The impact of triboelectrification on desert dust flow dynamics

Abstract

The Global Electric Circuit (GEC) represents the electric current pathway in the Earth’s atmosphere. The electric current that flows upwards from thunderstorms and electrified clouds into the Ionosphere, spreads out over the globe along magnetic field lines to the opposite hemisphere, and returns to the surface of the Earth. Atmospheric electric parameters, such as the vertical Electric Field (Ez) and induced air-to-Earth current (Ic) through the GEC, greatly depend on ambient weather conditions and convective meteorological systems due to the re-distribution of charged or uncharged aerosols and terrestrial radioactive particles in the atmospheric circulation. Under fair weather conditions, the electrical circulation is dominated by the potential difference between the global capacitor, which in turn generates the fair weather electric field, and consequently the fair weather electric current. Amongst aerosols affecting the atmospheric electrical content, Mineral Dust represents one of the most significant contributors, due to its abundant mass, various shapes and sizes which result in varying electrical properties of the dust particles. During dust storms, dust devils and subsequent advection of elevated dust layers, the electrical parameters can vary greatly from the values under fair weather conditions. The exact mechanisms that would explain and sufficiently describe the long-range electrification of dust are not clear yet, and are a subject of investigation. Major processes that are considered responsible for the electrification of dust particles include ion attachment and contact electrification, i.e. triboelectrification. Such processes are claimed to have large impact on desert dust transport and its influence in climate and ecosystems through the retention of larger dust particles in the atmosphere, as well as to particle vertical orientation with impact on radiative transfer. Ground-based electric field measurements can be indicative of the electrical behaviour of elevated dust layers and act as a proxy for the detection of charged particles within the layers. To gain a more comprehensive understanding of the electrical characteristics of airborne dust, synergistic model implementations and vertical profiling measurements within the layers are of outmost importance. Initially, we introduce the development of a novel 1D numerical model that parametrizes both of the above charging processes in the presence of a large scale electric field, under stagnant atmospheric conditions where wind contribution is neglected. The model is able to self-consistently calculate the modification of atmospheric ion densities and the subsequent alteration of the large scale electric field, when dust particles are present and atmospheric ions attach to them, and is further updated to account for the particle charging due to the efficient collisions between particles of various sizes. Furthermore, we demonstrate the feasibility of particle orientation under the influence of electric and gravitational fields through analytical calculations of the mean orientation angle of both charged/uncharged dust particles and comment on the pre-requisites on electric field strengths for the orientation to occur on particles of various sizes. Then, in order to test the charging model hypothesis and, simultaneously, provide observational evidence of dust electrification, novel measurement techniques and instrumentation are developed, targeting signs of dust electrification from the ground and accurate profiles of the vertical electric field strength and the charge density within the layer. We demonstrate a novel methodology through ground-based observations, only, that indicates that electric field variations during Saharan dust advection can be a sign of charged dust occurrences. Synergistic observations of the vertical atmospheric electric field and lidar-derived quantities for the optical characterization of the layer, are employed. Both parameters were monitored for the first time in tandem, and in order to identify the influence of the elevated dust layers on the ground electric field, we extract a Localized Reference Electric Field from the timeseries that reflects the local fair weather activity. Then, we compare it with the reconstructed daily average behaviour of the electric field and the Saharan dust layers’ evolution. To quantitatively approach our results, we examine the dependency of E-field against theoretical assumptions for the distribution of separated charges within the electrified dust layer through a physical approximation that constitutes a more realistic description of the in-layer distribution of charges, as to what was previously assumed. Being aware of the inherent challenges and instrumental ambiguities of atmospheric electricity measurements, we introduce the implementation of two low-cost and disposable atmospheric electricity sensors that measure the electric field strength and the space charge density, respectively, while they have launching capabilities on balloon-borne meteorological platforms. The sensors were designed, assembled and characterized in-house, their performance was assessed on-field over preparatory campaigns and eventually utilized in a major ESA Cal/Val experiment, where consistent dust observations were performed. Data by both sensors are assessed with respect to the prevailing meteorological conditions and processed for different altitude domains, while showing a good overall agreement. Finally, we target the elusive dust particle preferential orientation, which could be detected from the resulting dichroic extinction of the forward-scattered light as it transmits through dust layers in the atmosphere. We revisit an existing methodology by targeting dichroic extinction of transmitted sunlight by utilize an experimental direct-Sun polarimeter, SolPol, which is capable of continuous monitoring of the elevated layers. SolPol records the state of polarization of the direct sunlight, represented by the complete Stokes vector, at a default wavelength of 550 nm with a detection limit of 1e-7. We, firstly, fully characterize the instrument and delineate its measurement technique, produce a comprehensible and user-friendly instrument manual, and then provide unique observations of increasing trends of linear polarization for sunlight propagation through these dust layers, under various loads and solar zenith angles. Concluding, we attempt to interpret the measurements as a first indication of either vertical or horizontal dust particle orientation. The observed electric fields, nonetheless, are not adequate to orient larger particles totally vertically and retain them aloft, which presumably hints to other mechanisms leading to such a behavior As a closure to this effort, we comment that when all these scientific disciplines (models - implementations - observations) are combined, the presence of electrified dust in lofted layers away from the source is undisputable, meaning that the electrical properties of the particles impact their transport dynamics and future work will represent the modulation of particle electrification in a more realistic way.

