Granulometric analysis of recent Saharan dust  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
130337
Type KH
Principal investigator Varga, György
Title in Hungarian Recens szaharai por granulometriai elemzése
Title in English Granulometric analysis of recent Saharan dust
Keywords in Hungarian ásványi por, szemcseméret, szemcsealak, Szahara
Keywords in English mineral dust, grain size, grain shape, Sahara
Discipline
Physical geography (Council of Complex Environmental Sciences)80 %
Ortelius classification: Geography
Sedimentology, Pedology (Council of Complex Environmental Sciences)20 %
Panel Earth sciences 2
Department or equivalent Geographical Institute (Research Centre for Astronomy and Earth Sciences)
Participants Kovács, János
Szalai, Zoltán
Újvári, Gábor
Starting date 2018-12-01
Closing date 2021-08-31
Funding (in million HUF) 14.417
FTE (full time equivalent) 1.94
state closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A tervezett kutatás keretében Földünk legfőbb porforrásterületéről, a Szaharából évente kifújt több százmillió tonna ásványi poranyagból származó mintáknak a szemcseméret és szemcsealak elemzése valósulna meg. A minták begyűjtése az eddigi publikációink alapján kiválasztásra kerülő lehetséges forrásterületeket (pl. Nyugat-Szahara; Atlasz előtere: Chott Melrhir és Chott Jerid), az azokhoz viszonylag közel fekvő mintaterületeket (Kanári-szigetek; Antikythera; Kréta), illetve a távoli kiülepedési térségeket (Alpok, Kárpát-medence) is érintené.
Az alkalmazásra kerülő automata statikus képfeldolgozáson alapuló granulometriai elemzések révén közvetlen adatokat nyerhetünk a szemcsék méretéről, alakjáról és fényáteresztő képességéről, továbbá az alkalmazott műszer Raman-spektroszkópja lehetőséget teremt tetszőleges szemcsék anyagi minőségének (ásványi fázisának) a meghatározására is. A szabálytalan alakú, alaktanilag anizotróp ásványi szemcsék méretének és alakjának egzakt meghatározása már önmagában számos tudományterületet (pl. üledékföldtan, geomorfológia, légkörfizika és -kémia, aerobiológia) érintő kulcskérdés, mely problémakörre adott válaszokkal a mai napig adós a tudomány. Kutatásaink által mind a méret, mind az alak megismerése, mind ezek származástól, szállítástól, ülepedési módtól való függése feltárásra kerülne, melynek révén a környezeti viszonyok megváltozását is nyomon tudnánk követni a szállított poranyag adott paramétereinek monitorozásával.

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
Kutatásaink során közvetlen módszerekkel határoznánk meg a szaharai forrásterületekről kifújt poranyag szemcseméretét, szemcsealakját és legfőbb ásványtani, valamint optikai tulajdonságát. Meghatározásra kerülne az adott porviharos epizód szinoptikus meteorológiai háttere, szállítási mechanizmusa és a kiülepedés módja, valamint mindezek összefüggései a granulometriai jellemzőkkel.
Vizsgálnánk továbbá az automata statikus képfeldolgozásos méret- és alakelemzés során nyert paraméterek további alkalmazási lehetőségét a porszállítási és kiülepedési folyamatok mélyebb megértésében. Mivel mind a forrásterületek geológiai és geomorfológiai viszonyai, mind a szállítás módja és távolsága, mind a kiülepedési mechanizmusok hatással vannak a szállított szemcsékre, többváltozós matematikai-statisztikai módszerekkel elemeznénk, hogy az egyedi granulometriai bélyegek kialakításában mely tényezők milyen mértékű szerepet játszanak. A környezeti változások hatására mindegyik hatótényező idővel módosulhat is, emiatt fokozottabb jelentősége van mindezen faktorok hatásai megismerésének.

