هسته‌های میعان ابر

آلودگی هواپخش بر فراز شمال هند و بنگلادش (تصویر ماهواره‌ای از ناسا)

هسته‌های میعان ابر[۱] (انگلیسی: Cloud condensation nuclei)، که به آن‌ها بذرهای ابر نیز گفته می‌شود، ذرات معلق ریزی هستند که اندازه‌شان معمولاً حدود ۰٫۲ میکرومتر، یعنی حدود یک‌صدم اندازهٔ یک قطرهٔ ابر، است.[۲] این ذرات زیرمجموعه‌ای ویژه از هواپخش‌های موجود در جو هستند که بخار آب روی آن‌ها میعان می‌یابد. این پدیده می‌تواند بر خواص تابشی ابرها و کل جو تأثیر بگذارد.[۳] بخار آب برای گذار به حالت مایع به یک سطح غیرگازی نیاز دارد؛ این فرایند میعان نامیده می‌شود.

در جو زمین، این سطح به شکل ذرات ریز جامد یا مایعی به نام هسته‌های میعان ابر پدیدار می‌شود. هنگامی که هیچ هسته‌ای وجود نداشته باشد، بخار آب می‌تواند تا حدود ۱۳- درجهٔ سلسیوس به مدت ۵ تا ۶ ساعت پیش از تشکیل خودبه‌خودی قطرات، فوق‌سرد بماند. این پدیده مبنای اتاقک ابری برای شناسایی ذرات زیراتمی است.[۴]

مفهوم هستهٔ میعان ابر (که باید با نسبت فوق‌اشباع مرتبط باشد) در بارورسازی ابرها به کار می‌رود؛ فرایندی که با پاشیدن هسته‌های میعان (که به نسبت فوق‌اشباع مرتبط نیستند) در هوا، می‌کوشد بارش را تشویق کند. همچنین پیشنهاد شده که ایجاد چنین هسته‌هایی می‌تواند برای روشن‌سازی ابرهای دریایی، از فنون مهندسی اقلیم، به کار رود.[۵] برخی پدیده‌های طبیعی محیطی، مانند آنچه در فرضیه کلاو مطرح شده، نیز از برهم‌کنش میان هسته‌های میعان تولیدشده به‌طور طبیعی و شکل‌گیری ابر ناشی می‌شوند.

ویژگی‌ها

اندازه و ترکیب

یک قطرهٔ باران معمولی حدود ۲ میلی‌متر قطر دارد، یک قطرهٔ ابر معمولی در حدود ۰٫۰۲ میلی‌متر است، و یک هستهٔ میعان ابر معمولی (هواپخش) در حدود ۰٫۰۰۰۱ میلی‌متر یا ۰٫۱ میکرومتر یا بیشتر قطر دارد.[۲] شمار هسته‌های میعان ابر در هوا در محدودهٔ حدود ۱۰۰ تا ۱۰۰۰ در هر سانتی‌متر مکعب اندازه‌گیری می‌شود. توزیع اندازه و ترکیب شیمیایی هسته‌های میعان ابر بر فراز اقیانوس‌ها معمولاً تفاوت آشکاری با نمونه‌های روی خشکی دارد.[۲] جرم کل هسته‌های میعان ابر تزریق‌شده به جو در طول یک سال حدود ۲×۱۰۱۲ کیلوگرم برآورد شده است.[۲]

