ΝΕΦΗ ΚΑΙ ΑΕΡΟΛΥΜΑΤΑ

Η ατμόσφαιρα η οποία περιβάλει τη Γη, αποτελείται κατά 78.08% από Άζωτο (Ν2), 20.95% από Οξυγόνο (Ο2), 0.93% από Αργό (Ar), 0.0395% από Διοξείδιο του Άνθρακα (CO2) και από άλλα σε μικρότερο ποσοστό αέρια (Ne, He, CH4, …). Τα χημικά αυτά στοιχεία και ενώσεις, το ποσοστό των οποίων μπορεί να θεωρηθεί σταθερό στα κατώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας, αποτελούν τον λεγόμενο ξηρό αέρα. Στη σύνθεση του ξηρού αέρα δεν περιλαμβάνονται τα αιωρούμενα σωματίδια καθώς και οι υδρατμοί (Η2Ο), το ποσοστό των οποίων είναι μεταβλητό από τόπο σε τόπο και από χρόνο σε χρόνο. Επίσης, το νερό είναι το μοναδικό στοιχείο της γήινης ατμόσφαιρας που μπορεί και συνυπάρχει σε τρεις φάσεις: στερεά, υγρή και αέρια.

Ένας τρόπος να προσδιοριστεί η ποσότητα υδρατμών στην ατμόσφαιρα είναι με τη βοήθεια της σχετικής υγρασίας. Σχετική υγρασία είναι ο λόγος της ποσότητας των υδρατμών που υπάρχει σε ένα κυβικό μέτρο στην ατμόσφαιρα, υπό συγκεκριμένες συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας, προς τη μέγιστη ποσότητα υδρατμών που μπορεί να συγκρατήσει μέχρι να φτάσει σε συνθήκες κορεσμού. Η σχετική υγρασία υπολογίζεται επί τοις εκατό (%), φτάνοντας στο 100% σε συνθήκες κορεσμού. Σε συνθήκες ατμόσφαιρας χωρίς αερολύματα, για να συμπυκνωθεί μια σταγόνα νερού από υδρατμούς και να αυξήσει το μέγεθος της αρκετά ώστε λόγω βαρύτητας να αρχίσει να πέφτει, απαιτείται σχετική υγρασία περίπου 400%! Τέτοια επίπεδα υγρασίας δεν απαντώνται στις συνθήκες που επικρατούν μέσα στην ατμόσφαιρα. Επομένως κάποιος άλλος μηχανισμός πρέπει να είναι υπεύθυνος για τη δημιουργία των νεφών.

Ο μηχανισμός αυτός σχετίζεται άρρηκτα με τα αιωρούμενα σωματίδια στην ατμόσφαιρα ή αλλιώς με τα αερολύματα. Τα αερολύματα, είτε αυτά είναι παράγωγα ανθρωπογενούς δραστηριότητας (10%) είτε αποτέλεσμα φυσικών διεργασιών (90%), είναι μικροσκοπικά σωματίδια τα οποία εν γένει διαφέρουν ως προς τη σύσταση, τις ιδιότητες και τις συνέπειες στο περιβάλλον και στον άνθρωπο. Εκ των σημαντικότερων συνεπειών των αερολυμάτων ακτίνας μεγέθους από 0.1 μm έως και 2 μm), είναι η συμβολή στη δημιουργία υδροσταγονιδίων και παγοκρυστάλλων, βασικών στοιχείων των νεφών.

Ξεκινώντας ωστόσο από τα αερολύματα χαρακτηριστικής ακτίνας περίπου 0.1 μm (Σχήμα 1), ποιος είναι ο μηχανισμός εκείνος μέσα από τον οποίο δημιουργούνται τυπικές σταγόνες βροχής χαρακτηριστικής ακτίνας 1000 μm; Η μεταβολή αυτή στην ακτίνα είναι της τάξης 104 ενώ όσον αφορά τη μάζα, η αύξηση που παρατηρείται είναι της τάξης του 1012!

Σχήμα 1: Σύγκριση ακτίνας και πληθυσμού σωματιδίων και δομών που περιέχονται σε ένα τυπικό σύννεφο (Rogers et al., 1989).