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
Előzetes mérési eredményeink rámutattak, hogy a szaharai poranyag elméleti úton nyert, valamint a távérzékeléses és közvetett módon meghatározott szemcseméret adatai ellentmondásosak és nem összeegyeztethetők az e területen mindezidáig csak általunk alkalmazott automata statikus képfeldolgozásos közvetlen méréseink eredményeivel. Mindebből kifolyólag a korábbi adatok alkalmazása problémát okoz (1) a szállított por mennyiségének és (2) a kiülepedett ásványi poranyag tömegének a meghatározásában, (3) a porszállítás mechanizmusának mélyebb megértésében; (4) a légköri por éghajlati, felhőfizikai és egyéb környezeti hatásának a megállapításában.
A pontos granulometriai jellemzők fontos bemenő adatként szolgálnak a porterjedési és kiülepedési modellek számára, melyek segítségével az eddig egyértelműen megállapítható, numerikus szimulációk során kapott ülepedési alulbecslések részben kiküszöbölhetővé válnának.
A jelenleg zajló éghajlatváltozás hatására bekövetkező légköri cirkulációs folyamatokban történő változások jól megfigyelhetők a szaharai porszállítási folyamatokban is, különösen igaz ez az észak-afrikai forrásterületekről Európa – és így hazánk – irányába szállított poranyagra. A sarkvidéki területek fokozottabb felmelegedése miatt kialakuló arktikus amplifikáció a magaslégköri futóáramlásokat befolyásolja, melyeknek nagyobb észak-déli irányú amplitúdója és lassabb kelet-nyugati haladása gyakrabban kialakuló hidegcsepp lefűződésekhez, illetve hosszabb ideig fennálló, stacioner meridionális áramlási helyzetekhez vezet. Ennek következtében intenzívebb és hosszabb ideig fennálló porviharos helyzetek alakulnak ki, melyek szezonális eloszlása is megváltozik; már az elmúlt években is megfigyelhető volt a téli-tavasz eleji epizódok számának növekedése.
Porviharok által légkörbe juttatott ásványi szemcséknek ilyen módszerekkel történő vizsgálata mindezidáig még nem történt meg sehol, korábbi publikációinkban is csak érintőlegesen foglalkoztunk recens poranyag granulometriájának e féle meghatározásával. Ebből kifolyólag elsőként fogunk szaharai porra vonatkozó közvetlen megfigyelésből származó részletes szemcseméret és szemcsealak eredményeket közölni.

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
A porviharok során évente légkörbe kerülő több milliárd tonna ásványi por az éghajlati és környezeti rendszerünk fontos részét képezi: hatással van a Napból érkező felszínt elérő sugárzás mennyiségére; légkörbiológiai folyamatokra, felhőképződésre, talajfejlődésre; egészségkörnyezeti helyzetre. Mindezek ellenére a poranyagra vonatkozó tudományos ismereteink szintje mégse nevezhető kielégítőnek. Nem rendelkezünk kellően pontos adatokkal a Szahara területéről Európába szállított ásványi szemcsék (1) mennyiségéről; (2) szemcseméretéről; (3) ásványos összetételéről. E három tényező elégtelen megjelenése mind a múltbéli események rekonstrukcióját és ősföldrajzi értelmezését, mind a jövőbeni változások irányának és potenciális hatásainak előrejelzését nehezíti, pontatlanabbá teszi.
Kutatásaink keretében a forrásterülettől a távoli kiülepedési régióik elemeznénk a szaharai por szemcseméretét és a korábbiakban alig vizsgált szemcsealakját. Mindezt kiegészítve ásványtani elemzésekkel, műholdfelvételek és műholdas mérések adatsoraival, szinoptikus meteorológiai vizsgálatokkal és légköri terjedési modellek eredményeivel alapvető új adatokkal szolgálnánk a hazánkat is érintő szaharai porviharos eseményekről és az eközben szállított és kiülepedett poranyag legfontosabb tulajdonságairól. Mindezen adatok és információk a jelenkori éghajlatváltozás lehetséges hatásainak, mind a múltbéli folyamatok pontosabb megismerését tennék lehetővé.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
In the course of the proposed research, complex grain size and grain shape analysis of samples extracted from the annually emitted hundreds of millions of tonnes of Saharan mineral dust will be achieved. The collection of samples is based on our previous studies on possible source areas (e.g. Western Sahara; Atlas foreland: Chott Melrhir and Chott Jerid), relatively close proximity of sources (Canary Islands; Antikhytera; Crete), and remote regions (Alps; Carpathian Basin).
By using the automated static image analysis granulometry, we are able to obtain direct grain size and grain shape information on the investigated minerals completed with light transmittance and Raman-spectra (correlated with mineralogy) of the particles. The exact determination of size and shape parameters of irregularly shaped, anisotropic mineral particles is already a key issue in many scientific fields (e.g. sedimentology, geomorphology, atmospheric physics and chemistry, aerobiology), however the accurate answers to these questions are still missing. As part of our proposed project both the size and shape of particles, both their dependence on origin, transport and sedimentation will be explored. So, we could also monitor the changes of environmental conditions by analyses of these parameters.

