مهندسی آبخیزداری

طوفان گرد وغبار

 تعریف پدیده گرد و غبار براساس توافق سازمان هواشناسی جهانی :

1. هرگاه باد مقادیر زیادی از گرد و خاک را به هوا بلند کرده و باعث کاهش دید به کمتر از یک کیلومتر شود.

2.  سرعت باد به بیش از 15 متر بر ثانیه برسد.

 طوفان گرد و خاك عبارت است از بادي كه مخصوس نواحي خشك و نيمه خشك بوده و بر اثر وزش آن ابر متراكمي از گرد و غبار در فضا ايجاد مي شود تراكم اين ابر غبارآلود آنقدر زياد است كه جلوي ديد را كاملا گرفته و ارتفاع آن، گاه تا 3000متر ميرسد.

پدیده های گرد و غباری نه تنها حاصل وزش بادهای شدید که حاصل شرایط ناپایداری در الگوی سینوپتیکی می باشد.

  از مهمترین شرایط ایجاد گرد و غبار در کنار هوای ناپایدار، وجود یا عدم وجود رطوبت است به طوری که اگر هوای ناپایدار رطوبت کافی داشته باشد بارش و طوفان رعد و برق و اگر فاقد رطوبت باشد طوفان گرد و غبار ایجاد می کند. در واقع تغییر در ویژگی عناصر دما، فشار، نم نسبی و ... باعث ایجاد بارش و طوفان رعد و برق و یا سیستم های گرد و غباری می شود.

 فراوانی ذرات گرد و غبار در جو علاوه بر شدت باد و خشکی ذرات خاک به اندازه قطر ذرات نیز بستگی دارد. نوع و پوشش گیاهی نیز در شدت وقوع گرد و غبار نقش موثری ایفا می کند.

 مطالعات فراوانی وقوع طوفانهای گرد و خاک نشان می دهد که بیشترین وقوع آنها در مناطق بسیار خشک با زمین لخت (80-60 روز در سال) ، پس از آن مناطق با پوشش گیاهان بوته ای (30- 20 روز در سال) و سپس چمن زارها (4-2 روز در سال) صورت می گیرد .

مکانیسم تشکیل

 بسته به سرعت باد و اندازه ذرات خاک مواد به سه شکل غلتان،  جهشی، و معلق جابجا می شوند ذرات درشت معمولا به صورت غلتیدن جابجا می شوند ذرات متوسط به صورت جهشی جابجا می شوند ذرات مذکور به هوا بلند شده و معمولا 4 برابر ارتفاعی که به هوا بلند می شوند به جلو رانده می شوند اما ذرات ریزدانه مانند ذرات رس به علت سبک بودن تا ارتفاع زیادی از سطح زمین بلند می شوند و مدت زیادی در هوا معلق باقی مانده و پس از طی مسافتی طولانی فرو مي نشينند.

زمان بندی روزانه و فصلی طوفان گرد و غبار

در مناطق مختلف طوفان گرد و غبار در زمان خاصی از روز متمرکز می شود. در بیشتر مناطق بزرگترین طوفانهای گرد و غبار در اواخر صبح و بعد از ظهر رخ می دهد.یک طوفان گرد و غباری زمانی توسعه می یابد که یک سیستم به سمت ناحیه بیابانی حرکت کند.

 مدت زمان طوفان گرد و غباری

 مدت زمان پایداری طوفان با توجه به شرایط منطقه بین چند ساعت تا سه روز متغیر می باشد

عوامل موثر بر ایجاد پدیده گرد و غبار

1- وضعيت زمين: 

نوع خاك، رطوبت خاك، پوشش گياهي

2- مهار آبهاي سطحي:

 ايجاد سد ، انحراف مسير رودخانه ، برداشت بي رويه از منابع آب (بويژه آبهاي زير سطحي)

3- شرايط جوي:

 كم بارشي و خشكسالي

-اصلي ترين عوامل در ايجاد پديده گرد و غبار:

