Aerosolii Si Poluarea Atmosferica, Surse ale Dinamicii Climei Terestre

”

Cercetatorii au studiat în ultimii ani modul în care poluarea apărută în Asia condiționează schimbări majore în evoluția climei pe glob. Aceștia au descoperit faptul că poluarea produsă de unul din cele mai populate state – China, conduce la apariția și dezvoltarea unor formațiuni noroase deasupra Pacificului de Nord. Aceste formațiuni determină o exacerbare a efectelor cicloanelor extratropicale, fapt resimițit pe coasta de vest a SUA prin furtuni puternice, căderi masive de zăpadă și temperaturi extrem de scăzute.

Aerul are o alcătuire complexă, în care sunt incluse mai multe componente reprezentate de:

un amestec de gaze (aerul uscat – azot, oxigen, argon, dioxid de carbon și altele)

cele trei faze ale apei

diferite particule solide și lichide (altele decât apa) care formează aerosolul atmosferic.

Particulele de aerosol prezintă un domeniu dimensional larg, ce se întinde pe patru ordine de mărime, de la cel caracteristic unei grupări de câteva molecule („clusters”), până la picăturile de nor și particulele de praf crustal având mărimi de câteva zeci de micrometri (Mc Murry, 2000). Acest video indică emisiile de aerosoli și transportul acestora (măsurători efectuate în perioada 1 septembrie 2006 – 10 aprilie 2007). Locațiile indicate prin zone colorate în roșu și galben reprezintă incendii natural sau provocate de om, detectate cu ajutorul sateliților NASA ( NASA Goddard Space Flight Center). Descărcați animația aici.

Sursele aerosolilor

Originea naturală sau artificială a aerosolului, mineral sau organic, este una preponderent terestră

dezintegrare prin acțiune eoliană sau a apei, datorită variațiilor de temperatură etc. și dispersia în atmosferă a particulelor provenind de la suprafața Pământului

vulcanism

reacții chimice (oxidarea gazelor precursoare, cum ar fi dioxidul de carbon, oxizii de azot și compușii organici volatili)

procese de coagulare a particulelor, condensarea gazelor și vaporilor de apă din atmosferă

origine extraatmosferică (dezintegrarea meteoriților).

Distribuția dimensională a aerosolilor

Separarea pe dimensiuni a aerosolilor este legată de diferitele surse ale acestora. Particulele grosiere, cu diametru mai mare de 1 μm sunt primare și provin de la suprafața pământului (mare, sol, vegetație), în timp ce particulele fine, cu dimensiuni de sub 1 μm sunt, în principal, secundare și rezultă din procesele de combustie.

Particulele fine sunt împărțite în subcategorii, datorită structurii regulate a distribuției dimensionale a aerosolilor atmosferici.

Particulele cu dimensiuni mai mici de 0,02 μm sunt numite ultrafine

Particulele Aitken sunt mai mari decât particulele ultrafine, ajungând până la 0,1 μm.

A treia subcategorie, sau mod, al particulelor fine se numește modul de acumulare care include dimensiuni cuprinse între 0,1 μm și 1 μm (Heintzenberg, 2003).

3. Concentrația aerosolulului atmosferic

Una dintre cele mai importante caracteristici ale aerosolilor este reprezentată de concentrația acestora, care poate fi definită fie prin numărul de particule din unitatea de volum gazos, fie prin raportul de amestec, adică masa de aerosol din masa totală de aer. Încă de la primele studii realizate pe concentrația particulelor de aerosol, s-a observat că majoritatea particulelor sunt de origine continentală, activitatea umană reprezentând o sursă majoră de aerosol. De asemenea, s-a constatat scăderea concentrației de aerosoli concomitent cu creșterea înălțimii în atmosferă, scădere de tip exponential.

Concentrația medie a particulelor de aerosol, în vecinătatea Pământului variază, după cum urmează:

50 – 200 particule/cm3 în Antarctica,

900 particule/cm3 deasupra oceanelor

150.000 particule/cm3 (și chiar mai mult) în marile orașe și regiunile inductriale.

Cele mai mari valori se observă vara, iar iarna concentrațiile sunt minime. Aerosolul atmosferic produce difuzia și absorbția radiațiilor solare, determinând o anumită încălzire a atmosferei, reduce vizibilitatea meteorologică vizibilității și joacă rol de centri (nuclei) de condensare a vaporilor de apă din atmosferă, contribuind la la creșterea formațiunilor noroase și astfel la generarea precipitațiilor. Cu cât există mai mulți aerosoli cu atât norii vor avea dimensiuni mai mari.

