"Eesti Teadusfondi uurimistoetus" projekt ETF8795
ETF8795 "Turbulentne termiline difusioon alumises troposfääris (1.01.2011−31.12.2014)", Marko Kaasik, Tartu Ülikool, Loodus- ja tehnoloogiateaduskond, Tartu Ülikooli Füüsika Instituut.
ETF8795
Turbulentne termiline difusioon alumises troposfääris
Turbulent thermal diffusion in the lower troposphere
1.01.2011
31.12.2014
Teadus- ja arendusprojekt
Eesti Teadusfondi uurimistoetus
ETIS klassifikaatorAlamvaldkondCERCS klassifikaatorFrascati Manual’i klassifikaatorProtsent
1. Bio- ja keskkonnateadused1.8. Keskkonnaseisundit ja keskkonnakaitset hõlmavad uuringudT270 Keskkonnatehnoloogia, reostuskontroll1.4. Maateadused ja sellega seotud keskkonnateadused (geoloogia, geofüüsika, mineroloogia, füüsiline geograafia ning teised geoteadused, meteoroloogia ja ning teised atmosfääriteadused, klimatoloogia, okeanograafia, vulkanoloogia, paleoökoloogia50,0
4. Loodusteadused ja tehnika4.10. FüüsikaP240 Gaasid, vedelike dünaamika, plasma1.2. Füüsikateadused (astronoomia ja kosmoseteadus, füüsika ja teised seotud teadused)50,0
PerioodSumma
01.01.2011−31.12.201112 000,00 EUR
01.01.2012−31.12.201212 000,00 EUR
01.01.2013−31.12.201312 000,00 EUR
01.01.2014−31.12.201412 000,00 EUR
48 000,00 EUR

Turbulentne termiline difusioon (TTD) on teoreetiliselt 1996.a. Elperini jt. poolt ennustatud nähtus, mis leidis kinnitust laborieksperimentides stabiilse ja labiilse stratifikatsiooniga turbulentsetes voogudes (Eidelman jt., Buchholz jt. aastatel 2004 – 2006): stohhastilise turbulentse liikumise ja inertsi koosmõjuna liiguvad aerosooliosakesed vastu temperatuuri gradienti. TTD on täiesti erinev ammu tuntud molekulaarse termoforeesi ja turboforeesi nähtustest. See nähtus põhjustab mittedifusiivse aerosooliosakeste voo soojusvoo suunas, mille tulemusena moodustuvad püsivad aerosoolikihid temperatuuriinversioonide kohtades atmosfääris. Hiljuti leisid Sofiev jt. (2009), et TTD on tõenäolisim põhjus aerosoolikihi tekkimiseks tropopausi kõrgusel, mis on stabiilseim inversioonikiht Maa atmosfääris – selle nähtuse põhjused olid siiani vähetuntud. Veelgi enam, vaatamata teoreetiliselt teadaolevale pöördvõrdelisele sõltuvusele õhurõhust võib TTD mängid olulist rolli alumises troposfääris, põhjustades mõõdukat süstemaatilist jämeda (üle 1 mikromeetri) aerosooli kontsentratsiooni kõrvalekallet teatud geograafilistes piirkondades, nagu näitasid Sofiev jt., (2009.a.) aerosooli atmosfäärse leviku mudelarvutuste põhjal. Projekti üldeesmärk on leida kinnitust turbulentse termilise difusiooni voole planetaarses piirkihis ja hinnata TTD mõju suurust atmosfääri tahkete osakeste kontsentratsioonile kvantitatiivselt. Tehnilised küsimused on formuleeritud nii: 1. kas TTD-d arvestad atmosfäärse hajumise mudel arvutab paremini üle mikromeetri osakeste kontsentratsioone alumises troposfääris kui mudel ilma TTD-ta? 2. kas senised osakeste sadenemise otsemõõtmised annavad statistiliselt usaldusväärse kinnituse TTD eksisteerimisele piirkihis? Uurimismetoodika põhineb olemasolevate andmete analüüsil (1) atmosfäärist sadenemise otsemõõtmistest ja (2) konkreetsete kõrgenenud aerosoolse saaste episooide uuringutest ning (3) rakendades ulatuslikult atmosfäärse leviku modelleerimise süsteemi SLAM võrdlevalt TTD-d arvestades ja mitte arvestades nendele juhtudele, et leida kas TTD-ga arvutused annavad parema kooskõla eksperimendiandmetega. Selle projekti loodetav väljund on regionaalse ja globaalse õhukvaliteedi prognooside paranemine, mis tuleneb alusuuringutest saadud uue teadmise kiirest rakendamisest.