وزش بادهاي به نسبت شديد بر روي بيابانهاي با خاك نرم و خشك ، حركت صعودي هوا موجب انتقال     عمودی ذرات گرد و خاك معلق به ترازهاي بالاتر جو مي شود، انتقال ذرات معلق توسط جريانات سطوح فوقاني جو به نقاط دورتر

 منشا ذرات گرد و غبار

ذرات گرد و غبار ممکن است از فرسایش مواد معدنی و آلی خاک مشتق شده باشد. گرد و غبار ممکن است از تپه های شنی فعال به وجود آید. جاده های خاکی، کارگاههای ساختمانی، دستگاههای سنگ شکن و .... از منابع تولید گرد و غبار می باشند.

 تولید کنندگان اصلی گرد و غبار بستر خشک دریاچه ها و صحرای بزرگ افریقا می باشد.

 بیش از 70% از طوفانهای گرد و غبار به طوفانهایی که از بیابانهای افریقا نشات می گیرند نسبت داده می شود.

عوامل تشدید کننده

طوفانهای گرد و غباری که تحت تاثیر مستقیم و غیر مستقیم تغییرات آب و هوایی در حال گسترش می باشند به دلایلی در سالهای اخیر جوامع انسانی و سلامت آنها را در معرض تهدید قرار داده اند. تغییر در الگوهای خشکسالی، گسترش بیابان زایی و تغییر در پوشش گیاهی زمین که به نوعی به تغییر اقلیم وابسته است از سویی و تغییرات انسان ساخت اراضی از عواملی هستند که در تشدید این معضل محیطی دخالت داشته اند.

 از دیگر عوامل موثر در تکوین و ایجاد ناپایداری سرعت باد و جریانهای شدید لایه زیرین تروپوسفر است. شدت طوفان گرد و خاک توسط بقا آن و کاهش دید تعیین می شود.

اثر عوامل اقلیمی در طوفان گرد و غبار

گرد و غبار بطور قابل توجهی برحسب توزیع اندازه ذرات، چسبندگی سطحی خاك، و حضور عناصر زبری یا پوشش گیاهی تغییر می کند. آزمایش های انجام شده به وسیله تونل باد نشان داده که گستره محدوده سرعت های آستانه، از حدود 0.4 تا 3.39 متر بر ثانیه تغییر می کند. که برای سطوح دست خورده حدود 2 تا 6 برابر کمتر از سطوح دست نخورده است. در شرایط صحرایی ، رویدادهای گرد و غبار با سرعت باد مرتبط است برای توسعه یا تعدیل طوفانهای گرد و غبار، بارندگی یک عنصر حیاتی بشمار می رود حتی مقادیر کوچکی از رطوبت خاک، به شدت فرسایش بادی را محدود می کند. وقوع خشکسالی ها نقش عمده ای در افزایش تولید گرد و غبار بازی می کنند. توفانهای گرد و غبار وقتی بوجود می آیند که مجموع بارش سالانه بطور قابل توجهی از بارش  نرمال کمتر است.

اثر عوامل سطحی در طوفان گرد و غبار

عوامل سطحی (زمین) ، با تغییر پذیری ذاتی زمانی و مکانی خود، در تعیین میزان انتشار گرد و غبار اهمیت بسزایی دارند. پوشش گیاهی و الگوی فصلی آن در کنترل توسعه گرد و غبار مهم است. تقویت پوشش گیاهی موجب پایداری سطح و در نتیجه کاهش فرسایش بادی و گرد و غبار می شود. گیاهان زبری سطح را افزایش داده و در نتیجه سرعت باد را کاهش می دهند؛ سیستم ریشه گیاهان ذرات خاک را به هم چسبیده نگه داشته و با ایجاد سایه، رطوبت خاک را به طور موقت افزایش می دهند و بدین ترتیب  قشر سطحی و خاک را تثبیت کرده و از حرکت باز می دارند.