Το Παγκόσμιο Ηλεκτρικό Κύκλωμα (ΠΗΚ) αποτελεί το ηλεκτρικό κύκλωμα που σχηματίζεται μεταξύ της επιφάνειας της Γης, που είναι καλός αγωγός του στατικού ηλεκτρισμού, και των κατώτερων στρωμάτων της Ιονόσφαιρας, που είναι ασθενώς ιονισμένο πλάσμα σε υψόμετρο περίπου ογδόντα χιλιομέτρων. Η γήινη ατμόσφαιρα, που υπάρχει μεταξύ των οπλισμών αυτού του σφαιρικού πυκνωτή, είναι καλός αγωγός του ηλεκτρισμού και η ύπαρξη της αγωγιμότητας αυτής οφείλεται, κατά κύριο λόγο, στον ιονισμό των ουδέτερων στοιχείων της ατμόσφαιρας από γαλαξιακές κοσμικές ακτίνες, και συνεπώς στην ύπαρξη θετικών και αρνητικών ιόντων. Είναι εμφανές ότι μια τόσο δυναμική δομή είναι ισχυρώς ηλεκτρισμένη, με ηλεκτρικές ιδιότητες που δύνανται να επηρεάσουν οποιοδήποτε φαινόμενο λαμβάνει χώρα εντός αυτής. Οι ατμοσφαιρικές ηλεκτρικές παράμετροι σε συνθήκες αιθρίας, όπως το κατακόρυφο ηλεκτρικό πεδίο (Ez) και το επαγόμενο ρεύμα προς τη γη (Ic) μέσω του ΠΗΚ, εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από τις υπάρχουσες περιβαλλοντικές συνθήκες και τα δυναμικά μετεωρολογικά συστήματα, εξαιτίας της ανακατανομής των είτε φορτισμένων ή αφόρτιστων αερολυμάτων στην ατμοσφαιρική κυκλοφορία. Μεταξύ των ατμοσφαιρικών αερολυμάτων που επηρεάζουν το ατμοσφαιρικό ηλεκτρικό περιεχόμενο, η ερημική σκόνη αποτελεί έναν από τους πιο σημαντικούς συντελεστές, λόγω της άφθονης συγκέντρωσής της, των πολύπλοκων σχημάτων των αιωρούμενων σωματιδίων, καθώς και της πληθώρας μεγεθών που έχουν ως αποτέλεσμα τις ποικίλες ηλεκτρικές ιδιότητες αυτής. Κατά τη διάρκεια έντονων επεισοδίων σκόνης και επακόλουθης μεταφοράς των ανυψωμένων στρωμάτων σε μεγάλες αποστάσεις, οι ηλεκτρικές παράμετροι μπορεί να διαφέρουν πολύ από τις αντίστοιχες τιμές υπό συνθήκες υποβάθρου. Οι ακριβείς μηχανισμοί που είναι ικανοί να περιγράψουν επαρκώς την ηλέκτριση της ερημικής σκόνης, κατά τη διάρκεια της μεταφοράς της, παραμένουν αντικείμενο έρευνας για τη σύγχρονη επιστημονική κοινότητα. Τα σωματίδια σκόνης μπορούν να φορτιστούν κατά τη μεταφορά τους, είτε με την προσάρτηση ατμοσφαιρικών ιόντων είτε μέσω συγκρούσεων μεταξύ σωματιδίων (τριβοηλεκτρισμός). Οι μετρήσεις δείχνουν ότι, κατά μέσο όρο, μεγαλύτερα σωματίδια φορτίζονται θετικά ενώ τα μικρότερα φορτίζονται αρνητικά. Κατά τη μεταφορά σκόνης, τα μεγαλύτερα και κυρίως θετικά φορτισμένα σωματίδια διαχωρίζονται από τα μικρότερα αρνητικά φορτισμένα σωματίδια λόγω της βαρυτικής καθίζησης, η οποία ταξινομεί