Η βασική ιδιότητα που σχετίζεται με την καταλληλόλητα των αερολυμάτων ως πυρήνες συμπύκνωσης υδρατμών είναι η συμπεριφορά τους σε συνθήκες όπου υπάρχει παρουσία νερού. Αερολύματα, τα οποία εμφανίζουν κάποια πολικότητα και μπορούν και διαλύονται στο νερό (υδρόφιλα), παίζουν καίριο ρόλο στη δημιουργία νεφών (Σχήμα 2). Πολύ αποτελεσματικά υδρόφιλα αερολύματα είναι μεταξύ άλλων οι ενώσεις θείου ((ΝΗ4)2SO4) αλλά και το κοινό αλάτι (NaCl). Τα εν λόγω αερολύματα, τα οποία λειτουργούν ως πυρήνες συμπύκνωσης υδρατμών, έχουν την ιδιότητα να αυξάνουν την ακτίνα τους κατά αρκετές τάξεις μεγέθους σε συνθήκες κορεσμένης ατμόσφαιρας.

Σχήμα 2: Μηχανισμός δημιουργίας σταγόνων βροχής με βάση υδρόφιλα ατμοσφαιρικά αερολύματα (Salby et al., 1996).

Οι μηχανισμοί μέσα από τους οποίους τα αερολύματα επιδρούν στη δημιουργία υετού είναι οι λεγόμενες “συγκρούσεις και συνενώσεις” στα θερμά σύννεφα και το γνωστό ως φαινομένο Bergeron στα ψυχρά σύννεφα. Θερμά ονομάζονται τα σύννεφα εκείνα στα οποία δεν υπάρχει πάγος. Στα σύννεφα αυτά μικροσκοπικές σταγόνες δημιουργούνται με τη συμβολή των αερολυμάτων. Ένα θερμό σύννεφο αποτελείται από σταγόνες βροχής διαφόρων μεγεθών. Καθώς οι μεγαλύτερες σε μάζα σταγόνες έλκονται εντονότερα από τη γη, αναπτύσσουν μεγαλύτερες ταχύτητες από τις μικρότερες σε μέγεθος σταγόνες που τις περιβάλλουν. Το αποτέλεσμα είναι η συνένωση τους σε ακόμα μεγαλύτερες σε μάζα σταγόνες. Οι σταγόνες αυτές ενίοτε λόγω της τυχαιότητας της κίνησης τους διαχωρίζονται σε μικρότερες, οι οποίες με τη σειρά τους λόγω συγκρούσεων αυξάνουν και εκείνες το μέγεθος τους. Το αποτέλεσμα είναι η αύξηση του πληθυσμού των σταγόνων οι οποίες εν τέλει αποβάλλονται από την ατμόσφαιρα με τη μορφή υετού (Σχήμα 3).

Σχήμα 3: Μηχανισμός δημιουργίας σταγόνων υετού μέσω του μηχανισμού συγκρούσεων και συνενώσεων (Salby et al., 1996).

Σε αντίθεση με τα θερμά σύννεφα, ψυχρά ονομάζονται εκείνα στα οποία οι υδρατμοί απαντώνται και στις τρεις φάσεις, στερεά, υγρή και αέρια. Στα νέφη αυτά τα αερολύματα συμβάλουν στην παραγωγή μικρού σε αριθμό πληθυσμού παγοκρυστάλλων. Οι παγοκρύσταλλοι αυτοί απορροφούν ταχύτατα τις σταγόνες σε υγρή μορφή που τους περιβάλλουν. Το αποτέλεσμα είναι η αύξηση του μεγέθους τους, που εν τέλει οδηγεί και στην πτώση τους από το σύννεφο. Ο μηχανισμός αυτός ονομάζεται μηχανισμός Bergeron (Εικόνα 4).

Εικόνα 4: Μηχανισμός δημιουργίας κατακρημνίσεων βάση του μηχανισμού Bergeron (Robert et al., 1980).

Ψυχρά σύννεφα, χαρακτηριζόμενα από έντονες ανοδικές και καθοδικές κινήσεις αερίων μαζών, είναι σύννεφα όπου επικρατούν ευνοϊκές συνθήκες για τη δημιουργία κεραυνικής δραστηριότητας. Ως εκ τούτου, καθώς ο πληθυσμός των αερολυμάτων στην ατμόσφαιρα επιδράει ρυθμιστικά στη δημιουργία νεφών, η συγκέντρωση των σωματιδίων στην ατμόσφαιρα έμμεσα σχετίζεται και με την εμφάνιση κεραυνικής δραστηριότητας.

Βιβλιογραφία