Forskere udpeger en lovende tilgang til at analysere atmosfæriske partikler fra rummet

En ny analyse har afsløret, at avancerede satellitbaserede instrumentkapaciteter er nødvendige for global overvågning af mikroskopiske partikler, eller aerosoler, i atmosfærens stratosfæriske lag. Aerosoler i stratosfæren - placeret over cirka 12 kilometer - stiger drastisk efter et vulkanudbrud, fører til ændringer i jordens klima og giver en kritisk mulighed for at teste videnskabelige modeller designet til at forudsige kort- og langsigtede klimavariationer.

Forskere fra NASA Goddard Institute for Space Studies i New York og National Academy of Sciences i Kiev, Ukraine, rapporter de nye resultater i tidsskriftet The Optical Society (OSA). Optik Express .

Når en vulkan går i udbrud, store mængder aske og svovlsyrepartikler kan dække hele planeten, blokerer meget af sollyset og forårsager midlertidigt global afkøling. Forskere undersøger nu, om denne dækkende effekt kan bruges til at modvirke global opvarmning ved at injicere menneskeskabte aerosoler i stratosfæren. Sådanne geoingeniørprojekter ville også kræve en måde at overvåge mængden og størrelsen af ​​kunstige partikler i stratosfæren og den deraf følgende klimaeffekt.

"Den globale natur af naturlige og menneskeskabte stratosfæriske aerosoler betyder, at et specialiseret instrument, der kredser om jorden, er nødvendigt for at opnå omfattende information om deres egenskaber og fordeling, " sagde Janna Dlugach, medlem af forskerholdet fra Ukraines Nationale Videnskabsakademi. "Denne information er kritisk for at teste klimamodeller og for at overvåge klimaeffekter fra potentielle geoingeniørprojekter og større vulkanudbrud, som kan påvirke hele befolkningens levebrød."

Overvågning af aerosoler fra rummet

I løbet af det næste årti planlægger NASA at udføre en specialiseret mission for at overvåge aerosoler og skyer på Jorden. Denne mission vil omfatte et instrument, der måler ikke kun lysstyrken af ​​sollys, der reflekteres af atmosfæren og Jordens overflade, men også lysets polarisering, som indeholder rig information om størrelsen, sammensætning og mængde af aerosolpartikler.

"De tekniske egenskaber ved dette fremtidige polarimeter er i øjeblikket genstand for aktiv debat i det videnskabelige samfund, sagde Michael Mishchenko, et medlem af forskerholdet fra NASA. "Vores papir bringer ind i denne diskussion nødvendigheden af ​​at overvåge ikke kun aerosoler i den lavere atmosfære, men også stratosfæriske aerosoler, der kan blive en stor del af klimasystemet i tilfælde af et større vulkanudbrud eller implementering af et massivt geoingeniørprogram."

Målinger af reflekteret sollys med orbitale instrumenter er normalt domineret af lyse vandskyer, landoverfladen og aerosoler fundet i troposfæren - det atmosfæriske lag nærmest jorden. "Dette er ikke problematisk, når stratosfæriske aerosoler er minimale og dermed uvigtige i forhold til troposfæriske aerosoler, " forklarede Dlugach. "Men, det bliver vigtigt at adskille lyset fra stratosfæriske aerosoler i tilfælde af vulkanudbrud eller geoingeniøraktiviteter."

Adskillelse af stratosfæriske aerosoler

I den nye undersøgelse, forskerne hævder, at ethvert fremtidigt aerosolovervågnings-orbitalinstrument bør give målinger inden for en smal spektral kanal centreret ved 1.378 mikrometer. "Ved denne bølgelængde kan vanddampen i troposfæren næsten fuldstændigt absorbere sollyset spredt af skyer, terrestriske overflader og troposfæriske aerosoler, " sagde Mishchenko. "Dette gør det muligt for os at udlede egenskaberne af stratosfæriske aerosoler adskilt fra troposfæriske aerosolers egenskaber."

Forskerne brugte simulerede målinger til at bestemme den bedste måde at måle stratosfæriske aerosoler på. De begyndte med at bruge en realistisk model af stratosfæriske aerosoler til at beregne den teoretiske lysstyrke og polarisering af sollys, som disse aerosoler ville reflektere ud i rummet. De tilføjede derefter målefejl, der efterligner dem, der findes i faktiske satellitdata. Med de resulterende oplysninger, de simulerede flere typer realistiske målinger for at bestemme, hvilke der giver tilstrækkelig information til at bestemme mængden, størrelse og sammensætning af stratosfæriske aerosoler.

"Vi fandt ud af, at måling af lysets lysstyrke alene ikke tillader slutningen af ​​stratosfæriske aerosoler, " sagde Dlugach. "Vores analyse tyder på, at fremtidige aerosolovervågningsrummissioner bør omfatte et instrument, der kan opnå præcise polariseringsmålinger af en terrestrisk scene fra flere vinkler ved bølgelængden på 1.378 mikrometer."

Den stærke vanddampabsorptionskanal er nødvendig for at udelukke lys, der kommer fra den nedre atmosfære og overflade, mens præcise polarisationsmålinger fra flere vinkler giver detaljerede oplysninger om stratosfæriske aerosoler.

Næste, forskerne planlægger at analysere mere udfordrende observationsforhold, som ville stille yderligere krav til instrumentdesignet. De ønsker også at afgøre, om en kombination af polarimetriske og lidar-observationer fra den samme orbitale platform ville være gavnlig under visse forhold.