τα σωματίδια σκόνης κατά μέγεθος. Αυτή η διαδικασία αναπτύσσει κατακόρυφα ηλεκτρικά πεδία μέσα στο νέφος σκόνης, ενισχύοντας το προϋπάρχον πεδίο λόγω της εξάντλησης της ατμοσφαιρικής αγωγιμότητας από την παρουσία του στρώματος σκόνης. Ανάλογα με την έντασή του, το συνολικό ηλεκτρικό πεδίο μέσα στο νέφος σκόνης μπορεί: (α) να αντισταθμίσει τη βαρυτική καθίζηση μεγάλων σωματιδίων και (β) να προκαλέσει προτιμητέο προσανατολισμό των μη σφαιρικών σωματιδίων επηρεάζοντας την αεροδυναμική των σωματιδίων. Επομένως, τέτοιες διεργασίες έχουν μεγάλο αντίκτυπο στη δυναμική ροή των σωματιδίων σκόνης, με ακόλουθη επιρροή στο παγκόσμιο κλίμα και στα διάφορα οικοσυστήματα μέσω της αύξησης του χρόνου ζωής των μεγαλύτερων σε μέγεθος σωματιδίων σκόνης στην ατμόσφαιρα, καθώς και εξαιτίας του κατακόρυφου προσανατολισμού τους με αντίκτυπο στη διάδοσή της ακτινοβολίας. Οι μετρήσεις του επίγειου ηλεκτρικού πεδίου μπορούν να είναι ενδεικτικές της ηλεκτρικής συμπεριφοράς των ανυψωμένων στρωμάτων σκόνης και χρησιμοποιηθούν για την ανίχνευση φορτισμένων σωματιδίων εντός των νεφών αυτών. Για την εξ’ ολοκλήρου κατανόηση των ηλεκτρικών χαρακτηριστικών της αερομεταφερόμενης σκόνης, οι εφαρμογές μεταξύ μοντέλων παραμετροποίησης της ηλέκτρισης των σωματιδίων και οι κατακόρυφες μετρήσεις προφίλ εντός των στρωματώσεων είναι υψίστης σημασίας, και αποτελούν βασικό στόχο της παρούσας διατριβής. Αρχικά, περιγράφεται η ανάπτυξη ενός νέου μονοδιάστατου αριθμητικού μοντέλου που παραμετροποιεί και τις δύο παραπάνω διαδικασίες φόρτισης των σωματιδίων σκόνης, παρουσία του ηλεκτρικού πεδίου μεγάλης κλίμακας, κάτω από στάσιμες ατμοσφαιρικές συνθήκες όπου η συμβολή του ανέμου δεν λαμβάνεται υπόψιν. Το μοντέλο μπορεί να υπολογίσει με συνέπεια την τροποποίηση των πυκνοτήτων ατμοσφαιρικών ιόντων και την επακόλουθη μεταβολή του ηλεκτρικού πεδίου μεγάλης κλίμακας, όταν υπάρχουν σωματίδια σκόνης και προσκολλώνται ιόντα της ατμόσφαιρας σε αυτά, και ενημερώνεται περαιτέρω για να ληφθεί υπόψιν η φόρτιση σωματιδίων λόγω των αποτελεσματικών συγκρούσεων μεταξύ σωματιδίων διαφόρων μεγεθών. Επιπλέον, εξετάζουμε τη θεωρητική βάση του προσανατολισμού των σωματιδίων υπό την επίδραση ηλεκτρικών και βαρυτικών πεδίων μέσω αναλυτικών υπολογισμών της μέσης γωνίας προσανατολισμού των φορτισμένων/αφόρτιστων σωματιδίων σκόνης και αναλύονται οι απαιτούμενες εντάσεις του ηλεκτρικού πεδίου για να γίνει δυνατός ένας τέτοιος προσανατολισμός.