W ramach współpracy naukowej profesora Szymona Malinowskiego z Zakładu Fizyki Atmosfery IGF FUW z profesorem Raymondem Shaw z Michigan Technological University w Houghton w Stanach Zjednoczonych, kierującym programem Atmospheric Sciences Ph.D. Program, nasz doktorant Robert Grosz odbył dwa staże badawcze w Michigan Tech, gdzie brał czynny udział w eksperymentach z wykorzystaniem unikalnej komory chmurowej Pi Chamber. W okresach wrzesień-grudzień 2022 oraz maj-sierpień 2023 Robert był członkiem grupy profesora Shaw w laboratorium The Cloud Physics Lab, a przeprowadzone w ramach stażów badania stanowią bardzo istotną część jego doktoratu.

Zainteresowania naukowe profesora Shaw, podobnie jak profesora Malinowskiego, ogniskują się wokół fizyki atmosfery ziemskiej, z naciskiem na zjawiska zachodzące w chmurach i narzędzia eksperymentalne do ich badania. Prowadzona przez Raymonda Shaw grupa z The Cloud Physics Lab interesuje się m.in. badaniem wpływu turbulencji na wzrost cząstek chmurowych (kropelek i/lub kryształków lodu) poprzez kondensację i zderzenia oraz na zrozumieniu procesu zamarzania. W procesie tym kropelki chmurowe w obecności tzw. jąder krystalizacji zamarzają i tworzą kryształki lodu. W tym celu na Michigan Tech wybudowano specjalną komorę Pi Chamber, gdzie grupa prof. Shaw może prowadzić unikalne badania procesów chmurowych w kontrolowanych warunkach laboratoryjnych. W swoim dorobku naukowym prof. Shaw i członkowie jego grupy mają również prace nad modelowaniem i analizami teoretycznymi procesów chmurowych, różnymi aspektami wpływu aerozolu na zjawiska atmosferyczne, a także badania metodami spektroskopii laserowej. Ich doświadczenie obejmuje również badania w swobodnej atmosferze, co pokazują m.in. wspólne publikacje prof. Shaw i prof. Malinowskiego z poprzednich kampanii pomiarowych.

Prawdziwe chmury są efemeryczne, ciągle ewoluują i nie są łatwo dostępne dla naukowców, chcących dowiedzieć się więcej o ich wewnętrznym funkcjonowaniu. Dlatego jednym ze sposobów ich badania jest tworzenie chmur w laboratoriach. Komora chmurowa  Pi Chamber pozwala generować chmury w niemal każdych warunkach termodynamicznych, które mogą występować w dolnej warstwie ziemskiej atmosfery, czyli w troposferze. Co więcej, są to warunki powtarzalne i w pełni kontrolowane, co pozwala na wieloaspektową analizę tych samych zjawisk, stosując zaawansowaną aparaturę laboratoryjną, której nie można wykorzystać w pomiarach lotniczych. Pi Chamber jest jednocześnie idealnym środowiskiem do testowania hipotez stawianych przez naukowców, zajmujących się teoretycznym aspektem fizyki atmosfery. Każda ze ścian ma podsystemy, które pozwalają kontrolować jej temperaturę a liczne wejścia wewnątrz komory pozwalają na bardzo dużą ilość wariantów pomiarów, co często jest wykorzystywane. Komora Pi Chamber nawiązuje w swojej nazwie do liczby Pi, w związku z wymiarami jej objętości pomiarowej, która wynosi ok. 3.14 m3, uwzględniając wysuwany cylinder o średnicy 2 m i wysokości 1 m. Tak się również złożyło, że została dostarczona do Michigan Tech 14 marca, czyli w Dzień Liczby Pi, który jest obchodzony głównie w amerykańskich kręgach akademickich i szkolnych. Komora została zaprojektowana i zbudowana we współpracy z Russells Technical Products w Holland w stanie Michigan.

Badania prowadzone przez Roberta w komorze Pi Chamber dotyczyły w szczególności drobnoskalowych pomiarów temperatury przy użyciu jednego z naszych ultraszybkich termometrów UFT. Zadanie naszego doktoranta polegało na tym, aby przy pomocy termometru wykonać skany poziome i pionowe wewnątrz komory, w różnych warunkach termodynamicznych, tzn. z aerozolem i bez aerozolu, z kropelkami chmurowymi i bez kropelek chmurowych oraz przy różnych gradientach temperatury w komorze. Przez skany należy rozumieć systematyczne zmiany położenie sensora względem komory w zadanym zakresie położenia.

Z przeprowadzonych badań udało się zebrać pokaźny zestaw danych, w czym pomogły również równoległe pomiary grupy badawczej z University of Notre Dame ze stanu Indiana, które koncentrowały się na badaniach grawitacyjnego osiadania aerozolu, a dokładniej drobinek szkła, przy różnych gradientach temperatury wewnątrz komory. Robert wspierał również zespół profesora Shaw przy kalibracji i wstępnych pomiarach nowego systemu Particle Tracking Velocimetry (PTV). System został zakupiony w maju 2022 i powierzony opiece Roberta na czas jego pobytu Michigan Tech. Udało mu się skalibrować system i nauczyć powtarzalności tej czynności, zamontować go w komorze chmurowej oraz przeprowadzić wstępne pomiary z kropelkami.

Konsultacja naukowa:
mgr Robert Grosz
prof. dr hab. Szymon Malinowski

Linki:
https://en.wikipedia.org/wiki/Particle_tracking_velocimetry 
https://www.mtu.edu/physics/department/faculty/shaw/  
https://phy.sites.mtu.edu/cloudchamber/  
https://phy.sites.mtu.edu/shaw/  
https://efmlab.nd.edu/research/