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
In our research, we will determine by direct methods the particle size and particle shape, main mineralogical character and optical properties of dust material deflated from Saharan source areas. The synoptic meteorological background, transport mechanism and mode of deposition, as well as correlations of these processes with granulometric characteristics would also be defined.
We will also investigate the further possible application of the size and shape parameters gained by automated static image analysis in a deeper understanding of dust transport and deposition processes. Since both the geological and geomorphological characteristics of source areas, the mode and distance of transportation both the deposition mechanisms have an effect on the sampled mineral particles, we will apply multivariate mathematical-statistical methods to determine the weighting scores of different factors in formation of individual granulometric fingerprint. As a result of environmental changes, each of these factors may change over time, so it is more important to know the effects of all these factors.

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
Our preliminary results have shown that theoretically obtained, remote sensed and indirectly measured grain size data of Saharan are contradictory and incomparable with the direct results of our automated static image analyses. Consequently, the usage of these previous data causes problem in (1) the determination of quantity of transported dust material and (2) the mass of deposited mineral particles; (3) the deeper understanding of mechanisms of dust transportation; and (4) the determination of effects of dust on climatic, cloud physical and other environmental processes.
Precise and accurate granulometric properties serve as important input data for dust transport and deposition models to help partially eliminate the identified underestimation of deposition of numerical simulations.
Changes in atmospheric circulations through the effects of current climate change can be well observed in the Sahara dust transport processes, especially in the case of North African dust transport to Europe and, consequently, to Hungary. Arctic amplification due to increased warming in Arctic regions influences high-altitude jet-streams, which have higher north-south amplitudes and slower east-west propagation leading to more frequent development of cold drops and longer stationary meridional flow situations. As a consequence, intense and prolonged dust storm situations develop, the seasonal distribution of which also changes; it has been observed also in recent years that the number of episodes in winter and at the beginning of spring is increasing.
Similar examination of aeolian dust particles has not been done so far, and we have only partly dealt with such determination of granulometry of recent dust material. That is why we will be the first to provide detailed direct grain size and grain shape information on Saharan dust particles.

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
Billions of tons of mineral dust that is emitted every year through dust storms into the atmosphere are important part of our climatic and environmental system: mineral dust affects the amount of solar radiation reaching the surface; has an effect on aerobiological processes, cloud formation, soil development, health situation. Nevertheless, the level of our scientific knowledge of dust cannot be considered satisfactory. We do not have sufficiently accurate data on (1) the amount; (2) grain size; and (3) mineral composition of Saharan dust transported towards Europe. The inadequate appearance of these three factors makes both the reconstruction and interpretation of past events and estimation of direction and potential effects of future changes difficult and inaccurate.
In the course of our research, we would like to analyse the grain size and previously not investigated grain shape of Saharan dust from source to distant settling regions. All these will be completed with mineralogical analyses, time series derived from satellite images and measurements, synoptic meteorological background and air-mass trajectories, providing fundamental new data about Saharan dust events affecting our country as well as about key properties of mineral dust material. All these data and information would lead to a deeper understanding of the potential impacts of current climate change and to more accurate knowledge if past environmental processes.