Ακόλουθα, προκειμένου να μελετηθεί η ακρίβεια του μοντέλου φόρτισης, αναπτύχθηκαν κατά τη διάρκεια διεξαγωγής της διατριβής, νέες τεχνικές μέτρησης των ηλεκτρικών ιδιοτήτων της σκόνης καθώς και σχεδιάστηκαν ρηξικέλευθα μετρητικά όργανα που στοχεύουν στον εντοπισμό της ηλέκτρισής της από το έδαφος, αλλά και στη λήψη λεπτομερών προφίλ της έντασης του κατακόρυφου ηλεκτρικού πεδίου και της πυκνότητας φορτίου μέσα στα υπερυψωμένα νέφη σκόνης. Επιδεικνύουμε μια νέα μεθοδολογία, αποκλειστικά μέσω επίγειων παρατηρήσεων, που υποδεικνύει ότι οι διακυμάνσεις του ηλεκτρικού πεδίου στο έδαφος κατά τη διάρκεια της επεισοδίων μεταφοράς σκόνης από την έρημο της Σαχάρας οφείλονται στο γεγονός της φόρτισης των σωματιδίων αυτών. Για το σκοπό αυτό, πραγματοποιούνται, για πρώτη φορά, συνεργιστικές μετρήσεις του κατακόρυφου ατμοσφαιρικού ηλεκτρικού πεδίου και των οπτικών ιδιοτήτων των σωματιδίων μέσω πρότυπου συστήματος για τον πλήρη χαρακτηρισμό των νεφών σκόνης. Οι παράμετροι αυτές παρακολουθήθηκαν για πρώτη φορά ταυτόχρονα, και προκειμένου να προσδιορίσουμε την επίδραση των υπερυψωμένων στρωμάτων σκόνης στο ηλεκτρικό πεδίο του εδάφους, εξάγουμε ένα ηλεκτρικό πεδίο αναφοράς από τις χρονοσειρές των δεδομένων που αντικατοπτρίζει την τοπική δραστηριότητα υποβάθρου. Στη συνέχεια, συγκρίνονται τα δεδομένα με την ημερήσια εξέλιξη των στρωματώσεων και την επίδρασή τους. Για να προσεγγίσουμε ποσοτικά τα αποτελέσματά μας, εξετάζουμε την εξάρτηση του ηλεκτρικού πεδίου έναντι θεωρητικών υποθέσεων για την κατανομή των διαχωρισμένων φορτίων εντός του στρώματος ηλεκτρισμένης σκόνης μέσω μιας φυσικής προσέγγισης που αποτελεί μια πιο ρεαλιστική περιγραφή της κατανομής φορτίων εντός του στρώματος, σε σχέση με ότι είχε προηγουμένως υποτεθεί.Έχοντας επίγνωση των εγγενών προκλήσεων και των ασαφειών που δημιουργούνται κατά τη μέτρηση των διαφόρων παραμέτρων ατμοσφαιρικού ηλεκτρισμού, εισάγουμε τον σχεδιασμό και χαρακτηρισμό δύο πρότυπων, χαμηλού-κόστους, αισθητήρων ατμοσφαιρικού ηλεκτρισμού σχεδιασμένων να μετρούν την ένταση του ηλεκτρικού πεδίου και την πυκνότητα φορτίου, αντίστοιχα, ενώ παράλληλα έχουν δυνατότητες εκτόξευσης σε αερόστατο. μετεωρολογικές πλατφόρμες. Οι αισθητήρες σχεδιάστηκαν, συναρμολογήθηκαν και χαρακτηρίστηκαν από την υποψήφια διδάκτορα, ενώ η απόδοσή τους αξιολογήθηκε επί τόπου σε συνθήκες πεδίου αλλά και σε μετρητικά πειράματα μεγάλου βεληνεκούς, όπου πραγματοποιήθηκαν εκτεταμένες