Desert dust transport processes at multiple scales and implications on cloud formation

Abstract

Mineral dust aerosols are a key component of the Earth system, influencing the global energy balance, cloud microphysics, and biogeochemical cycles. However, substantial uncertainties remain regarding their atmospheric life cycle and its impacts in the atmosphere, particularly due to the limited representation of super-coarse and giant particles in current atmospheric models. These large particles—despite their relatively short atmospheric lifetimes—can contribute significantly to dust mass budgets, affect long-range transport, and influence cloud formation processes. Their role in ice nucleation, especially in mixed-phase cloud systems, also remains insufficiently understood due to challenges in both observations and modeling. This dissertation addresses critical knowledge gaps related to the transport and microphysical impacts of super-coarse mineral dust particles. Using a modified version of the WRF-Chem model (WRF-L), which explicitly includes particles up to 100 μm in diameter, this work investigates three core aspects of the dust life cycle: (i) the effect of size-selective processes such as gravitational settling, particle shape, and numerical diffusion on dust transport; (ii) the influence of meteorological variability, including the position of the Intertropical Convergence Zone (ITCZ), surface heating, and wind fields, on the emission and redistribution of coarse dust; and (iii) the impact of enhanced dust size spectra on cloud microphysics, with a focus on aerosol–cloud interactions and ice nucleation processes in the presence of Saharan dust. Through a series of idealized and case-specific simulations supported by observations from field campaigns (ASKOS-ESA and CPEX-CV), the thesis demonstrates that both physical and numerical factors significantly modulate the transport efficiency and spatial distribution of super-coarse dust particles. Furthermore, incorporating aerosol-aware ice nucleation parameterizations reveals notable differences in simulated ice water content and cloud structure, underscoring the importance of accounting for dust size in cloud-resolving models. The results highlight the need for improved representation of dust–atmosphere interactions in regional and global models to enhance predictive skill in aerosol-climate and weather forecasting systems. This work contributes to a more comprehensive understanding of the dust life cycle and its climatic implications, and lays the foundation for future efforts to integrate super-coarse dust into next-generation atmospheric models.