ترکیب

انواع بسیار متفاوتی از ذرات معلق جوی می‌توانند به‌عنوان هستهٔ میعان ابر عمل کنند. این ذرات ممکن است از گرد و غبار یا رس، دوده یا کربن سیاه برخاسته از آتش‌سوزی مراتع یا جنگل‌ها، نمک دریا حاصل از پاشش امواج اقیانوس، دوده از دودکش کارخانه‌ها یا موتورهای احتراق داخلی، سولفات ناشی از فعالیت‌های آتشفشانی، فیتوپلانکتون یا اکسایش گوگرد دی‌اکسید، و مادهٔ آلی ثانویه حاصل از اکسایش ترکیبات آلی فرّار تشکیل شده باشند.[۲] توانایی این انواع مختلف ذرات برای تشکیل قطرات ابر بسته به اندازه و همچنین ترکیب دقیق آن‌ها متفاوت است، زیرا خواص نم‌بینی این اجزای گوناگون بسیار با هم تفاوت دارند. برای نمونه، سولفات و نمک دریا به‌آسانی آب را جذب می‌کنند، در حالی که دوده، کربن آلی، و ذرات معدنی چنین نمی‌کنند. این موضوع با درنظرگرفتن این نکته که بسیاری از گونه‌های شیمیایی ممکن است درون ذرات با هم مخلوط شده باشند (به‌ویژه سولفات و کربن آلی)، پیچیده‌تر نیز می‌شود. افزون بر این، اگرچه برخی ذرات (مانند دوده و مواد معدنی) هستهٔ میعان ابر خوبی نیستند، در بخش‌های سردتر جو به‌عنوان هستهٔ یخ عمل می‌کنند.[۳]

فراوانی

شمار و نوع هسته‌های میعان ابر می‌تواند بر میزان بارش،[۶] طول عمر، و خواص تابشی ابرها تأثیر بگذارد. این موضوع در نهایت بر تغییرات اقلیمی اثرگذار است.[۵] پژوهش‌های مدل‌سازی به سرپرستی مارسیا بیکر نشان داد که منابع و چاه‌های هسته‌های میعان ابر با فرایندهای انعقاد و ائتلاف با یکدیگر توازن می‌یابند و این امر به سطوح پایدار هسته‌های میعان ابر در جو می‌انجامد.[۷][۸] همچنین این گمانه‌زنی مطرح است که تغییرپذیری خورشیدی ممکن است از طریق هسته‌های میعان ابر بر خواص ابرها، و در نتیجه بر اقلیم، اثر بگذارد.[۹]

اندازه‌گیری

اندازه‌گیری‌های هوابرد این هواپخش‌های مخلوط منفرد می‌تواند هستهٔ میعان ابر را در یک سایت SGP هنگام استفاده از هواپیمای پژوهشی تشکیل دهد.[۱۰]

کاربردها

بارورسازی ابرها

بارورسازی ابرها فرایندی است که در آن ذرات ریز به جو افزوده می‌شود تا شکل‌گیری ابر و بارش را تحریک کند. این کار با پراکندن نمک‌ها به روش‌های هوابرد یا زمینی انجام شده است.[۱۱] روش‌های دیگری نیز بررسی شده‌اند، مانند استفاده از پالس‌های لیزری برای برانگیختن مولکول‌های جو،[۱۲] و به‌تازگی، در سال ۲۰۲۱، گسیل بار الکتریکی با استفاده از پهپادها.[۱۳] اثربخشی این روش‌ها یکسان نیست؛ بسیاری از مطالعات تفاوت معناداری از نظر آماری در بارش مشاهده نکرده‌اند، در حالی که برخی دیگر چنین تفاوتی را گزارش کرده‌اند. بذرپاشی ابر همچنین می‌تواند از فرایندهای طبیعی مانند آتش‌سوزی جنگل‌ها ناشی شود که ذرات ریزی را به جو می‌فرستند و می‌توانند نقش هسته را ایفا کنند.[۱۴]

روشن‌سازی ابرهای دریایی

روشن‌سازی ابرهای دریایی یکی از فنون مهندسی اقلیم است که شامل تزریق ذرات ریز به ابرها برای افزایش بازتابندگی، یا سپیدایی، آن‌هاست.[۱۵] انگیزهٔ پشت این فن، کنترل میزان نور خورشیدی است که به سطح اقیانوس‌ها می‌رسد، با این امید که از طریق واداشت تابشی دمای سطح را کاهش دهد.[۱۶] بسیاری از روش‌ها شامل تولید قطرات ریز آب دریا برای رساندن ذرات نمک دریا به ابرهای بالادست هستند.[۱۷][۱۸]