παρατηρήσεις σκόνης. Τα δεδομένα και από τους δύο αισθητήρες αξιολογούνται σε σχέση με τις επικρατούσες μετεωρολογικές συνθήκες και υποβάλλονται σε επεξεργασία για διαφορετικά υψόμετρα, ενώ δείχνουν μια καλή συνολική συμφωνία μεταξύ των μετρούμενων μεγεθών. Τέλος, στοχεύουμε παρατηρησιακά στον προτιμητέο προσανατολισμό των άμορφων σωματιδίων σκόνης, ο οποίος μπορεί να ανιχνευθεί από την προκύπτουσα διαφορά στο συνολικό ποσοστό γραμμικά πολωμένης ακτινοβολίας, καθώς αυτή μεταδίδεται μέσω στρωμάτων σκόνης στην ατμόσφαιρα. Επανεξετάζουμε μια ήδη υπάρχουσα μεθοδολογία, αλλά στοχεύοντας στην παρατήρηση της διχρωικής εξασθένησης του άμεσου ηλιακού φωτός χρησιμοποιώντας ένα πειραματικό πολωσίμετρο, το οποίο είναι ικανό να παρακολουθεί τον ηλιακό δίσκο σε συνθήκες επεισοδίων σκόνης. Το όργανο καταγράφει την κατάσταση πόλωσης του άμεσου ηλιακού φωτός, που χαρακτηρίζεται από το πλήρες διάνυσμα Stokes, σε προεπιλεγμένο μήκος κύματος στα 550 nm με όριο ανίχνευσης 1e-7. Αρχικά, χαρακτηρίζουμε πλήρως το όργανο και οριοθετούμε την τεχνική μέτρησής του, παράγουμε ένα κατανοητό και φιλικό προς τον χρήστη εγχειρίδιο χρήσης του οργάνου και στη συνέχεια παρέχουμε μοναδικές παρατηρήσεις αύξησης της γραμμικής πόλωσης κατά τη διάδοση του ηλιακού φωτός μέσα από στρωματώσεις σωματιδίων σκόνης, υπό διάφορες συγκεντρώσεις στην ατμόσφαιρα αλλά και παρακολουθώντας τα νέφη σε ένα εύρος ζενίθιων γωνιών. Καταλήγοντας, επιχειρούμε να ερμηνεύσουμε τις μετρήσεις αυτές ως μια πρώτη ένδειξη κατακόρυφου ή οριζόντιου προσανατολισμού σωματιδίων σκόνης. Τα παρατηρούμενα ηλεκτρικά πεδία, ωστόσο, δεν είναι επαρκή για να προσανατολίσουν μεγαλύτερα σωματίδια εντελώς κατακόρυφα και να τα διατηρήσουν ψηλά, κάτι που πιθανώς υποδηλώνει άλλους μηχανισμούς που οδηγούν στην συμπεριφορά αυτή. Ως κατακλείδα της ερευνητικής προσπάθειας αυτής, επισημαίνεται ότι όταν συνδυάζονται όλοι οι αναφερόμενοι επιστημονικοί κλάδοι (μοντέλα - υλοποιήσεις - παρατηρήσεις), η παρουσία ηλεκτρισμένης σκόνης σε υπερυψωμένα στρώματα μακριά από την πηγή εκπομπής των σωματιδίων είναι αδιαμφισβήτητη, πράγμα που σημαίνει ότι οι ηλεκτρικές ιδιότητες των σωματιδίων επηρεάζουν κατ’ ένα τρόπο τη δυναμική τους μεταφορά. Ενθαρρύνουμε μελλοντικές έρευνες όπου θα χρησιμοποιηθεί η περιγραφόμενη μελέτη και θα εξελιχθούν τόσο οι μέθοδοι μέτρησης των ηλεκτρικών ιδιοτήτων των αερολυμάτων όσο και τα θεωρητικά μοντέλα ηλέκτρισης με πιο ρεαλιστικό τρόπο.