 

Final report

  
Results in Hungarian
A kutatási projekt keretében recens szaharai porviharos események ásványi poranyagának szemcsemérete és szemcsealakja került elemzésre. A vizsgálatok során szaharai forrásterületek, kanári-szigeteki, földközi-tengeri, európai magashegységi, kárpát-medencei és izlandi minták kerültek elemzésre. A granulometriai paraméterek meghatározására végzett módszertani kutatások nyújtottak támpontokat a vizsgálatokhoz. Sikeresen bemutattuk, hogy a porviharos események során jól elkülöníthető granulometriai karakterrel rendelkező poranyag kerül a légkörbe, melyet a kiülepedést követően jó eséllyel el is tudunk különíteni a helyi üledékes lerakódások ásványi szemcséitől. Rámutattunk, hogy a porviharok során a korábban gondoltaknál nagyobb méretű porszemcsék is elszállításra kerülnek, olykor többezer kilométeres távolságokra is. Kimutattuk, hogy a hazai szaharai porviharos események során nagymennyiségben ülepszenek ki 100 µm-es átmérőt meghaladó szemcsék. Hasonló jelenséget tudtunk megfigyelni Izlandon is, ahol az észak-afrikai forrásoktól több mint 4000 km-es távolságra eljutó nagyméretű kvarcszemcséket azonosítottunk a kiülepedett anyagban. A megváltozó légköri cirkulációs folyamatok szerepét is kimutattuk a porszállításban. Az egyre intenzívebb és gyakoribb téli porviharos események során az arktikus területek fokozott felmelegedésével összefüggően egyre hullámzóbbá váló magaslégköri futóáramlások kerültek okként feltárásra.
Results in English
The research project analysed the grain size and grain shape of mineral dust from recent Saharan dust storm events. Samples from the Saharan sources, Canary Islands, Mediterranean, European alpine regions, Carpathian Basin and Iceland were analysed. Methodological studies on the determination of granulometric parameters have provided the basis for the analyses. It has been successfully demonstrated that during dust storm events, particulate matter with a well distinguishable granulometric character is released into the atmosphere, which can be separated from mineral particles of local sedimentary deposits. It has been pointed out that dust storms also transport dust particles of larger sizes than previously thought, sometimes over distances of several thousand kilometres. We have shown that during Saharan dust storm events identified in the Carpathian Basin, large quantities of particles larger than 100 µm in diameter are deposited. A similar phenomenon has been observed in Iceland, where large quartz grains have been identified in the deposited material over 4000 km away from the North African sources. We also demonstrated the role of changing atmospheric circulation processes in dust transport. Increasingly intense and frequent winter dust storm events have been identified as the cause of increasingly wavy high-altitude atmospheric jet streams associated with increased warming of the Arctic.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=130337
Decision
Yes





 