پیچیدگی‌هایی ممکن است هنگامی پدید آید که کلر و برم واکنش‌پذیر برگرفته از نمک دریا با مولکول‌های موجود در جو واکنش دهند. نشان داده شده که این واکنش‌ها اوزون جو را کاهش می‌دهند؛ همین اثر هیدروکسید را نیز کاهش می‌دهد که با افزایش طول عمر متان، یک گاز گلخانه‌ای، همبستگی دارد.[۱۹]

ارتباط با فیتوپلانکتون‌ها و اقلیم

شکوفایی فیتوپلانکتون‌ها در دریای شمال و اسکاگراک – ناسا

مقاله‌ای در سال ۱۹۸۷ در نشریهٔ نیچر نشان داد که اقلیم جهانی ممکن است در یک حلقهٔ بازخورد، ناشی از رابطهٔ میان هسته‌های میعان ابر، رفتارهای تنظیم‌کنندهٔ دمای ابرها، و فیتوپلانکتون اقیانوسی، شکل بگیرد.[۲۰] این پدیده از آن پس فرضیه کلاو نامیده شده است، برگرفته از نام نویسندگان مطالعهٔ اصلی. یک هستهٔ میعان ابر رایج بر فراز اقیانوس‌ها، هواپخش‌های سولفاتی است. این ایروسل‌ها از دی‌متیل سولفید (DMS) تولیدشده توسط جلبک‌های موجود در آب دریا شکل می‌گیرند.[۲۰] شکوفایی‌های بزرگ جلبکی، که مشاهده شده در مناطقی مانند دریای چین جنوبی افزایش یافته‌اند، می‌توانند مقدار قابل‌توجهی DMS به جو پیرامون خود بیفزایند و به افزایش شکل‌گیری ابر بینجامند.[۲۱][۲۰] از آنجا که فعالیت فیتوپلانکتون به دما وابسته است، این حلقهٔ بازخورد منفی می‌تواند به‌مثابهٔ نوعی تنظیم اقلیمی عمل کند.

کتاب انتقام گایا، نوشتهٔ جیمز لاولاک، یکی از نویسندگان مطالعهٔ ۱۹۸۷، رابطهٔ جایگزینی میان دمای اقیانوس‌ها و اندازهٔ جمعیت فیتوپلانکتون پیشنهاد می‌کند که به فرضیهٔ ضدکلاو موسوم شده است. در این سناریو، لایه‌بندی اقیانوس‌ها موجب می‌شود آب سرد سرشار از مواد مغذی زیر آب گرم‌تر، جایی که نور خورشید برای فتوسنتز بیشترین فراوانی را دارد، به دام بیفتد.[۲۲] این پدیده رشد فیتوپلانکتون را مهار می‌کند و با افزایش دما به کاهش جمعیت آن‌ها و هسته‌های میعان سولفاتی که تولید می‌کنند می‌انجامد. این برهم‌کنش از این رو با کاهش شکل‌گیری ابر ناشی از هسته‌های میعان، سپیدایی ابرها را کاهش می‌دهد و تابش خورشیدی رسیده به سطح اقیانوس‌ها را افزایش می‌دهد که به یک حلقهٔ بازخورد مثبت می‌انجامد.[۲۲]

آتشفشان‌ها

انتشار خاکستر و گاز آتشفشانی از آتشفشان پاولوف آلاسکا — ناسا

آتشفشان‌ها هنگام فوران، مقدار زیادی گاز و ذرات خاکستر میکروسکوپی به جو می‌فرستند که به هواپخش‌های جوی بدل می‌شوند.[۲۳] با افزایش شمار ذرات ایروسل از طریق فرایندهای تبدیل گاز به ذره، محتوای این فوران‌ها می‌تواند بر غلظت هسته‌های میعان ابر بالقوه و ذرات هسته‌ساز یخ اثر بگذارد که به نوبهٔ خود بر خواص ابرها تأثیر می‌گذارد و به تغییرات اقلیمی محلی یا منطقه‌ای می‌انجامد.[۲۴]

