Skyer med mulighed for opvarmning

Forskere fra Argonnes Environmental Science-afdeling deltog i en af ​​de største samarbejdskampagner for atmosfærisk måling i Antarktis i de seneste årtier.

Den 13. maj 1887, tidsskriftet Videnskab udgav en kort historie om Antarktis udforskning, hvori den skitserede videnskabelige resultater hidtil og udtrykte et håb om, at ny udforskning snart ville blive foretaget. Artiklen viser, at i slutningen af ​​det 19. århundrede, videnskabsmænd forstod allerede vigtigheden af ​​regionens geografi på meteorologi og regulering af havstrømme.

"... de meteorologiske fænomener på den sydlige halvkugle afhænger af fænomenerne i den antarktiske region, og vores viden om jordens meteorologi vil være ufuldstændig, indtil sådanne fænomener i det sydlige polarområde er grundigt studeret."

Mens håbet om yderligere udforskning af Antarktis er blevet til virkelighed, en sådan udforskning er kommet med anfald og starter, til dels på grund af den enorme investering i tid og penge, der kræves til at transportere, installere og vedligeholde delikat instrumentering og et lille væld af videnskabsmænd. Den primære årsag, måske, er det, atmosfærisk forskningsingeniør Maria Cadeddu delikat omtaler som regionens "prohibitive forhold."

Det er et hårdt sted.

I 2015 Cadeddu og kolleger fra U.S. Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory deltog i en samarbejdskampagne for atmosfærisk måling for at forstå virkningen af ​​regionale og store begivenheder på Antarktis opvarmning. Holdet bestod af en række akademiske institutioner og nationale laboratorier, inklusive Argonne, Los Alamos og Brookhaven. Forskningen fokuserede på de mikro- og makrofysiske egenskaber af antarktiske skyer, som den gennemsnitlige størrelse af dråber eller den samlede mængde væske eller is indeholdt i en sky. Målet var at bestemme mængden af ​​stråling skyerne vil transmittere baseret på sådanne parametre.

Baseret på McMurdo Station og på West Antarctic Ice Sheet (WAIS), kampagnen var en del af DOE Atmospheric Radiation Measurement (ARM) West Antarctic Radiation Experiment (AWARE), ledet af Principal Investigator Dan Lubin fra Scripps Institution of Oceanography. Den etårige undersøgelse implementerede den største samling af instrumentering til jordbaserede Antarktis atmosfæriske målinger siden 1957, og detaljer fra denne undersøgelse dukker op i en række videnskabelige tidsskrifter, herunder Nature Communications og Journal of Geophysical Research:Atmospheres.

"Hele idéen var at forsøge at finde ud af, hvordan atmosfærisk dynamik, som luftmasser, der kommer fra havet, for eksempel, kan påvirke skyegenskaber og hvordan ændringer i skyegenskaber påvirker energibalancen i regionen, " sagde Cadeddu, der arbejder i Argonnes Environmental Science division. "Og at forstå, hvordan skyer påvirker et system, kan hjælpe med fremtidige klimafremskrivninger."

Antarktis er en vigtig region for klimamodeller, hun bemærkede, men modeller er afhængige af data, jo mere præcis jo bedre. Til dato, Antarktiske klimamodeller har været mindre end nøjagtige, fordi videnskaben mangler kvantitative observationer af regionen; de observationer, der er tilgængelige, kommer fra satellitter, som har problemer på meget høje og lave breddegrader. Men givet den tid og den instrumentering, som AWARE leverer, forskere er begyndt at udfylde mange manglende brikker i Antarktis overordnede klimapuslespil.

Hjemme, hvor temperaturen er mindre kold, Cadeddu er en del af Argonne sky- og strålingsforskningsteamet, der inkluderer Virendra Ghate, en radarmeteorolog, og Donna Holdridge, ARM-mentoren for de radioklingende systemer. Sky- og strålingsforskerholdet bidrog med deres ekspertise inden for fjernmålingsudstyr, inklusive LiDAR (lysdetektion og afstandsmåling) og radarenheder, kortbølgespektrometre og mikrobølgeradiometre til måling af stråling, og radiosonder (ballonforhøjede apparater, der måler øvre atmosfæriske forhold).