List of publications

  
Varga Gy: Changing nature of Saharan dust deposition in the Carpathian Basin (Central Europe): 40 years of identified North African dust events (1979–2018), ENVIRONMENT INTERNATIONAL 139: 105712, 2020
Varga Gy, Dagsson-Walhauserová P, Gresina F, Helgadottir A: Saharan dust and giant quartz particle transport towards Iceland, SCIENTIFIC REPORTS 11: (1) 11891, 2021
Szalai Z, Király Cs, Jakab G, Szabó J A, Varga Gy: Application of Raman spectroscopy combined automated 2D image analysis for geosciences, GEOPHYSICAL RESEARCH ABSTRACTS 21: EGU2019-6633-1, 2019
Varga Gy, Dagsson-Waldhauserova P: Identification of giant Saharan quartz particles in Iceland, GEOPHYSICAL RESEARCH ABSTRACTS 21: EGU2019-4878, 2019
Varga Gy, Gammoudi N: Changing temporal patterns and intensity of Saharan dust events in (Central) Europe, GEOPHYSICAL RESEARCH ABSTRACTS 21: EGU2019-4866, 2019
Varga Gy, Gresina F, Újvári G, Kovács J, Szalai Z: On the reliability and comparability of laser diffraction grain size measurements of paleosols in loess records, SEDIMENTARY GEOLOGY 389: pp. 42-53., 2019
Varga Gy, Király Cs, Szalai Z, Gammoudi N: Changing temporal patterns of Saharan dust events in Central Europe, Goldschmidt Conference 2019, 2019
Varga Gy: Az évtized szaharai porvihara Európában : több tízmillió tonnányi por a levegőben, ÉLET ÉS TUDOMÁNY 74: (21) pp. 649-651., 2019
Kovács J, Gammoudi N, Kovács A, Varga Gy: Saharan dust events in the Carpathian Basin (Central Europe) in 2018: provenance analyses by granulometry, XRD and SEM methods, In: Montanari, A; Buiter, S (szerk.) EGU2020: Sharing Geoscience Online (#shareEGU20), (2020) EGU2020-10111, 2020
Varga Gy: Changing nature of Saharan dust deposition in the Carpathian Basin (Central Europe): 40 years of identified North African dust events (1979–2018), ENVIRONMENT INTERNATIONAL 139: 105712, 2020
Varga Gy, Gammoudi N, Kovács J: 40-years of Saharan dust events in the Carpathian Basin: background, frequency, intensity, changing patterns, In: Montanari, A; Buiter, S (szerk.) EGU2020: Sharing Geoscience Online (#shareEGU20), (2020) EGU2020-20517, 2020
Varga Gy, Dagsson-Waldhauserova P: Identification of giant Saharan quartz particles in Iceland, GEOPHYSICAL RESEARCH ABSTRACTS 21: EGU2019-4878, 2019
Varga Gy, Gammoudi N: Changing temporal patterns and intensity of Saharan dust events in (Central) Europe, GEOPHYSICAL RESEARCH ABSTRACTS 21: EGU2019-4866, 2019
Szalai Z, Király Cs, Jakab G, Szabó J A, Varga Gy: Application of Raman spectroscopy combined automated 2D image analysis for geosciences, GEOPHYSICAL RESEARCH ABSTRACTS 21: EGU2019-6633-1, 2019
Varga Gy, Király Cs, Szalai Z, Gammoudi N: Changing temporal patterns of Saharan dust events in Central Europe, Goldschmidt Conference 2019, 2019
Gresina F, Szalai Z, Varga Gy: Különböző módszerekkel kapott szemcseméret-eloszlás eredmények összehasonlítása változatos textúrájú üledékek és talajok esetén = Comparison of particle size distributions of various sediments and soils obtained by different methods, In: Cseresznyés, D; Király, Cs (szerk.) 16th Carpathian Basin Conference for Environmental Sciences, ELTE Természettudományi Kar (2021) p. 104., 2021
Varga Gy: A szél árnyéka - a porviharok és légköri por szerepe környezeti folyamatokban, In: Cseresznyés, D; Király, Cs (szerk.) 16th Carpathian Basin Conference for Environmental Sciences, ELTE Természettudományi Kar (2021) p. 13., 2021
Varga Gy, Roettig Ch-B, Dagsson-Waldhauserova P, Gresina F, Rostási Á, Kovács J: Identification and granulometric characterization of (giant) Saharan dust in sedimentary units, In: Goldschmidt 2021 virtual, (2021) 8287, 2021
Gresina F, Varga Gy, Szabó L, Király Cs, Szalai Z: The effect of chemical pretreatment on grain size results of past and recent clastic sediments, In: Montanari, A; Buiter, S (szerk.) EGU2020: Sharing Geoscience Online (#shareEGU20), (2020) EGU2020-21401, 2020



Back »