Reduziertes Graphenoxid zur Förderung von Regenfällen: Forscher der Khalifa-Universität teilen ihr Wissen auf dem Internationalen Forum zur Verbesserung der Niederschlagsmenge 2021
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Auf dem ersten virtuellen International Rain Enhancement Forum (IREF) tauschten Forscher der Khalifa-Universität ihre innovativen Methoden und neuen Erkenntnisse zur Verbesserung der Niederschläge in den VAE aus.
Das International Rain Enhancement Forum (IREF) ist eine globale Plattform, die führende internationale und nationale Experten, Forscher, Wissenschaftler und Interessenvertreter zusammenbringt, um dringende Wasser- und Nachhaltigkeitsprobleme weltweit anzugehen.
Auf dem Forum 2021 stellten drei Forscher der Khalifa-Universität ihre innovativen Forschungsarbeiten und Fortschritte bei Materialien und Methoden zur Regenverstärkung vor. Im Anschluss an die Präsentationen diskutierten die Forscher gemeinsam mit Dr. Steve Griffiths, Senior Vice President für Forschung und Entwicklung an der KU, in einer Podiumsdiskussion über ihre Arbeit.
Zu den Themen gehörten die Anwendung der Nanotechnologie für die Entwicklung neuartiger Materialien für die Wolkenimplementierung, die Untersuchung der Auswirkungen elektrischer Ladungen auf die Bildung von Wolkentröpfchen, Algorithmen für die Bestimmung geeigneter Bedingungen für die Wolkenimplementierung und die Integration verschiedener Modellierungsbemühungen und neuer Daten, um ein einheitliches Wettervorhersagemodell zu erstellen.
Poröse Nanopartikel für Cold Cloud Seeding
Dr. Linda Zou, Professorin für zivile Infrastruktur und Umwelttechnik, stellte poröse Nanopartikel und ihr Potenzial für Cold Cloud Seeding vor. Beim Cloud Seeding werden Substanzen in Wolken eingebracht, um die Bildung von Regentropfen anzuregen. Natürlicher kalter Wolkenregen entsteht, wenn Eiskristalle aus hoch gelegenen Wolken in tiefer gelegene Wolken fallen. Die Eiskristalle wirken wie Samen, die die Bildung größerer Kristalle auslösen, was zur Bildung von Regentropfen führt.
Dr. Zou setzt die Nanotechnologie ein, um Materialien zu schaffen, die als Eiskeimpartikel (INPs) bezeichnet werden und sich wie natürliche Eiskristalle verhalten, indem sie unterkühlte Wassertröpfchen bei Temperaturen von weniger als -38° Celsius bilden. Kaltes Cloud Seeding funktioniert im Bereich der warmen Oberflächentemperatur und ermöglicht die Eisbildung bei Temperaturen um -8° Celsius, was das Cloud Seeding relativ einfach macht.
Aber Cloud Seeding wird nicht nur zur Verstärkung von Niederschlägen eingesetzt, sondern auch zur Verdunstung von Nebel und Wolken. Wenn der Nebel sehr kalt ist, führt die Zugabe großer Mengen von INPs dazu, dass sich der Nebel auflöst, da sich die gesamte Flüssigkeit in Eis verwandelt - eine nützliche Technik in Gebieten mit viel Winternebel, wie den Vereinigten Arabischen Emiraten. Damit dies funktioniert, muss der Nebel jedoch sehr kalt sein, und die Temperaturen in der Wüste sinken selten auf die erforderliche Temperatur. Hier können Techniken des Cloud Seeding eingesetzt werden. Cloud Seeding kann auch die Bildung von Hagel unterdrücken, da die künstlichen und natürlichen Eispartikel miteinander um das verfügbare flüssige Wasser konkurrieren, wobei das Seeding die Entwicklung von Regentropfen beschleunigt und die Wolken von gefährlich in gutartig verwandelt.
