Τα σύννεφα αποτελούν ένα από τα μεγαλύτερα αινίγματα στα μοντέλα πρόβλεψης κι ανάλυσης της κλιματικής αλλαγής και των συνεπειών της. Παίζουν καθοριστικό ρόλο σχετικά με το πόση ηλιακή ακτινοβολία “παγιδεύεται” στην ατμόσφαιρα. Όσο περισσότερα σύννεφα υπάρχουν, τόσο “περισσότερη” ακτινοβολία αντανακλάται πίσω στο διάστημα. Σημαίνει ακόμη κι ότι τόσο “περισσότερη” ακτινοβολία παγιδεύεται στη γη. Ιστορικά οι ερευνητές πάσχισαν ώστε να καταλάβουν τις ιδιότητες των νεφών, όπως τη συμπεριφορά τους και την αντίδρασή τους σε συνθήκες υψηλών θερμοκρασιών ως συνέπεια της κλιματικής αλλαγής.

Πολλές δυνάμεις επηρεάζουν τη δομή των νεφών και τη συμπεριφορά τους, εξηγεί η Δρ. Bony. Από μικροσκοπικές αλληλεπιδράσεις ατόμων ως και ατμοσφαιρικά “ρεύματα” τα οποία εξελίσσονται σε εκτάσεις χιλιάδων χιλιομέτρων.

Τα σύννεφα που μοιάζουν σαν βαμβάκι στον Ατλαντικό, πεδίο έρευνας της Δρ. Bony και των συναδέλφων της, αποτελούν ένα καλό παράδειγμα. ‘Μία μικρή αλλαγή στις ιδιότητες των νεφών έχει τεράστιο αντίκτυπο στην παγκόσμια ισορροπία της ακτινοβολίας’ (αναφορικά με το ποσοστό της ακτινοβολίας που αντανακλάται και εγκλωβίζεται). Επειδή αυτά τα σύννεφα (γνωστά ως σε δομή cumuli) είναι τόσο ευρέως παρατηρούμενα, μία μικρή τους διαφοροποίηση εμπεριέχει μεγάλο στατιστικό βάρος στις παγκόσμιες κλιματολογικές συνθήκες.

Πηγή φωτογραφίας: Κέντρο NASA Johnson Space

‘Είναι η πιο καίρια ερώτηση – δεν υπάρχει πιο καίρια ερώτηση’ δήλωσε ο καθηγητής Bjorn Stevens, διευθυντής του Ινστιτούτου μετεωρολογίας Max Planck στη Γερμανία και co-leader της Δρ. Bony στο πρόγραμμα  EUREC4A  το οποίο ερευνά αυτά τα σύννεφα. ‘Για 50 χρόνια, οι άνθρωποι κάνουν κλιματικές προβολές, αλλά όλες τους έχουν λανθασμένη αναπαράσταση του νέφους. Αυτές οι προβολές υποφέρουν από μη επαρκή κατανόηση των παραγόντων που καθορίζουν ένα νεφώδες κλίμα και κατ’ επέκταση η αναπαράσταση αυτή είναι μη επαρκής και στα αντίστοιχα μοντέλα.

Πείραμα πεδίου

Το πρόγραμμα EUREC4A, το οποίο ξεκίνησε ως ένα πείραμα για τη μέτρηση της αέριας κίνησης και της νεφοκάλυψης, προσέλκυσε μεγάλο αριθμό συνεργατών προκαλώντας τη γενίκευση των γενικών κατευθύνσεων και στόχων του πειράματος. Τελικά, συμπεριλαμβάνει, πέντε ερευνητικά αεροσκάφη, με πλήρες πλήρωμα και έξι τηλεκατευθυνόμενα, τέσσερα πλεούμενα σκάφη, ομάδα ανεμόπτερων αλλά και πλήθος “ταξιδιωτών”, δορυφόρους, και μετρήσεις από το  Barbados Cloud Observatory.

‘Το πείραμα έγινε περισσότερο πολύπλοκο και φιλοδοξεί να απαντήσει πολλές ενδιαφέρουσες ερωτήσεις,’ είπε ο Καθηγητής Stevens, όπως πόσο πολύ και πόσο εύκολα τα σύννεφα προκαλούν βροχή, και πως οι στρόβιλοι επηρεάζουν την αλληλεπίδραση νεφών και ωκεανού. Η ομάδα αυτήν την περίοδο συγκεντρώνει και καταγράφει τα αποτελέσματα και ελπίζει ότι οι μετρήσεις τους θα δώσουν απαντήσεις σε αυτές τις ερωτήσεις. ‘Θα δημιουργήσουμε νέα σετ κλιματικών μοντέλων τα οποία θα είναι περισσότερη αληθή,’ δήλωσε.

Για τη Δρ. Bony, τα επόμενα βήματα επεκτείνονται πέραν της κατανόησης των ιδιοτήτων των νεφών και της περιοχής στην οποία εκτείνονται.