Turbulent thermal diffusion (TTD) is a phenomenon, theoretically predicted by Elperin et al. in 1996 and detected in the laboratory experiments with stably and unstably stratified turbulent flows by Eidelman et al. and Buchholz et al. 2004 - 2006: as a co-effect of stochastic turbulent movement and inertia of aerosol particles, the particles are transported down the temperature gradient. TTD is totally different of long-time known phenomena of molecular thermophoresis and turbophoresis. This effect causes a nondiffusive flux of aerosol in the direction of heat flux and results in formation of long-living aerosol layers in the vicinity of temperature inversions in the atmosphere. Recently it was found by Sofiev et al. (2009) that TTD is the most likely reason of an aerosol layer at tropopause, the most stable inversion in the Earth atmosphere– a phenomenon not well understood so far. Moreover, despite theoretically predicted inverse-proportional dependence on atmospheric pressure, TTD may play an important role in the lower troposphere, causing moderate but systematic deviations of coarse (more than 1 micrometer) aerosol concentrations in particular geographical regions, as shown by Sofiev et al. 2009 relying on atmospheric transport model simulations. The overall aim of this project is to find out the evidence of turbulent thermal diffusion flux in planetary boundary layer and estimate the impact of TTD to atmospheric particulate matter concentrations quantitatively. Technically, the questions are formulated as: 1. does an atmospheric dispersion model, including TTD, represent better the super-micron PM concentrations in lower troposphere than without TTD? 2. do the available direct deposition measurement results give any statistically significant evidence of TTD? The research methods are based on analysing the existing data from (1) direct atmospheric deposition measurements and (2) case studies and particulate matter episodes and (3) applying extensively the atmospheric transport modelling system SILAM comparatively with TTD included and not included to these cases, to find out whether the computations with TTD give better fit with experimental data. The expected outcome of this project is improvement of regional to global air quality forecasts, resulting from a fast application of newly created knowledge in fundamental research.
2012.a. vahearuandes avaldatud kahtlused tubulentse termilise difusiooni (TTD) alusteooria täpsuse osas leidsid täiel määral kinnitust: sellest grandiprojektist sõltumatud numbrilised arvutused näitasid, et TTD efektid troposfääri tingimustes on palju väiksemad kui esialgse teooria järgi prognoositud – nad on atmosfäärisaaste modelleerimise määramatuste taustal tühised, mõõtmiste teel detekteerimatud ja ei oma sellistena ka praktilist tähtsust. Sellega on taotluses püstitatud tööhüpoteesid ümber lükatud. Töö keskendus mudeli SILAM (mis oli algselt kavandatud atmosfääri TTD teooria testimisvahendiks troposfääris) valideerimisele praktiliste rakenduste (regionaalne kõrglahutuslik seiremudel, looduspõlengute suitsu levik, aerosooli tagasimõjuga ilmaprognoosimudelis) vajadustest lähtuvalt. Lisaks tihedale koostööle SILAM-i põhiarendaja Soome Meteoroloogia Instituudiga, anti panus COST aktsiooni ES1004 „Eumetchem“ raames toimunud Euroopa koostöösse ühendatud atmosfäärikeemia ja ilmaprognoosi mudelite vallas. Nende uurimuste põhjal avaldati 7 teaduspublikatsiooni, millest 3 kuuluvad ETIS-e kategooriasse 1.1(rahvusvahelise levikuga eelretsenseeritavad ajakirjaartiklid, mida refereerib Thomson Reuters) ja 2 kategooriasse 3.1 (rahvusvahelise levikuga eelretsenseeritavad kogumikuartiklid, mida refereerib Thomson Reuters). Avaldamiseks on saadetud veel üks 1.1. kategooria artikkel.