Fordi fjernsensorer transmitterer rå data, forskere skal behandle og fortolke informationen for at opnå direkte målinger eller fysiske størrelser. For eksempel, signaler sendt fra LiDAR og radarenheder vender tilbage som spredte signaler, der korrelerer med skyændrende mekanismer som stråling.

"Disse sensorer bruger viden om, hvordan stråling forplanter sig gennem et medium, samt hvordan sky- og regndråber interagerer med stråling. Når vi undersøger disse signaler, vi kan estimere specifikke skyegenskaber, såsom partikelstørrelser eller mængden af ​​damp, flydende vand eller is, de indeholder, " forklarede Cadeddu.

Skyfaser er relevante for strålingsegenskaber, eller hvor meget stråling skyerne transmitterer, absorbere eller sprede. Argonne-forskere brugte denne information, delvis, at forstå forskelle mellem skyforhold i Arktis og Antarktis og deres effekt på regionalt klima.

Blandt de største forskelle, Antarktis udviser meget mindre menneskeskabt forurening end Arktis. Selvom dette giver mere uberørte forhold til at studere skyer, de lavere forureningsniveauer påvirker også mængden af ​​flydende vand i skyer ved meget lave temperaturer.

Modeller omdanner al væsken til is, når skyerne når temperaturer nær -20 grader C. Men holdet fandt ud af, at væskelaget vedvarer i temperaturer så lave som -35 grader C i skyerne over McMurdo. Selv små mængder væske kan have en opvarmende effekt på overfladen af ​​Arktis, så holdet forsøger at bestemme, hvilke klimarelaterede effekter disse væskemættede skyer kan have i syd.

AWARE-kampagnen skabte overskrifter i 2016, da videnskabsmænd, der udførte målinger langs den vestantarktiske iskappe, fangede en af ​​de største overfladesmeltningshændelser nogensinde. Traditionelt, overfladesmeltningshændelser ved indlandsisen tilskrives varmt havvand under ishylderne ved kysten, men omfattende observationer viste eksterne faktorer på arbejdet, såvel. Forskere tilskriver noget af smeltningen til en stærk El Niño-begivenhed kombineret med regionale forhold, hvoraf nogle var relateret tilbage til væskeførende skyer.

"Skyer udøver en vigtig indflydelse på balancen mellem indgående og udgående energi ved overfladen, og disse lavniveau optisk tynde skyer kan have en afgørende rolle i enten at forårsage eller forlænge smelteforhold over iskapper, " sagde Cadeddu.

Skykarakteristika har muligvis ikke været en del af den større overvejelse af "meteorologiske fænomener på den sydlige halvkugle", når Videnskab artiklen udkom i 1887. Uanset faktorerne, forfatteren gjorde det klart, at videnskaben i det 19. århundrede kiggede på en større, mere fremsynet billede, der gav plads til skyernes potentielle rolle, da de skrev følgende:

"... Disse problemers vigtige betydning for praktiske spørgsmål kan ikke overvurderes. Sømanden kan ikke undvære viden om strømmene, vinde, og magnetiske elementer, og der er næppe en klasse af mennesker, der ikke vil få gavn af meteorologiens fremskridt."

Forskningsartikler brugt til denne artikel inkluderer, "Antarktisk sky makrofysisk, termodynamisk fase, og atmosfæriske inversionskoblingsegenskaber ved McMurdo Station. Del I:Primær databehandling og klimatologi, " og "Cloud optiske egenskaber over Vestantarktis fra kortbølgespektroradiometermålinger under AWARE, "i Journal of Geophysical Research:Atmosfærer , 22. maj, 2018, og 3. september 2018, henholdsvis; og "Januar 2016 omfattende sommerafsmeltning i Vestantarktis favoriseret af stærke El Niño, "ind Naturkommunikation , 15. juni, 2017.