Deși este dovedit științific faptul că Pământul se află într-o continua tendință de încălzire și pentru cei neinițiați poate părea că prezența norilor limitează cantitatea de energie sosită de la soare, oferind o ”umbră plăcută” acest fapt nu trebuie privit simplist, întrucât realitatea este mult mai complexă. În cazul în care în atmosferă nu există vapori de apă suficienți, aerul devine uscat iar aerosolii existenți nu pot produce nori.

Aerosolii, în funcție de natura lor, de dimensiuni, de durata prezenței lor în atmosferă, au efecte diferite privind comportamentul aerodinamic.

4. Influența aerosolilor asupra bugetului radiativ al Pământului

Aerosolii pot influența bugetul radiativ al Pământului în mod direct (prin fenomene de împrăștiere a radiației solare înapoi în spațiu), cât și indirect (prin modificarea modului în care norii din atmosfera inferioară reflectă sau absorb radiația solară). De asemenea, aerosolii pot facilita diverse reacții chimice (procese chimice eterogene), exemplul cel mai important fiind reacțiile chimice care conduc la distrugerea stratului de ozon stratosferic. În regiunile polare pe timpul iernii, particulele de aerosolii își măresc diametrul și formează nori stratosferici de origine polară. Reacțiile chimice specifice acestor procese duc la formarea unor cantități mari de clor reactiv, care în final, vor distruge stratul de ozon din stratosferă. De asemenea, există dovezi că modificări similare ale concentrației de ozon stratosferic pot avea loc și după erupții vulcanice majore (de exemplu, erupția de pe Muntele Pinatubo în anul 1991) când o cantitate importantă de aerosoli vulcanici a fost dispersată în atmosferă

Pe baza cercetărilor întreprinse până în prezent, putem spune că trei tipuri de aerosoli atmosferici afectează în mod semnificativ clima Pământului.

Primul tip este reprezentat de aerosolii de origine vulcanică (Figura 1(a)) care se formează în stratosferă după erupții vulcanice majore, aceste formațiuni fiind dominate de bioxid de sulf. În urma diferitelor reacții chimice care au loc în atmosferă în decurs de câteva luni, bioxidul de sulf este transformat în picături de acid sulfuric. Curenții de aer din stratosferă transportă acești aerosoli în diverse regiuni, uneori existând condiții favorizante să acopere practic globul. Odată formați, aerosolii de origine vulcanică pot rămâne în stratosferă perioade foarte lungi de timp (până la doi ani), influențând bugetul radiativ al Pământului. Stratul de aerosoli reflectă radiația solară, reducând foarte mult cantitatea de energie care ajunge în troposferă, fenomen care duce la o răcire a suprafeței Pământului. De exemplu, erupția vulcanului de pe Muntele Pinatubo din anul 1991 a condus la o răcire accentuată a Pământului, care a avut loc în anul 1993, fenomen datorat stratului de aerosoli de origine vulcanică din stratosferă.

Figura1(a)www.windows2universe.org/earth/Atmosphere/aerosol_cloud_nucleation_dimming.html

Al doilea tip de aerosol, cu un impact semnificativ asupra climei pe aproape întreaga perioadă a unui an calendaristic, este praful deșertic (Figura 1(b))

Datorită faptului că praful deșertic (compus în special din minerale) absoarbe o mare cantitate a radiației solare, la nivelul stratului atmosferic în care se află are loc o încălzire accentuată, fenomen care, conform specialiștilor, inhibă formarea norilor de ploaie, ducând la apariția secetei

Figura1(b) http://www.abc15.com/news/news-photo-gallery/50- best- images-from-2013-monsoon-in-arizona

Al treilea tip de aerosol, de natură antropogenică (Figura 1(c)) provine din activitățile umane: sulfați (rezultați în urma proceselor de ardere de cărbune și petrol), particule de fum (provenite de la arderea pădurilor tropicale), etc. Concentrația de aerosoli de natură antropogenică este mai mare în emisfera nordică datorită activității industriale mai intense. Ca și în cazul prafului deșertic, și sulfații absorb o mare

cantitate de radiație solară, reducând astfel cantitatea de lumină care ajunge pe 7 suprafața Pământului. Aerosolii de sulfat au un timp de viață în atmosferă de aproximativ 3-5 zile. De asemenea, aerosolii de sulfat influențează formarea norilor de ploaie prin creșterea numărul de picături și prin micșorarea dimensiunilor acestora. Efectul net este că acești nori reflectă lumina soarelui mai mult decât dacă aerosolii de sulfat nu ar fi prezenți. În plus, prezența acestui tip de aerosoli determină creșterea timpului de viață a norilor, fenomenul de reflexie fiind prezent un timp mai îndelungat decât în cazul norilor nepoluați.

