השפעת האירוסולים על הרכב העננים והמשקעים – השלכות אפשריות לגבי גשמי הארץ דני רוזנפלד

1. השפעת האירוסולים על הרכב העננים והמשקעים – השלכות אפשריות לגבי גשמי הארץ דני רוזנפלד האוניברסיטה העברית בירושלים

2. Small CCN aerosols have been known for 50 years to slow down the conversion of cloud water to precipitation. An experimental investigation of the effect of air pollution on the initiation of rain Gunn and Phillips, 1957: Journal of the Atmospheric Sciences, 14, 272-280

3. Small droplets follow the airflow streamlines and bypass the falling drop Large droplets collide with the falling drop

4. MSG SEVIRI EARTH (255K) SUN (5780K) 12.0 10.8 VIS 13.4 CO 8.7 2 0.8 7.3 Vapor RADIANCE 6.2 Vapor 1.6 3.8 2.2 1 10 100 U.V. Vis I.R. F=sT4 l [m] Lmax=2897/T

5. 0 10 water ice 12.0 -2 10 10.8 3.8 -4 10 Imaginary Refraction Index ABSORPTION 2.2 -6 10 1.6 -8 0.9 10 VIS -10 10 0.1 1 10 Wave Length [mm]

6. Scattering occurs on the drop surface, ~ radius2 Absorption occurs inside The drop volume, ~ radius3 Infra-Red Net reflectance ~Scattering / Absorption ~ radius2 / radius3 = 1/radius Reflectance ~ Radius-1 Definition of Effective Radius (reff) of cloud droplets: Sum of volumes / sum of surface areas of the droplets in the measured cloud volume

7. Effective Cloud Drop Radius

9. 0.8 mm 3.7r mm 10.8 mm

10. Pristine Polluted

11. 0.8 mm 3.7r mm 10.8 mm Suppression of Rain and Snow by Urban and Industrial Air Pollution(Rosenfeld, 2000, Science) VIRS retrieved effective radius does not exceed the 14 mm precipitation threshold in polluted clouds within area 2 in the Australia image. VIRS painting yellow pollution tracks in the clouds over South Australia, due to reduced droplets size. PR shows precipitation as white patches only outside the pollution tracks, although clouds have same depth. PR shows bright band in clean clouds. Therefore, pollution suppressed rain and snow in polluted clouds. TMI shows ample water in the polluted clouds

12. Rosenfeld et al., Science 2008 Growing Mature Dissipating Hail

13. משמעות אפשרית לגבי גשמי הארץ נוכחות של טיפונות קטנות יותר בענן מקטין את היכולת להתלכד לכדי גודל טיפת הגשם או משקעי קרח ובשל כך מאבד הענן מיכולת ההמטרה שלו. תופעה זו משמעותית יותר בעת תהליכי התפתחות המשקעים בעננות אורוגראפית- עננות רדודה וקצרת חיים, ובאה לידי ביטוי בהשלכותיה על תרומת המשקעים הנמדדת באזורים המושפעים מזיהום האוויר. האטת קצב תהליכי ההתלכדות בעננות אורוגראפית מתבטאת בהפחתת כמות המשקעים הנמדדת על הקרקע

14. מבנה העננים ביום גשם אופייני מבנה העננים ביום גשם אופייני יום גשם טיפוסי בצפון הארץ גליל גולן

17. עבודות קודמות בעבודתם של רוזנפלד וגבעתי (Givati and Rosenfeld, 2004, 2009 ; Rosenfeld and Givati, 2006) נבחנה תופעת דיכוי משקעים אורוגראפיים על ידי אירוסולים מזהמים בישראל ובמערב ארה"ב. שיטת העבודה הייתה בחינת מגמות במידת ההגברה האורוגראפית של המשקעים לאורך זמן. התוצאות הראו הפחתת משקעים באזורי ההר ביחס לאזורים הנמוכים במעלה הרוח. ברמת הגולן הגשם פחת בשיעור של כ- 15% (Givati and Rosenfeld, 2007).