ابزار بررسی طوفان گرد و غبار

 سنجش از دور یکی از ابزارهایی است که در سالهای اخیر برای شناسایی، ردیابی و تجزیه و تحلیل طوفان گرد و غبار مورد استفاده قرار می گیرد. برای این کار طیف وسیعی از سنسورهای مختلف به تنهایی یا به صورت ترکیب استفاده می شود که در نهایت یک تصویر جهانی از فعالیتهای طوفان گرد و غبار می دهد. این تکنیک یک تصویر جهانی از فعالیت های طوفان گرد و غبار که برای آن هیچ اطلاعات ایستگاه هواشناسی وجود ندارد، با ردیابی ذرات گرد و غبار و منابع گرد و غبار ارائه می دهد و اطلاعات را بر روی پارامترهایی مانند ضخامت نور و ارتفاع ذرات گرد و غبار تجزیه و تحلیل می کند.

اثر گرد و غبار بر روی اقلیم، هوا و کیفیت هوا

 آئروسل های جوی مولفه مهمی از هوای کره زمین و سیستم  آب و هوا محسوب می شوند. در آتمسفر زمین، نقش گرد و غبار بستگی به عوامل متعددی از جمله غلظت گرد و غبار ، ترکیب کانی شناسی (از طریق ضریب انکسار) ، توزیع اندازه ، و توزیع عمودی ذرات دارد. در مقیاس جهانی ، گرد و غبار می تواند از طریق پراکندگی و جذب تابش خورشیدی و زمینی ، و با الگوهای آشفتگی گردش جوی، بودجه تابشی زمین را تحت تاثیر قرار دهد. در مقیاس منطقه ای ، آنطور كه تصاویر ماهواره ای نشان می دهد، گرد و غبار یک اثر تابشی قوی در مناطق دریایی کمربند حاره و جنب حاره که در مسیر بادهای مناطق بیابانی واقع شده اند، اعمال می کند.

 گرد و غبار جوی به عنوان هسته های تراکم عمل کرده و فرآیند تشکیل ابر را تسهیل می کنند. بعنوان یک نتیجه، گرد و غبار ؛ فعالیت انتقال عمودی هوا و تشکیل ابر و همچنين تعدیل اندازه قطرات باران و مقدار بارش را تحت تاثیر قرار می دهد.

  ايجاد گرد و غبار جوی اثرات مهمی نیز بر کیفیت هوا دارد. پدیده گرد و غبار روی سلامت قلبی و عروقی و تنفسی انسان تاثیر نامطلوب دارد.

اثرات گرد و غبار بر اکوسیستم های دریایی و زمینی

 گرد و غبار حاوی مواد معدنی که به سطح زمین فرو ی ریزند در طول مسیرحمل، آهن و سایر ریزمغذی های دیگر را به اکوسیستم های زمینی و دریایی می افزایند. در اقیانوس ها ، ذرات معدنی آئروسولها، بهره وری زیستی را افزایش می دهد. نقل و انتقال گسترده جوی مواد معدنی گرد و غبار، مواد مغذی خوبی برای زندگی فیتوپلانکتونها و ژئوپلانکتونها را فراهم می کند. این موضوع برای مناطقی از اقیانوسها که به جهت دور بودن از رودخانه ها مواد مغذی کمتری دریافت می کنند اهمیت بسزایی دارد.

  اکوسیستم زمینی نیز در دامنه ای وسیع از مزایای حرکت گرد و غبار بهره مند می شود. حاصلخیزی حوضه آمازون و بهره وری از جنگلهای انبوه آن ، مدیون نقل و انتقال ، 40 میلیون تن گرد و غباری است که هر سال از صحرا به آنجا منتقل می شود.خاک سطحی جنگلهای بارانی بطور تیپیک کم عمق ، دارای مواد مغذی کم، و فاقد مواد معدنی محلول است، بخشی از گرد و غبار ی که به آنجا می رسد سبب تعادل مواد مغذی آن منطقه شده و به بارور شدن بیشتر حوضه آمازون کمک می کند. وقایع گرد و غبار بیابان همچنین مقادیر زیادی از میکروارگانیسم ها و گرده ها را به جو زمین تزریق می کند. بدیهی است که چنین وقایعی ممکن است نقشی در مورد انتقال پاتوژنها و یا گسترش دامنه جغرافیای حیاتی بعضی از این موجودات بازی کند.