‘Τώρα, ανακαλύπτουμε ότι δεν είναι μόνο η συνολική περιοχή στην οποία τα νέφη εκτείνονται, αλλά και ο τρόπος που τα νέφη κατανέμονται και οργανώνονται,’ δήλωσε. Τα πρότυπα που προκύπτουν από τη διερεύνηση της δομής των νεφών, θα μπορούσαν να επηρεάζουν και πως απομονώνουν ή αντανακλούν την ακτινοβολία, με σαφείς προεκτάσεις ως προς την κατανόηση του ρόλου τους στην κλιματική αλλαγή.

Ο Δρ. Jan Härter, ειδικός σε θέματα “ατμοσφαιρικής πολυπλοκότητας” στο ερευνητικό κέντρο Leibniz Centre for Tropical Marine Research, του πανεπιστημίου Jacobs στη Γερμανία και του Ινστιτούτου Niels Bohr της Δανίας, ερευνά αυτήν την ερώτηση στα πλαίσια του προγράμματος INTERACTION. ‘Πολλές μορφές νεφών, δείχνουν κάποια στοιχεία οργάνωσης, με εξαίρεση τα σύννεφα που προκαλούν καταιγίδες στα τροπικά κλίματα. Αυτά δείχνουν μία αυτο-οργάνωση’. Το πρόγραμμα INTERACTION ερευνά το πως προκύπτουν οι συστάδες τέτοιων νεφών κάνοντας χρήση μοντέλων εξομοίωσης αλλά και καταγραφής της συμπεριφοράς τους.

‘Για 50 χρόνια, οι άνθρωποι κάνουν κλιματικές προβολές, αλλά όλες τους είχαν λανθασμένη αναπαράσταση των νεφών.’

Καθηγητής Bjorn Stevens, Ινστιτούτο Μετεωρολογίας Max Planck, Γερμανία

Αυτο-οργάνωση

Τα σύννεφα μπορούν να οργανώνονται για πολλούς λόγους, όπως π.χ. όταν βρίσκονται πάνω από μία αστική περιοχή η οποία τείνει να είναι θερμότερη από την ύπαιθρο εξαιτίας της ασφάλτου και του τσιμέντου. Η αυτο-οργάνωση προκύπτει όταν τα σύννεφα σχηματίζουν συστάδες ακόμα και αν οι συνθήκες στο έδαφος καθώς και το φως του ήλιου παραμένουν αμετάβλητες.

Τα νέφη που προκαλούν καταιγίδες, γνωστά ως cumulonimbus (η σύνθετη λέξη προέρχεται από τις λατινικέςcumulus ‘συσσώρευση’ και nimbus ‘βροχή’), είναι μεγάλου ύψους νέφη, με κάθετη διάταξη. Αυτά τα σύννεφα κυριαρχούν στα τροπικά κλίματα κάτι που είναι ίσως σημαντικό για την κατανόηση της παγκόσμιας ισορροπίας ως προς την ακτινοβολία. ‘Βρίσκονται στο γεωγραφικό πλάτος όπου η περισσότερη ζέστη υπάρχει στη Γη, και η ακτινοβολία του ήλιου είναι πολύ δυνατότερη,’ είπε ο Δρ. Härter. Αυτά τα νέφη, που έχουν το σχηματισμό “πετσέτας” επηρεάζουν το βαθμό της ηλιακής ακτινοβολίας που εισέρχεται στην ατμόσφαιρα, και που έχει άμεσες προεκτάσεις αναφορικά με τη θέρμανση.

‘Η ερώτηση που προκύπτει είναι το πόσα από αυτά τα ψηλά σύννεφα διαφοροποιούν τη συσταδοποίηση όταν, π.χ. η θερμοκρασία μεταβάλλεται,’ δήλωσε. Παρόλα αυτά, όπως και στα περισσότερα ερωτήματα που περιλαμβάνουν τον παράγοντα των νεφών, είναι δύσκολη ερώτηση.

Το πρόγραμμα INTERACTION προσεγγίζει το θέμα από δύο διαφορετικές οπτικές γωνίες: Η πρώτη αφορά στην εκτέλεση εξομοιώσεων, που απαιτεί μεγάλο όγκο υπολογισμών, και η άλλη αφορά στην ανάπτυξη μοντέλων “παιχνιδιών” που εξηγούν βασικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ νεφών και καταιγίδων.

Τα “παιχνιδομοντέλα”, όπως χαρακτηρίζονται είναι πολύ βασικές εξομοιώσεις που “μιλάνε” στις βασικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ των νέφων comulunimbus. Για παράδειγμα, ο Δρ. Härter και οι συνάδελφοί του προσπαθούν να καταλάβουν πως τα σύννεφα “μιλούν” το ένα στο άλλο και αυτο-οργανώνονται αποσυνθέτοντας τις πολύπλοκες φυσικές αλληλεπιδράσεις στα βασικά δομικά συστατικά τους.

Όταν υπάρχει μία καταιγίδα, η μεγαλύτερη ποσότητα νερού πέφτει στο έδαφος, αλλά μερική απορροφάται από τον αέρα που βρίσκεται κάτω από το σύννεφο. Αυτός ο αέρας, που έχει ενσωματώσει ψυχρή υγρασία, μετατρέπεται κατά κάποιο τρόπο σε μία “κρύα αέρια πισίνα” εξηγεί ο Härter. ‘Αυτή η απορρόφηση είναι πολύ σημαντική στην επικοινωνία μεταξύ των νεφών.’