از میان این گازها، گوگرد دی‌اکسید، کربن دی‌اکسید، و بخار آب رایج‌ترین گازهای موجود در فوران‌های آتشفشانی هستند.[۲۵] در حالی که هسته‌های میعان ابر بخار آب و کربن دی‌اکسید به‌طور طبیعی در جو فراوان‌اند، افزایش هسته‌های میعان گوگرد دی‌اکسید می‌تواند با ایجاد سرمایش جهانی بر اقلیم اثر بگذارد.[۲۶] سالانه نزدیک به ۹٫۲ تراگرم گوگرد دی‌اکسید (SO2) از آتشفشان‌ها گسیل می‌شود.[۲۴] این گوگرد دی‌اکسید به اسید سولفوریک تبدیل می‌شود که به‌سرعت در استراتوسفر میعان می‌یابد و هواپخش‌های ریز سولفاتی تولید می‌کند.[۲۶] جو زیرین زمین، یا تروپوسفر، در نتیجهٔ توانایی افزایش‌یافتهٔ این هواپخش‌ها در بازتاباندن تابش خورشیدی به فضا، سرد می‌شود.

جستارهای وابسته

منابع

  1. ↑ «هسته‌های میعان اَبر» [علوم جَوّ] هم‌ارزِ «cloud condensation nuclei»؛ منبع: گروه واژه‌گزینی. دفتر هشتم. فرهنگ واژه‌های مصوب فرهنگستان. تهران: انتشارات فرهنگستان زبان و ادب فارسی. شابک ۹۷۸-۶۰۰-۶۱۴۳-۰۸-۸ (ذیل سرواژهٔ هسته‌های میعان اَبر){{cite book}}: نگهداری یادکرد:پی‌نوشت (رده)
  2. 1 2 3 4 5 «Formation of Haze, Fog, and Clouds: Condensation Nuclei». دریافت‌شده در ۲۵ نوامبر ۲۰۱۴.{{cite web}}: نگهداری یادکرد:تاریخ به‌طور خودکار ترجمه‌شده (رده)
  3. 1 2 Hudson، James G. (۱ آوریل ۱۹۹۳). «Cloud Condensation Nuclei». Journal of Applied Meteorology and Climatology. ۳۲ (۴): ۵۹۶–۶۰۷. doi:10.1175/1520-0450(1993)032<0596:CCN>2.0.CO;2. شاپا ۱۵۲۰-۰۴۵۰.{{cite journal}}: نگهداری یادکرد:تاریخ به‌طور خودکار ترجمه‌شده (رده)
  4. ↑ National Research Council (۲۰۱۵). Climate Intervention: reflecting sunlight to cool Earth. Washington, D.C. شابک ۹۷۸-۰-۳۰۹-۳۱۴۸۳-۱.{{cite book}}: نگهداری یادکرد:تاریخ به‌طور خودکار ترجمه‌شده (رده) نگهداری یادکرد:مکان بدون ناشر (رده)
  5. 1 2 Houghton، J. T. (۲۰۰۱). Climate change ۲۰۰۱: the scientific basis. Cambridge University Press. شابک ۰-۵۲۱-۸۰۷۶۷-۰.{{cite book}}: نگهداری یادکرد:تاریخ به‌طور خودکار ترجمه‌شده (رده)
  6. ↑ Khain، A. P.؛ BenMoshe، N.؛ Pokrovsky، A. (۱ ژوئن ۲۰۰۸). «Factors Determining the Impact of Aerosols on Surface Precipitation from Clouds: An Attempt at Classification». Journal of the Atmospheric Sciences. ۶۵ (۶): ۱۷۲۱–۱۷۴۸. doi:10.1175/2007jas2515.1.{{cite journal}}: نگهداری یادکرد:تاریخ به‌طور خودکار ترجمه‌شده (رده)
  7. ↑ Baker، Marcia B.؛ Charlson، Robert J. (۱۹۹۰). «Bistability of CCN concentrations and thermodynamics in the cloud-topped boundary layer». Nature. ۳۴۵ (۶۲۷۱): ۱۴۲–۱۴۵. doi:10.1038/345142a0.{{cite journal}}: نگهداری یادکرد:تاریخ به‌طور خودکار ترجمه‌شده (رده)