 حمل و نقل پاتوژنها از این نظر که ممکن است کمک به گسترش بیماریهای گیاهی و حیوانی بین قاره ای کند بعنوان یک نگرانی خاص گرد و غبار محسوب می شود. گرد و غبار جنوب صحرا با انتقال و گسترش اسپورهای حامل بیماری می تواند به عنوان یک عامل دخالت در سیر طبیعی اکوسیستم ها محسوب شود. البته تا امروز، هیچ گزارش تایید شده ای از بیماری های عفونی انسان در ارتباط با گرد و غبارهای انتقالی بیابان که از راه دور منتقل شده باشد، وجود ندارد.

رابطه گرد و غبار و بی توازنی تابشی

ذرات گرد و غبار به طور مستقیم و غیر مستقیم در آب و هوا تاثیر می گذارد. به عنوان مثال باعث تغییر در درجه حرارت می شود، یعنی اگر ذرات گرد و غبار تیره باشند باعث جذب تابش و افزایش دما می شود و اگر ذرات روشن باشد منعکس کننده تابش بوده و اثر خنک کننده دارد. همچنین تابش باعث کاهش اثر گازهای گلخانه ای می شود.

رابطه گرد و غبار و ابرها

 هسته های گرد و غبار ممکن است ویژگی ابر را تغییر دهد به عنوان مثال به علت طوفان گرد و غبار تعداد قطرات تشکیل دهنده ابر به دلیل افزایش هستک ها ممکن است افزایش یابد.همچنین ممکن است باعث تشدید وارونگی دما شود.

رابطه گرد و غبار و بارندگی

  از آنجایی که طوفان گرد و غبار در مناطق با رطوبت خاک و پوشش گیاهی کم رخ می دهد، انتظار می رود که وقوع طوفان گرد و غبار گسترده ارتباط معکوسی با مقدار بارش باران داشته باشد.

 با افزایش خشکسالی ها، طوفانهای گرد و غباری افزایش می یابد.

رابطه گرد و غبار و پوشش گیاهی

  در مناطقی که پوشش گیاهی محدودی وجود دارد فراوانی وقوع طوفانهای گرد و غباری بالاست.

اثرات زیست محیطی طوفان گرد و غبار

 کاهش دید یکی از ویژگی های اصلی سیستمهای گرد و غباری می باشد که علاوه بر اختلالاتی که در سیستم حمل و نقل زمینی و هوایی به وجود می آورد باعث بروز آثار ناخوشایند بهداشتی مثل مشکلات تنفسی و ریوی، مشکلات بینایی و بیماری های عفونی برای انسان می شود و همچنین باعث آلودگی محیط زندگی انسانها می گردد. روز توام با گرد و غبار از کانونهای اصلی آلودگی در کشور می باشد.

از دیدگاه بهداشت عمومی ذرات معلق از آلاینده های اصلی هوا می باشند. سازمان بهداشت جهانی برآورد نموده است که سالانه 500000 نفر بر اثر مواجهه با ذرات معلق موجود در هوای آزاد دچار مرگ زودرس می شوند و مرگ ناشی از بیماری های تنفسی و قلبی و سرطان ریه را افزایش می دهد. طوفان گرد و غبار باعث افزایش 1.7% مرگ و میر می گردد.

دیگر تاثیرات نامطلوب طوفانهای گرد و غباری عبارتند از :

 مدفون شدن مناطق مسکونی در زیر ماسه

 از بین رفتن زمینهای کشاورزی

 گسترش نواحی بیابانی

 آلودگی آبهای سطحی

منابع عمده گرد و غبار در دنیا

 اکثریت گرد و غبارهای دنیا از نواحی محدودی مانند بیابان بزرگ افریقا ، خاورمیانه، آسیای جنوب غربی، مرکز استرالیا، مغولستان و بخشهائی از قاره اروپا و آمریکا منشاء می گیرند.