Η ερημική σκόνη αποτελεί ένα από τα σημαντικότερα ατμοσφαιρικά αερολύματα του γήινου συστήματος, επηρεάζοντας καθοριστικά την ενεργειακή ισορροπία της ατμόσφαιρας, τις διεργασίες μικροφυσικής των νεφών, τους βιογεωχημικούς κύκλους, καθώς και την πρόγνωση καιρού και κλίματος. Παρά τη σημαντική πρόοδο που έχει επιτευχθεί τις τελευταίες δεκαετίες στην κατανόηση του κύκλου ζωής της σκόνης, εξακολουθούν να υπάρχουν ουσιαστικές αβεβαιότητες σχετικά με τη μεταφορά, την κατακόρυφη κατανομή, τη χρονική παραμονή και τις αλληλεπιδράσεις των μεγάλων σωματιδίων σκόνης με τα νέφη και την ακτινοβολία. Οι αβεβαιότητες αυτές σχετίζονται σε μεγάλο βαθμό με το γεγονός ότι τα περισσότερα σύγχρονα ατμοσφαιρικά μοντέλα περιορίζουν την αναπαράσταση της σκόνης σε σχετικά μικρές διαμέτρους σωματιδίων, παραμελώντας την παρουσία υπέρ-χονδρόκοκκων και γιγάντιων σωματιδίων (super-coarse και giant particles), τα οποία μπορούν να φτάσουν ή και να ξεπεράσουν τα 100 μm σε διάμετρο. Παρότι τα σωματίδια αυτά χαρακτηρίζονται από υψηλές ταχύτητες καθίζησης και θεωρητικά μικρότερους χρόνους παραμονής στην ατμόσφαιρα, πρόσφατες μελέτες και παρατηρήσεις πεδίου έχουν δείξει ότι μπορούν να μεταφέρονται σε πολύ μεγάλες αποστάσεις, ακόμη και χιλιάδες χιλιόμετρα μακριά από τις πηγές εκπομπής τους. Επιπλέον, τα υπέρ-χονδρόκοκκα σωματίδια συνεισφέρουν σημαντικά στη συνολική μάζα της ατμοσφαιρικής σκόνης, επηρεάζουν την οπτική ιδιότητα των αερολυμάτων, τη ροή θρεπτικών συστατικών προς τα θαλάσσια οικοσυστήματα και διαδραματίζουν κρίσιμο ρόλο σε διεργασίες σχηματισμού νεφών, ιδιαίτερα ως πυρήνες παγοποίησης (Ice Nucleating Particles – INPs) σε μικτής φάσης νεφικά συστήματα. Ωστόσο, η φυσική τους συμπεριφορά και η αλληλεπίδρασή τους με τα νέφη παραμένουν ανεπαρκώς κατανοητές, τόσο λόγω περιορισμένων παρατηρησιακών δεδομένων όσο και λόγω ανεπαρκούς αναπαράστασης σε αριθμητικά μοντέλα. Η παρούσα διδακτορική διατριβή στοχεύει στη διερεύνηση κρίσιμων επιστημονικών κενών που σχετίζονται με τη μεταφορά και τις μικροφυσικές επιδράσεις των υπέρ-χονδρόκοκκων σωματιδίων ορυκτής σκόνης στην ατμόσφαιρα. Για τον σκοπό αυτό χρησιμοποιείται μία τροποποιημένη έκδοση του μοντέλου WRF-Chem (WRF-L), η οποία επιτρέπει τη ρητή αναπαράσταση σωματιδίων σκόνης έως και 100 μm σε διάμετρο. Η εργασία εστιάζει σε τρεις βασικούς άξονες που αφορούν τον κύκλο ζωής της σκόνης: (i) την επίδραση φυσικών και αριθμητικών διεργασιών, όπως η βαρυτική καθίζηση, το σχήμα των σωματιδίων και η αριθμητική διάχυση, στη μεταφορά της σκόνης· (ii) τον ρόλο της μετεωρολογικής μεταβλητότητας —συμπεριλαμβανομένης της θέσης της Διατροπικής Ζώνης Σύγκλισης (ITCZ), της επιφανειακής θέρμανσης και των ανεμολογικών πεδίων— στην εκπομπή, ανύψωση και ανακατανομή των χονδρόκοκκων σωματιδίων· και (iii) την επίδραση της διευρυμένης κατανομής μεγέθους σκόνης στη μικροφυσική των νεφών, με ιδιαίτερη έμφαση στις αλληλεπιδράσεις αερολυμάτων–νεφών και στις διεργασίες παγοποίησης παρουσία αφρικανικής σκόνης. Στο πλαίσιο της διατριβής πραγματοποιήθηκε σειρά ιδανικοποιημένων και ρεαλιστικών αριθμητικών προσομοιώσεων, οι οποίες υποστηρίχθηκαν και αξιολογήθηκαν με χρήση δεδομένων από διεθνείς πειραματικές εκστρατείες και παρατηρήσεις πεδίου, όπως οι ASKOS-ESA και CPEX-CV. Μέσω των προσομοιώσεων αυτών εξετάστηκε η επίδραση διαφορετικών φυσικών και αριθμητικών παραμέτρων στη χωρική κατανομή, στη διάρκεια ζωής και στην αποδοτικότητα μεταφοράς των μεγάλων σωματιδίων σκόνης. Τα αποτελέσματα καταδεικνύουν ότι τόσο οι φυσικές διεργασίες όσο και οι αριθμητικές μέθοδοι μεταφοράς μπορούν να επηρεάσουν σημαντικά τη συμπεριφορά των υπέρ-χονδρόκοκκων σωματιδίων, οδηγώντας σε διαφοροποιήσεις στη συγκέντρωση σκόνης, στη γεωγραφική της κατανομή και στη δυνατότητα μεταφοράς της πάνω από τον Ατλαντικό Ωκεανό.