18. האם ההקטנה של הגשם האורוגראפי אכן נגרמה מהגדלת זיהום האוויר החלקיקי עם השנים או כתוצאה משינויים סינופטיים? כשלב בדרך לתשובה נבדוק את רגישות הגשם האורוגראפי למבנה המיקרופיסיקלי של העננים: השערת המחקר היא כי זיהום האוויר גורם להקטנת גודל טיפות הענן, וכי עננים המורכבים מטיפות קטנות יותר ממטירים בפחות יעילות. From Givati and Rosenfeld, WRR 2007

19. Valley Mountain Actual rain vs. Modeled rain by WRF 1.3 km

20. חישוב יחס הר-עמק חישוב היחס MARo וההבדל בין היחס המדוד והמחושב: MARo = (Mm/Mv)/(Am/Av) כאשר : • Mm- נתוני המודל לתחנות ההר. • Mv- נתוני המודל לתחנות העמק. • Am- נתוני מדידות הגשם בפועל לתחנות ההר. • Av – נתוני מדידות בפועל לתחנות העמק. נשער שמידת ההמטרה של ענני ההר רגישה יותר לאירוסולים וגודל טיפות הענן מאשר ענני העמק. לכן בפועל היחס Am/Av יקטן עם הקטנת גודל הטיפות. לעומת זאת המודל אינו מתחשב בזיהום האוויר, ולכן היחס Mm/Mv לא ישתנה. לסיכום, הקטנת Am/Av ע"י הקטנת הטיפות תגדיל את MARo.

21. 21.11.2007 T15 = -10°C; Ttop = -25°C

22. 22.11.2004 T15 = -22°C; Ttop = -30°C

23. ממצאים הקשר בין טמפ' פסגת הענן לבין MARO: • בימים בהם קיימת הגברה אורוגרפית מובהקת של Am/Av > 1.5, MARO הנו גבוה יותר ככל שטמפ' פסגת הענן גבוהה יותר. • המודל אינו תופס את הקטנת יעילות ההמטרה הנמוכה יותר (Am/Av קטן) מעננים רדודים יותר עם טמפרטורת פסגה גבוהה יותר.

24. חישוב יחס הר-עמק חישוב היחס MARo וההבדל בין היחס המדוד והמחושב: MARo = (Mm/Mv)/(Am/Av) כאשר : • Mm- נתוני המודל לתחנות ההר. • Mv- נתוני המודל לתחנות העמק. • Am- נתוני מדידות הגשם בפועל לתחנות ההר. • Av – נתוני מדידות בפועל לתחנות העמק. נשער שמידת ההמטרה של ענני ההר רגישה יותר לאירוסולים וגודל טיפות הענן מאשר ענני העמק. לכן בפועל היחס Am/Av יקטן עם הקטנת גודל הטיפות. לעומת זאת המודל אינו מתחשב בזיהום האוויר, ולכן היחס Mm/Mv לא ישתנה. לסיכום, הקטנת Am/Av ע"י הקטנת הטיפות תגדיל את MARo.

25. ממצאים הקשר בין גודל חלקיקי הענן לבין MARO: בימים בהם קיימת הגברה אורוגרפית מובהקת של Am/Av > 1.5, ככל שחלקיקי הענן קטנים יותר, על פיT15  קר יותר, העננים מייצרים פחות הגברה אורוגראפית ביחס למודל, כפי שמחושב באמצעות ה- MARO היותר גדול.

26. סיכום זיהום אוויר חלקיקי יכול להקטין את הגשם מעננים רדודים ואורוגראפיים ע"י הקטנת גודל הטיפות ויעילות התמזגותן לחלקיקי משקעים. נמצא כי גודל טיפות הענן בענני הגולן מסביר שונות בשגיאות הערכת הגשם של מודל ברזולוציה גבוהה שאינו לוקח בחשבון את האירוסולים. הגשם האורוגראפי מועט יותר מחישובי המודל ככל שטיפות הענן קטנות יותר וההמטרה פחות יעילה. האם זה יכול להסביר את הירידה של 15% בגשמי הגולן?