 در بررسی توزیع جهانی از این کمربند به عنوان کمربند غبار  نام برده می شود. این کمربند جغرافیائی در نیمکره شمالی واقع شده است. در منطقه خاورمیانه از شمال آفریقا تا چین گسترده شده است. در خارج این کمربند میزان گرد و غبار کم است.

  به طور کلی منابع عمده گرد وغبار عبارتند از سرزمین های کم ارتفاع و کم بارانی که از  میانگین بارش سالیانه کمتر از 250 میلیمتر برخوردار هستند.

منابع گرد و غباری ایران

حدود 25% از مساحت کشور ایران به دلیل قرار گرفتن بر روی کمربند خشک و بیابانی جهان، تحت سیطره طوفانهای گرد و غباری می باشند.

 مهمترین منبع گرد و غباری وارد شده به غرب کشور، صحرای سوریه، صحرای نفوذ در شمال شبه جزیره عربستان و بیابانهای جنوب عراق می باشند و نقش صحرای بزرگ افریقا در این میان بسیار ناچیز می باشد.

 موقعی که کم فشارهای حرارتی در قسمتهای شمالی شبه جزیره عربستان و یا روی خلیج فارس مستقر هستند به دلیل نزدیکی به غرب نقش بیشتری در تشدید و فعالیت گرد و غبار بازی می کنند. به خصوص در تابستان که بر روی ایران پر فشار آزور مستقر می باشد باعث می شود هوای شبه جزیره عربستان وارد ایران شود. ورود هوای گرم و خشک عربستان به داخل ایران باعث بالا رفتن دمای شهر های استان خوزستان 54درجه و رطوبت 10 در صد می گردد.

 بنابراین این طوفانها چون فاقد رطوبت و دارای سرعت و قدرت زیاد می باشند و هنگامی که از روی بیابانهای عربستان و عراق می گذرند دارای مقادیر زیادی گرد و غبار و ذرات بسیار ریز بوده و هنگام رسیدن به ایران باعث تیرگی و آلودگی هوا و بالا رفتن دمای آن می شوند گر چه طوفانهای گرد وغباری خوزستان در همه فصول ممکن است شکل بگیرند اما بیشترین زمان وقوع آنها در دوره گرم سال بخصوص در مرداد ماه می باشند

 تعداد روزهای توام با طوفانهای گرد و غباری در استان خوزستان معمولا بیش از 15 روز در سال است .

  نتایج حاصل از تحلیل آماری سالهای 1996-2005 بیانگر فراوانی بیشتر روزهای گرد و غباری در دوره گرم سال نسبت به دوره سرد سال می باشد همچنین تعداد روزهای گرد و غباری از غرب منطقه به سمت شرق کاهش می یابد.

 در جنوب شرق ایران نیز مهمترین منبع تغذیه بار جامد طوفانها بستر خشک هامون پوزک می باشد. اقلیم در دشت سیستان با بالا بودن درجه حرارت طی دوره وزش بادهای 120 روزه و قطع منابع بارش و خشکی فیزیکی محیط همراه است این عوامل باعث مهیا شدن شرایط جوی مناسب وزش بادها گردیده و با وجود کاهش رطوبت خاک امکان تغذیه طوفانهای گرد و غباری را فراهم می سازد.

  اختلاف فشار بین افغانستان و دشت سیستان، وجود مراکز فشار قوی در سیبری از عوامل بوجود اورنده و تشدید کننده بادها و طوفانهای گرد وغباری در دشت سیستان می باشند این طوفانها از ارتفاعات شمال شرق به طرف جنوب شرق ایران پس از عبور از بیابانها در دشت سیستان به یک باد گرم و خشک تبدیل می شوند و خسارات فراوانی را به مزارع کشاورزی و پوشش گیاهی وارد می نمایند.

