Felhőfizikai Kutatócsoport

„NKKP STARTING 150501”

Másodlagos jégképződési folyamatok modellezése és megfigyelése

Az éghajlati rendszer fontos elemei a felhők és a csapadék. Hatással vannak a mindennapi időjárásunkra, valamint hosszabb távon az éghajlat alakulására. A pontos időjárás-előrejelzések és klímamodellek szempontjából kulcsfontosságú annak megértése, hogyan képződik a jég a felhőkben. A jégrészecskék egyrészt jelentős szerepet játszanak a felszíni csapadék kialakulásában, másrészt hatással vannak a Napból érkező és a Föld által kibocsátott sugárzás terjedésére is.

A jégképződés a felhőkben széles hőmérsékleti tartományban (0°C-tól -40°C-ig) zajlik elsődleges és másodlagos jégképződés során. A felhők többségében az elsődleges jégképződést (PIP) jégképző aeroszol részecskék (INP) generálják heterogén nukleáció révén. Megfigyelések azt igazolják, hogy a jégkristályok koncentrációja gyakran meghaladja a rendelkezésre álló, aktív jégképző magok koncentrációját. Ez arra utal, hogy jégkristályok másodlagos folyamatok (SIP) révén is keletkezhetnek. Ellentétben a PIP-el, a SIP esetében még a szóba jöhető folyamatok köre sem teljesen tisztázott. Noha számos áttekintő cikk megemlíti a SIP-ek potenciálisan fontos szerepét a csapadékképződésben, mégis viszonylag kevés elméleti munka foglalkozott eddig a témával. A kutatási és operatív előrejelzési célra használt modellek vagy nem veszik figyelembe ezt a folyamatot, vagy olyan formulát használnak, amely az utóbbi években elvégzett laboratóriumi mérések alapján megkérdőjelezhető.

A másodlagos jégképződés hatásának mérését számos tényező nehezíti. A repülőgépes mérések esetében nem könnyű beazonosítani, hogy mely folyamatok járulnak hozzá a jégkristályok növekedéséhez, a laboratóriumi mérések esetében pedig lehetetlen reprodukálni a felhőkre jellemző dinamikai és mikrofizikai környezetet. Jelen kutatásban elsősorban numerikus szimulációk segítségével vizsgáljuk a SIP hatását. A cél, hogy azonosítsuk a domináns SIP mechanizmusokat, és megbecsüljük hatásukat különböző környezeti feltételek esetén, mint például a felhőtípus, a hőmérséklet, a folyékony víztartalom, az elsődleges jégképződés, illetve eltérő INP koncentráció. Nemzetközi együttműködésben laboratóriumi kísérleteket tervezünk, hogy tisztázzuk, a hó szublimációja és a hó-hó ütközések miként befolyásolják a másodlagos jégkristály képződést.

A projekt első részében egy már meglévő, és számos célra használt mikrofizikai sémát (University of Pecs and NCAR bin scheme) fogunk továbbfejleszteni, hogy a másodlagos jégképződéshez vezető folyamatok széles körét tudjuk modellezni. Az érzékenységi tesztek segítségével kívánjuk határozni, hogy a felhő dinamikai, termodinamikai és mikrofizikai jellemzőitől függően mely SIP lehet a meghatározó. A Mainzi Johannes Gutenberg Egyetemmel való együttműködés keretében, laboratóriumban vizsgáljuk, hogy a hó szublimációja miatti töredezés és a hópehely-hópehely ütközése hogyan befolyásolja a másodlagos jégképződést. Jelenleg e folyamatoknak csak kvalitatív leírása létezik. A laboratóriumi mérések segítségével számszerűsíteni kívánjuk, hogy környezeti feltételek hogyan befolyásolják a másodlagos jégkristály képződést. Ez a számszerűsítés lehetőséget ad a folyamat numerikus modellbe történő beépítésére. Emellett esettanulmányokat kívánunk elvégezni olyan felhők modellezésével, amelyeket intenzíven megfigyeltek repülőgépes mérések segítségével.

A meglévő kutatásokhoz képest ez a projekt egyedülálló kombinációja a numerikus modellezésnek és a legmodernebb laboratóriumi megfigyelésnek: (i) összehozza a numerikus modellezés, az adatelemzés és a kísérleti fizika szakértőit, elősegítve az SIP széles körű vizsgálatát; (ii) 3D-s modell segítségével vizsgáljuk a felhők dinamikai és mikrofizikai jellemzői és a SIP folyamatok közötti kölcsönhatást; (iii) a Mainzi Egyetemmel való együttműködésünk lehetővé teszi olyan másodlagos jégképződési folyamat tanulmányozását, amellyel kapcsolatban eddig kevés eredmény született; (iv) laboratóriumi adatok integrálása és a valóságban történő megfigyelések alkalmazása biztosítja, hogy leírásaink valós fizikai folyamatokon alapuljanak.

Ezen projekt komplex módszertanát viszonylag ritkán alkalmazzák felhőkutatás területén. Belföldön és külföldön is kevés kutatási kezdeményezés kínál ilyen szinergikus kombinációt a modellezés és a kísérleti munka terén. A kutatás célja, hogy jobban megértsük, hogy a másodlagos jégképződés milyen hatással van a csapadékképződési folyamatokra, hogyan befolyásolja a felhők élettartamát és optikai tulajdonságait.

Hivatkozás:

Kolorev, A. and Leisner, T., 2020: Review of experimental studies of secondary ice production. Atmospheric Chemistry and Physics, 20, pp. 11767–11797. https://doi.org/10.5194/acp-20-11767-2020