Αν υπάρχουν εκατοντάδες ή χιλιάδες νεφών σε μία μεγάλη περιοχή, οι “κρύες αέριες πισίνες” συγκρούονται μεταξύ τους σπρώχνοντας τον αέρα σε πιο κρύα μέρη της ατμόσφαιρας και δημιουργώντας κατ’ αυτόν τον τρόπο καινούργια σύννεφα καταιγίδων.

Ένα από τα “παιχνιδομοντέλα” περιγράφει πως οι κρύες πισίνες που αλληλεπιδρούν σε αυτόν τον κύκλο μπορούν να έχουν διάρκεια γενιών νεφών (μία γενιά είναι περίπου έξι ώρες), κωδικοποιώντας τις “μνήμες” των παρελθόντων νεφών και καταιγίδων, στα υπάρχοντα τροπικά νέφη. Οι “κρύες αέριες πισίνες” μπορούν να συνεχίζουν να επηρεάζουν τη γέννηση νεφών για εβδομάδες.

Αυτά τα πολύ βασικά μοντέλα είναι απαραίτητα, δηλώνει ο Δρ. Härter, ώστε να διαλευκανθούν άγνωστες πτυχές για την εξομοίωση της συμπεριφοράς των νεφών και των αλληλεπιδράσεων που αναφέρθηκαν προηγουμένως. Στην εξομοίωση ήδη ενσωματώνονται παράμετροι όπως η ταχύτητα του ανέμου, η υγρασία, η θερμοκρασία και η σύνθεση των νεφών, που ουσιαστικά είναι η διαφορετική αναλογία νερού, πάγου και ενός παγωμένου μείγματος που ονομάζεται graupel.

Σε πλήρη ευθυγράμμιση με το πρόγραμμα EUREC4A της Δρ. Bony και του καθηγητή Stevens, ο Δρ. Härter δήλωσε: ‘Δε ξέρουμε πως λειτουργούν τα σύννεφα, ειδικότερα όταν τα σύννεφα καταιγίδων δρουν σε κλίμακες που είναι από δύσκολο ως αδύνατο να κατανοηθούν βάσει των τρέχοντων κλιματικών μοντέλων.’

Εξομοίωση

Για να ληφθούν υπόψη η απόλυτη κλίμακα των νεφών και των δυνάμεων που αλληλεπιδρούν, μία ακριβής εξομοίωση θα μπορούσε να περιλαμβάνει ετερόκλητες μεταβλητές, από την κίνηση των ατόμων και την ενέργεια που εξανεμίζεται (νανόμετρα) κατά τον στροβιλισμό της γης και τους ανέμους παγκοσμίως σε κλίμακα περίπου 10.000 km. ‘Το καλύτερο που μπορούμε να κάνουμε, για π.χ. μίας εβδομάδας εξομοιώσεις, είναι να μετατρέψουμε την εκατοντάμετρη κλίμακα για μία περιοχή ενός km, σε ένα ακόμη km’, δήλωσε. ‘Κι αυτή αποτελεί μία μεγάλη εξομοίωση.’

Ο απόλυτος στόχος του προγράμματος είναι η δημιουργία ενός μοντέλου για την οργάνωση των νεφών το οποίο θα συλλέγει τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ παρελθόντων και υπαρχόντων νεφών καταιγίδων, και την ενσωμάτωση αυτής της πληροφορίας σε κλιματικά μοντέλα επόμενης γενιάς.Το επόμενο βήμα είναι να ξεκινήσει μία έρευνα πεδίου ώστε να τροφοδοτηθούν τα υπάρχοντα μοντέλα με νέες μετρήσεις.

‘Θέλουμε να έχουμε μία καλύτερη κατανόηση διαφορετικών νεφο-συστημάτων ώστε να προκύψει ένα ισχυρό συμπέρασμα σχετικά με την κλιματική αλλαγή’, δήλωσε ο Δρ. Härter. ‘Τα μοντέλα έχουν διαφορετικούς τρόπους αναπαράστασης των ψηλών και χαμηλών νεφών κάτι που δεν μπορεί να επιλυθεί χωρίς περισσότερες μετρήσεις και παρατηρήσεις.’

Και για να προετοιμαστούμε για ένα πιο θερμό κλίμα, και να προβλέψουμε πως το η θερμομόνωση των νεφών θα αλλάξει, πρέπει πρώτα να αντιληφθούμε πως λειτουργεί.

Η έρευνα σε αυτό το άρθρο έχει χρηματοδοτηθεί από το ERC (European Research Council)
Το παρόν άρθρο Ο σχηματισμός των σύννεφων επηρεάζει την κλιματική αλλαγή αποτελεί απόδοση άρθρου που είχε αρχικά δημοσιεθει στο Horizon: the EU Research & Innovation magazine | European Commission.