Figura 2(c) htFig.1(c) http://www.abc15.com/news/news-photo-gallery/50- best- images-from-2013-monsoon-in-arizona

În momentul de față, eforturile depuse în prognoza climei sunt focalizate pe evaluarea rolului aerosolilor atmosferici care interacționează cu norii și picăturile de ploaie, acțiunea acestora fiind în contrast cu gazele cu efect de seră. Pe lângă efectele radiative, aerosolii atmosferici servesc ca nuclee de condensare la nivelul norilor, prezența lor conducând la o scădere a dimensiunii picăturilor de apă, și prin urmare modifică proprietățile microfizice ale norilor.

Spre exemplu, particulele de funingine de la anumite altitudini pot provoca evaporarea picăturilor de apă din nori, în urma acestora rămânând ceață. La alte altitudini, funinginea poate provoca nori cu dimensiuni mari, care produc furtuni puternice și grindină.

5. Mecanismul formării norilor

Toți norii au un lucru în comun: se formează din proto-nori cunoscuți sub numele de aerolsoli. Când apa se evaporă ca urmare a căldurii Soarelui, vaporii se ridică în aer și moleculele de apa se condesează sub forma de aerosoli-care pot fi naturali ca sarea, sau artficiali, ca sulfații. Dacă proto-norii au cel puțin 60-80 nm, o peliculă de apă se poate forma în jurul lor, formând o picătură. Norii sunt formați din multe astfel de picături. Dacă picăturile ajung la un diametru de 0,5-1 mm, ele vor cădea, intrând în coliziune cu alte picături, asimilându-le și mărindu-se până la picăturile de ploaie, care pot cădea cu viteze până la 35 km/h.

Figura 2

Formarea norilor prin convecție (ridicarea aerului): căldura soarelui încălzește pământul și aerul de la suprafață se încălzește și se ridică. Pe măsură ce câștigă altitudine, se extinde și se răcește până când vaporii se condensează. Fluxuri turbulente amestecă norul de aer cald cu cei dimprejur astfel încât acumulările de la joasă altitudine câteodată se dispersează din nou (a treia imagine). Temperatura și presiunea descresc cu altitudinea, așa cum se observă pe marginile din stânga și din dreapta

Aerosolii joacă un rol important nu doar în formarea norilor, dar și în formarea precipitațiilor: ei determină când și unde plouă. În atmosfera curată cu foarte puține particule, lumina soarelui evaporă multă apă. Pe măsura ce se ridică, vaporii găsesc prea puține particule de condensare în aer, astfel că picăturile formate în jurul lor sunt foarte mari și plouă puternic.

Într-o atmosferă poluată, numărul mare al particulelor de aerosoli împiedică mare parte din radiația soarelui să ajungă pe pământ, ducând la mai puțină apă care să se evapore. Pe măsură ce vaporii se ridică, găsește mai puține particule, creând mai multe picături dar mai mici. Aceasta încetinește formarea picăturilor de ploaie (picăturile cad doar dacă ating 0,5 -1 mm), astfel că nu plouă în punctul de origine. Mai multă apă se condensează în jurul particulelor, pe măsură ce norii se ridică și temperaturile joase îngheață picăturile. Astfel că norul continuă să se ridice, în loc să se pornească ploaia. Acești nori plini de energie aduc precipitații abundente.

Concentrațiile ridicate ale aerosolilor pot inhiba precipitațiile și chiar și formarea norilor în sine. Exemplu se consideră că o concentrare a aerosolilor în nordul Chinei a dus la o schimbare majoră în frecvența precipitațiilor. La scală globală desigur, toată apa care se evaporă trebuie în cele din urmă să revină pe Pământ sub formă de precipitații. Astfel că norii care își descarcă mai greu conținutul, vor face acest lucru sub forma unor ruperi de nori, cauzând inundații și alunecări de teren.

