Ziemi - jak widzicie na przykładach powyżej, już na takim obrazie można wypatrzeć pył pustynny nad oceanem. Jeśli macie wątpliwości, możecie nałożyć na mapę dodatkową warstwę (+ Add Layers) Dust Score, która wskazuje piksele, w których algorytmy satelity stwierdziły obecność pyłu oraz jego ilość w jednostkach umownych. Ze stron NASA możecie też pobrać dane liczbowe.

Jeśli interesuje Was bardziej trójwymiarowy obraz, zajrzyjcie na stronę projektu CALIPSO, w ramach którego po orbicie okołoziemskiej krąży satelita wyposażony w lidar. Możecie przeglądać tu w prosty sposób najnowsze i archiwalne sygnały lidarowe, które pokazują na jakich wysokościach w atmosferze znajdują się warstwy aerozolu. Oczywiście niespecjaliście nie jest łatwo samodzielnie wysnuć wnioski na podstawie gołych danych (np. odróżnić chmurę od aerozolu), ale często dostępne są również podpowiedzi.

Rysunek 7. Sygnały lidarowe (górny panel) oraz identyfikacja typów aerozolu na ich podstawie (dolny panel). Dane zebrane 6.04.2015 podczas przelotu satelity CALIPSO trasą widoczną na mapce w górnym panelu. Moc sygnałów lidarowych informuje pośrednio o koncentracji cząstek aerozolu lub chmur na różnych poziomach. Impulsy laserowe nie są w stanie spenetrować grubych chmur, stąd widoczne pod nimi "cienie". Typy aerozolu identyfikowanego przez automatyczny algorytm: 1 – czysty aerozol morski, 2 – pył mineralny, 3 – zanieczyszczony aerozol kontynentalny, 4 – czysty aerozol kontynentalny, 5 – zanieczyszczony pył, 6 – dym, N/A – nie dotyczy. Ilustrację zamieszczamy dzięki uprzejmości NASA.

Obserwacje prowadzone są również z poziomu Ziemi. Na stronie NRL znajdziecie mapkę umożliwiającą łatwy dostęp do pomiarów z sieci AERONET, w tym ze stacji Polskiej Akademii Nauk w Belsku. Dane z AERONETu w bardziej profesjonalnym wydaniu znajdziecie na stronie tej sieci. Podglądać można także dane z lidarów naziemnych pracujących w sieci EARLINET, ale tu niestety nie znajdziecie podpowiedzi, które warstwy aerozolu zawierają pył mineralny. Osobom zainteresowanym polecamy w związku z tym profil facebookowy Stacji badawczej SolarAOT, na którym co jakiś czas znajdziecie informacje o pomiarach pyłu pustynnego nad Polską wraz z interpretacją.

Aleksandra Kardaś, konsultacja merytoryczna: prof. Szymon Malinowski

Opublikowano: 2016-09-08 09:50
Tagi

efekt aerozolowy modele numeryczne pomiary i obserwacje skutki zmiany klimatu

Korzystanie z witryny bez zmiany ustawień przeglądarki oznacza akceptację polityki cookies.