 زمان وزش این بادها معمولا از نیمه خرداد تا نیمه مهر ماه می باشد اما در بعضی منابع زمان وزش انها را از اول خرداد تا اخر شهریور نیز ذکر نموده اند

 سرعت این بادها متغیر است و از 30 کیلومتر در ساعت شروع و حداکثر به 120 کیلومتر در ساعت می رسند

توزیع مکانی طوفانها ی گرد وغباری د رکشور ما در چاله های مرکزی مانند دشت لوت و دشت کویر و چاله های شرقی به حداکثر خود می رسد در منطقه بین زاهدان و کرمان تعداد روزهای طوفانهای گرد و غباری به 150 روزدر سال می رسند محل بیشینه این طوفانها در نواحی خشک و بدون پوشش گیاهی و به لحاظ توزیع زمانی در مرداد ماه اتفاق می افتد

تعداد روزهای گرد و غباری در ایران

تعداد روزهای غباری ایران رابطه مستقیم با دما و رابطه معکوس با روزهای بارانی دارد. این بدان معناست که پدیده گرد و غبار خاص مناطق گرم و کم بارش ایران است از سوی دیگر تعداد روزهای غباری ایران هم نشان می دهد که در ماههای گرم و کم بارش بر تعداد روزهای غباری افزوده می شود کاهش روزهای غباری در جنوب شرق ایران در خرداد به دلیل ریزش های پراکنده موسمی است. از این گذشته باد نیز در پیدایش غبار موثر می باشد و ارتباط مستقیمی بین تعداد روزهای غباری با باد دیده می شود. میانگین روزهای غباری ایران 35 روز در سال می باشد در حالی که  بیشترین روزهای گرد و غباری کشور در مرکز و شرق ایران می باشند، همچنین در مناطق جنوب غربی و غرب کشور نیز میانگین روزهای گرد و غباری قابل توجه است که فراوانی وقوع آن در مرداد ماه بیش از سایر ماههای سال است البته در سالهای اخیر این میزان افزایش چشمگیری داشته است

خسارات

طوفان گرد وغباری هر ساله خسارت زیادی به مزارع، تاسیسات، ترافیک و زندگی بشر وارد می نماید.

 طوفانهای گرد وغبار باعث افزایش میزان تبخیر شده (هم اب موجود در خاک و هم اب های سطحی) بنابراین خشک شدن قشر سطحی خاک باعث از بین رفتن پوشش گیاهی و درنهایت عریان شدن سطح زمین می شود.

کنترل طوفانهای گرد و غباری

 تلاشهای مختلفی برای کنترل طوفانهای گرد و غباری صورت گرفته است که به سه دسته تقسیم می شود:

شیوه های مدیریت زمین

 عملیات خاکورزی مکانیکی

 موانع گیاهی

همه این روش ها به منظور کاهش سرعت باد در سطح خاک صورت می گیرد تا سرعت آستانه برای شروع حرکت ذرات توسط باد افزایش یابد. هنگامی که پوشش گیاهی به اندازه کافی بالا و متراکم باشد از فرسایش خاک توسط باد جلوگیری به عمل می آورد. روش های مکانیکی کنترل فرسایش باد ایجاد موانع بر سر راه جریان باد می باشد.

راهکارها

برای مقابله با طوفان گرد و غبار به برنامه هاي كوتاه مدت و دراز مدت نیاز می باشد.

  برنامه های کوتاه مدت:

 استفاده از مالچ نفتی برای تثبیت ماسه های روان

  برنامه های بلند مدت:

 بررسی علل وقوع طوفان ها با داده های هواشناسی در دوره های آماری چندین ساله

 تاسيس يك مركز  تحقيقاتي ويژه  براي جستجوي تكنيكها و روشهاي علمي و عملي كنترل شن و پايش مداوم شرايط آب و هوايي و بررسي دقيق تغييرات زيست محيطي منطقه