Dr. Zou wendet die Nanotechnologie auf herkömmliche Materialien für das Cloud Seeding an und entwickelt Partikel mit optimalen Eigenschaften, um eine maximale Menge an Eiskeimen zu gewährleisten.
Reduziertes Graphenoxid dient aufgrund einer ähnlichen hexagonalen Gitterstruktur als Vorlage für das Wachstum von Eiskristallen, während die Zugabe von Siliziumoxid-Nanopartikeln die allgemeinen Adsorptionsfähigkeiten des Verbundpartikels für Wassermoleküle verbessert.
Die Siliziumoxid-Nanopartikel erzeugen Poren im Endprodukt und spielen eine wesentliche Rolle bei der Eisbildung, da sich flüssiges Wasser in den Poren sammelt. Die Experimente von Dr. Zou zeigten, dass die Partikel bei Temperaturen von etwa -8° Celsius zur Eisbildung führten. Diese Ergebnisse zeigen, wie Cold Cloud Seeding in der Praxis eingesetzt werden kann, z. B. zur Bekämpfung von Hagelstürmen und zur Reduzierung von Nebel.
Genaue Modellierung des Wetters
Im Anschluss an den Vortrag über die Regenerzeugung mit porösen Nanopartikeln berichtete Dr. Diana Francis, leitende Wissenschaftlerin und Leiterin des Labors für Umwelt- und Geophysikalische Wissenschaften (ENGEOS), über die Bemühungen ihres Labors, ein einheitliches atmosphärisches Multikomponentenmodell für Anwendungen zur Regenverstärkung in den VAE zu entwickeln. Die Vereinigten Arabischen Emirate sind zwar für ihre Hitze und Trockenheit bekannt, doch fällt in den Wintermonaten auch Regen.
Allerdings gibt es in den VAE auch einzigartige Wettersysteme, die sich in den Sommermonaten entwickeln können und gelegentlich regenarme Gebiete mit Wasser versorgen und die übermäßige Hitze lindern. Diese Systeme sind als Mesoscale Convective Systems (MCS) bekannt, und Dr. Francis möchte in der Lage sein, sie vorherzusagen.
Numerische Modelle sind ein leistungsfähiges Instrument zur Verbesserung unseres Verständnisses der Vorgänge in der Atmosphäre und zur Vorhersage von Wettermustern und deren Auswirkungen. Das Team von Dr. Francis hat die Komponenten seines vereinheitlichten Modells mit zwei Untersuchungen zu Staub und Klima sowie zu sommerlichen Regenfällen bewertet und validiert.
Ein MCS ist eine Ansammlung von Stürmen, die sich als ein einziges System bewegen. Damit sich ein MCS in einer extrem trockenen Umgebung wie den VAE entwickeln kann, ist eine Kombination von Faktoren erforderlich, die von der lokalen bis zur regionalen Ebene reichen, einschließlich eines steilen Temperaturgefälles am Boden zwischen dem Land und den umliegenden Meeren.
Wenn kalte Luft aus dem Meer auf heiße Luft aus der Wüste trifft, besteht die Möglichkeit, dass sich ein MCS bildet. Dr. Francis fand heraus, dass die MCS-Bildung und ihre Auswirkungen auf den Zustand der Atmosphäre in vielen Simulationen des Wetters über den VAE nicht berücksichtigt werden und die beobachtete Wolkenbedeckung unterschätzt wird.
Dies hat wichtige Auswirkungen auf die Verwendung der aktuellen, modernen Modelle für Klimaprojekte in Trockengebieten. Es ist daher wichtig, umfassende numerische Modelle zu entwickeln und ihre Fähigkeit zur genauen Darstellung der regionalen Umwelt zu bewerten.