  8. ↑ Baker، M. B. (۱ ژانویه ۱۹۹۳). «Variability in concentrations of cloud condensation nuclei in the marine cloud–topped boundary layer». Tellus B: Chemical and Physical Meteorology. ۴۵ (۵): ۴۵۸–۴۷۲. doi:10.3402/tellusb.v45i5.15742.{{cite journal}}: نگهداری یادکرد:تاریخ به‌طور خودکار ترجمه‌شده (رده)
  9. ↑ Yu، Fangqun؛ Luo، Gan (۱ آوریل ۲۰۱۴). «Effect of solar variations on particle formation and cloud condensation nuclei». Environmental Research Letters. ۹ (۴): ۰۴۵۰۰۴. doi:10.1088/1748-9326/9/4/045004.{{cite journal}}: نگهداری یادکرد:تاریخ به‌طور خودکار ترجمه‌شده (رده) نگهداری یادکرد:شماره مقاله به‌جای شماره صفحه (رده)
  10. ↑ Kulkarni، Gourihar؛ Mei، Fan؛ Shilling، John؛ Wang، Jian (۳ فوریه ۲۰۲۳). «Cloud Condensation Nuclei Closure Study Using Airborne Measurements Over the Southern Great Plains». Journal of Geophysical Research. ۱۲۸ (۵).{{cite journal}}: نگهداری یادکرد:تاریخ به‌طور خودکار ترجمه‌شده (رده)
  11. ↑ Vonnegut، B.؛ Chessin، Henry (۲۶ نوامبر ۱۹۷۱). «Ice Nucleation by Coprecipitated Silver Iodide and Silver Bromide». Science. ۱۷۴ (۴۰۱۲): ۹۴۵–۹۴۶. doi:10.1126/science.174.4012.945.{{cite journal}}: نگهداری یادکرد:تاریخ به‌طور خودکار ترجمه‌شده (رده)
  12. ↑ «Laser creates clouds over Germany». New Scientist. ۲ مه ۲۰۱۰.{{cite web}}: نگهداری یادکرد:تاریخ به‌طور خودکار ترجمه‌شده (رده)
  13. ↑ «UAE to test cloud-busting drones to boost rainfall». BBC News. ۱۷ مارس ۲۰۲۱.{{cite web}}: نگهداری یادکرد:تاریخ به‌طور خودکار ترجمه‌شده (رده)
  14. ↑ Barry، Kevin R.؛ Hill، Thomas C. J. (۱۶ فوریه ۲۰۲۱). «Observations of Ice Nucleating Particles in the Free Troposphere From Western US Wildfires». Journal of Geophysical Research: Atmospheres. ۱۲۶ (۳). doi:10.1029/2020JD033752.{{cite journal}}: نگهداری یادکرد:تاریخ به‌طور خودکار ترجمه‌شده (رده)
  15. ↑ Ahlm، Lars؛ Jones، Andy؛ Stjern، Camilla W. (۶ نوامبر ۲۰۱۷). «Marine cloud brightening – as effective without clouds». Atmospheric Chemistry and Physics. ۱۷ (۲۱): ۱۳۰۷۱–۱۳۰۸۷. doi:10.5194/acp-17-13071-2017.{{cite journal}}: نگهداری یادکرد:doi رایگان بی‌نشان (رده) نگهداری یادکرد:تاریخ به‌طور خودکار ترجمه‌شده (رده)
  16. ↑ Intergovernmental Panel on Climate Change (۲۰۱۴). «Anthropogenic and Natural Radiative Forcing». Climate Change ۲۰۱۳: The Physical Science Basis. Cambridge University Press. صص. ۷۰۵–۷۴۰. شابک ۹۷۸-۱-۱۰۷-۴۱۵۳۲-۴.{{cite book}}: نگهداری یادکرد:تاریخ به‌طور خودکار ترجمه‌شده (رده)
  17. ↑ Evans، J. R. G.؛ Stride، E. P. J.؛ Edirisinghe، M. J. (۶ ژوئیه ۲۰۱۰). «Can oceanic foams limit global warming؟». Climate Research. ۴۲ (۲): ۱۵۵–۱۶۰. doi:10.3354/cr00885.{{cite journal}}: نگهداری یادکرد:تاریخ به‌طور خودکار ترجمه‌شده (رده)