Explicația științifică a exacerbării acestor fenomene meteo extreme este foarte simplă. În timpul procesului de condensare este eliberată o cantitate de căldură, numită căldură latentă . Această căldură duce la apariția unor curenți de convecție care deplasează masele de aer din interiorul unei formațiuni noroase, pe verticală, consecința fiind creșterea acestora. Mecanismele convective joacă un rol deosebit de important în circulația atmosferică a Pământului împingând spre exemplu umiditatea tropicală până spre latitudinile corespunzătoare zonei temperate. Furtunile formate cam o dată pe săptămână în zonele 250-500 latitudine nordică traversează Oceanul Pacific dinspre Sud către Nord, colectând poluanții produși deasupra Asiei în calea lor.

Figura 3

Statul chinez joacă un rol important în poluarea mediului înconjurător punând pe primul plan câștigurile financiare și dezvoltarea economică a statului, în defavoarea conservării mediului. China ocupă primul loc în clasamentul statelor care elimină în atmosferă substanțe care reduc stratul de ozon, eliminând anual 600 de tone de mercur. Din cele 100 de orașe chineze care au o populație de peste 1 milion de locuitori, doar 1/3 îndeplinesc standardele Organizației Mondiale a Sănătății. Smog-ul chinez, norul de fum care acoperă marile orașe ale Chinei, se răspândește cu repeziciune și în afara statului, generând relații tensionate și critici din partea vecinilor și a comunității internaționale. Important de menționat este faptul că statul chinez este principalul responsabil al încălzirii globale, depășind Statele Unite ale Americii. Norii de poluare din China traversează Oceanul Pacific și ajung în Statele Unite ale Americii, unde provoacă ploi acide și poluare cu sulf.

6. Incheiere

Dacă până în prezent cauzele naturale au provocat cele mai grave consecințe ale fenomenelor naturale extreme, acum s-ar părea că locul lor ar fi luat de cauzele antropice, care cumulate cu primele, tind să determine o modificare globală a climei (ca urmare a efectului de seră) și, respectiv, modificări globale ale mediului. OMM apreciază că de la începuturile etapei industriale (1750) până în prezent, temperatura aerului a crescut cu peste 1˚C, iar numai în secolul XX, cu 0.6˚C, anul 1998 fiind cel mai cald din istoria observațiilor meteorologice de pe tot globul.

Practic, ținând seama de cât de multe variabile intervin, se poate afirma că prezența aerosolilor este una dintre cele mai mari surse de incertitudine în estimarea viitoarelor schimbări climatice. În ultimii 30 de ani, norii apăruți deasupra Oceanului Pacific au fost din ce în ce mai mari, consecința fiind aceea că furtunile din nord-vestul Pacificului au devenit cu circa 10% mai puternice. Studiile cercetătorilor Jonathan Jiang și Yuan Wang au arătat faptul că perioada în care s-au efectuat aceste măsurători coincide cu cea a ”boom-ului” economic al Asiei.

În prezent, conform scenariilor pe care le fac oamenii de știință cu privire la viitorul climei pe Terra, indică creșteri neașteptate ale temperaturii aerului până la sfârșitul secolului XXI dacă nu se aplică un management științific adecvat de diminuare a poluării atmosferei, prin înlocuirea combustibililor convenționali, fosili cu alte surse neconvenționale, care să ,,stopeze” acest fenomen la scară planetară.

Figura 4 arată prezența unui ciclon extratropical observat prin satelit în 10 martie 2014 în Oceanul Pacific

Figura 4

Bibliografie

Enache Liviu (2009) AGROMETEOROLOGIE

Hergersberg P (2010) Droplets on a Roller Coaster (Picaturile intr-un carusel). Max Planck Research 2.2010: 32-37

Koren, I., Kaufman, Y., Remer, L., and Martins, J. (2004). Measurement of the effect of Amazon smoke on inhibition of cloud formation. Science, 303, 1342

Meier C (2010) Water with a Nebulous Effect (Apa cu un efect nebulos). Max Planck Research2.2010: 17-23

Russell A, Ricketts H, Knight S (2007) Clouds (Norii). Physics Education 42(5): 457-465. doi:10.1088/0031-9120/42/5/002

Ovidiu-Gelu Tudose (2013)(Contribuții la studiul proprietăților optice ale aerosolilor atmosferici utilizând tehnici de teledetecție)

Unger, N., Bond, T., Wang, J., Koch, D., Menon, S., Shindell, D., and Bauer, S. (2010). Attribution of climate forcing to economic sectors. Proceedings of the National Academy of Sciences, 107, 3382-3387.

Wengenmayr R (2010) The Seeds of Climate (Semințele climei). Max Planck Research 2.2010: 24-31