Staubemissionen von der arabischen Halbinsel spielen ebenfalls eine entscheidende Rolle für das Wetter in den VAE. Die Staubbedeckung führt zu einer erheblichen Nettoerwärmung an der Oberfläche und in der Atmosphäre während der Nacht und verändert die Atmosphäre in tieferen Schichten. Dr. Francis erläuterte, dass Staub bei der Vorhersage, Planung und Durchführung von Cloud-Seeding-Maßnahmen in den VAE berücksichtigt werden muss, da er die Zirkulation und die Entwicklung von Wolken beeinflusst. Die Rolle, die Staub im Klimasystem der arabischen Halbinsel spielt, muss in Wettervorhersagesystemen berücksichtigt werden, um eine höhere Genauigkeit zu erreichen.
Da sich die Wüstenregionen in Zukunft voraussichtlich ausdehnen werden und empfindlich auf den Klimawandel reagieren, müssen die regionalen Modelle weiterentwickelt werden, um die Umwelt der VAE und die atmosphärischen Prozesse und Wechselwirkungen besser abzubilden. Unstimmigkeiten in einem Modell können zu ineffizienten Cloud-Seeding-Operationen führen, was den Bedarf an genauen Modellen und Vorhersagesystemen unterstreicht, zumal Wolken im Sommer die besten Chancen für Cloud Seeding bieten.
Konvektion über den Vereinigten Arabischen Emiraten und Auswirkungen auf Cloud Seeding Operationen
Ein Teil der Entwicklung eines effektiven Modells ist das Verständnis der beteiligten Prozesse. Postdoktorand Dr. Ricardo Fonseca erläuterte, wie die Konvektion über den VAE abläuft und welche Auswirkungen sie auf das Cloud Seeding hat. Der überwiegende Teil der Niederschläge fällt zwischen Dezember und März, aber auch vereinzelte Niederschläge im Sommer sind keine Seltenheit, so dass genaue Modellvorhersagen entscheidend sind, um diese Wolkenbildung für geplante Cloud Seeding-Operationen zu nutzen.
Dr. Fonseca erklärte, dass zwei atmosphärische Merkmale eine wichtige Rolle bei der Auslösung der sommerlichen Konvektion in den VAE spielen: Das Arabische Wärmetief (AHL) und die Intertropische Diskontinuität (ITD). Das AHL ist ein Wettersystem, das sich infolge einer starken Oberflächenerwärmung durch die Sonne im Landesinneren entwickelt, während die ITD die Grenze zwischen den heißen und trockenen Winden aus der Wüste und den kühleren und feuchteren Winden vom Arabischen Meer darstellt.
Anhand eines Niederschlagsereignisses, das 2017 über dem Al Hajar-Gebirge im Osten der VAE stattfand, simulierte Dr. Fonseca das Ereignis mit verschiedenen Modellen. Die Ergebnisse zeigen, dass von den getesteten Modellen das Weather Research and Forecasting (WRF)-Modell das konvektive Ereignis über dem Al-Hadschar-Gebirge im September 2017 trotz gewisser Mängel des Modells angemessen simuliert.
Dr. Fonseca schlägt vor, dass die Vorhersagen des WRF-Modells als Orientierungshilfe für Cloud Seeding-Aktivitäten in den VAE verwendet werden können und dass jede Modellierungsarbeit die wichtigen Zirkulationsmerkmale in der Atmosphäre über der arabischen Halbinsel im Sommer berücksichtigen muss.
Die Diskussionsteilnehmer der KU betonten die wichtige Rolle, die die Erforschung von Innovationen zur Verbesserung der Niederschlagsmenge, einschließlich der Technologien für das Cloud Seeding und genauer Wettermodellierungssysteme, für die künftigen Ziele der VAE in Bezug auf die Wasser- und Ernährungssicherheit spielen wird, und wiesen auf die wichtige Arbeit hin, die an der Khalifa-Universität geleistet wird, um diese Forschung in praktische Anwendungen umzusetzen.
Jade Sterling
Wissenschaftsjournalistin
17. Februar 2021
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