  18. ↑ Barreras، F.؛ Amaveda، H.؛ Lozano، A. (ژوئن ۲۰۰۲). «Transient high-frequency ultrasonic water atomization». Experiments in Fluids. ۳۳ (۳): ۴۰۵–۴۱۳. doi:10.1007/s00348-002-0456-1.{{cite journal}}: نگهداری یادکرد:تاریخ به‌طور خودکار ترجمه‌شده (رده)
  19. ↑ Horowitz، Hannah M.؛ Holmes، Christopher؛ Wright، Alicia (۲۸ فوریه ۲۰۲۰). «Effects of Sea Salt Aerosol Emissions for Marine Cloud Brightening on Atmospheric Chemistry: Implications for Radiative Forcing». Geophysical Research Letters. ۴۷ (۴). doi:10.1029/2019GL085838.{{cite journal}}: نگهداری یادکرد:تاریخ به‌طور خودکار ترجمه‌شده (رده)
  20. 1 2 3 Charlson، Robert J.؛ Lovelock، James E.؛ Andreae، Meinrat O.؛ Warren، Stephen G. (۱۹۸۷). «Oceanic phytoplankton, atmospheric sulphur, cloud albedo and climate». Nature. ۳۲۶ (۶۱۱۴): ۶۵۵–۶۶۱. doi:10.1038/326655a0.{{cite journal}}: نگهداری یادکرد:تاریخ به‌طور خودکار ترجمه‌شده (رده)
  21. ↑ «Marine Ecology Progress Series 268:31» (PDF). دریافت‌شده در ۲۱ آوریل ۲۰۱۸.{{cite web}}: نگهداری یادکرد:تاریخ به‌طور خودکار ترجمه‌شده (رده)
  22. 1 2 Lovelock، James (۲۰۰۷). The revenge of Gaia: why the Earth is fighting back - and how we can still save humanity. London: Penguin. شابک ۹۷۸-۰-۱۴-۱۰۲۵۹۷-۱.{{cite book}}: نگهداری یادکرد:تاریخ به‌طور خودکار ترجمه‌شده (رده)
  23. ↑ «Key Facts About Volcanic Eruptions | Volcanoes». Centers for Disease Control and Prevention. ۲۵ ژانویه ۲۰۲۲.{{cite web}}: نگهداری یادکرد:تاریخ به‌طور خودکار ترجمه‌شده (رده)
  24. 1 2 Arghavani، Somayeh؛ Rose، Clémence؛ Banson، Sandra (۴ مارس ۲۰۲۱). «The Effect of using a New Parameterization of Nucleation in the WRF-Chem model on the Cluster Formation Rate and Particle Number Concentration in a Passive Volcanic Plume». EGU General Assembly Conference Abstracts. doi:10.5194/egusphere-egu21-12058.{{cite journal}}: نگهداری یادکرد:doi رایگان بی‌نشان (رده) نگهداری یادکرد:تاریخ به‌طور خودکار ترجمه‌شده (رده)
  25. ↑ «What gases are emitted by Kīlauea and other active volcanoes؟». U.S. Geological Survey.
  26. 1 2 «Volcanoes Can Affect Climate». U.S. Geological Survey.

کتاب‌شناسی

  • Fletcher, Neville H. (2011). The physics of rainclouds (Paperback ed.). Cambridge: Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-15479-6.
This page is issued from ویکی‌پدیا. The text is available under Creative Commons Attribution-Share Alike 4.0 unless otherwise noted. Additional terms may apply for the media files.