Den arktiske atmosfære:Et samlingssted for støv?

Atmosfæren i det centrale Arktis er forurenet med fint støv fra Sibirien og Nordamerika. Dette var resultatet af en foreløbig evaluering af de første lidarmålinger foretaget af Leibniz Institute for Tropospheric Research (TROPOS) under den etårige MOSAiC-ekspedition ombord på RV Polarstern. For første gang, en multi-bølgelængde-lidar blev brugt under polarnatten i det centrale Arktis, som kan måle støvpartikler i op til 14 kilometers højde med laserpulser fra jorden.

De første data viser flere lag støv fra menneskelige kilder og skovbrande i højder på 5, 6 og 12 kilometer. Dataene er en indikation på, at den øvre atmosfære i regionen omkring Nordpolen er mere forurenet om vinteren end tidligere antaget. I de kommende måneder, den internationale MOSAiC -ekspedition ledet af Alfred Wegener Institute, Helmholtz Center for Polar- og Havforskning (AWI), vil levere data om klimaændringer i det centrale Arktis, som næsten ingen målinger er tilgængelige på grund af de ekstreme forhold ved polarnatten.

Den 4. oktober, forskningsfartøjet Polarstern nåede isflaget ved 85 ° Nord og 137 ° Øst, hvormed isbryderen og et omfattende måle netværk på isen har til hensigt at drive gennem det centrale Arktis på Nordpolen i et år. Med den officielle start på MOSAiC -ekspeditionen, OCEANET -containeren om bord på Polarstern begyndte også sit arbejde. "Sammen med containerne fra vores amerikanske og schweiziske partnere, vores container er placeret på fordækket til RV Polarstern. Jeg var i stand til at sætte vores laser i drift umiddelbart efter afslutningen af ​​lastningsarbejdet. Målet er at måle de suspenderede partikler i atmosfæren over skibet døgnet rundt i et år, "rapporterer Dr. Ronny Engelmann fra TROPOS, hvem der står for målingerne om bord under den første etape af rejsen, indtil han bliver udskiftet i december 2019.

Atmosfærisk forskning baner dermed nye veje:"Driften af ​​vores laserbaserede fjernmålingssystem PollyXT i det centrale Arktis er hidtil unikt. Aldrig før er atmosfæren i dette fjerntliggende område blevet undersøgt med en multi-bølgelængde lidar, der arbejder med lys af forskellige bølgelængder fra ultraviolet til infrarød. Kun med denne kombination er det muligt at bestemme forskellige suspenderede partikler, der kan stamme fra forskellige kilder, såsom skovbrande, vulkansk aske, menneskeskabt luftforurening eller havoverfladen "forklarer Dr. Albert Ansmann, leder af den jordbaserede fjernfølergruppe hos TROPOS.

I mere end 20 år har TROPOS har udviklet og drevet lidar -enheder til at undersøge egenskaberne af suspenderede partikler, kendt som aerosoler. Disse enheder scanner atmosfæren over jorden som en lysradar med laserlys og kaldes derfor lidars. Afhængig af partiklernes overflade og form, laserlyset reflekteres forskelligt. Hvis ikke kun transittiden og mængden af ​​det reflekterede lys måles, men også dens polarisering, så kan der drages konklusioner om partiklernes egenskaber. Teamet på RV Polarstern bruger den nyeste generation af det mobile lidarsystem PollyXT, som udsender laserpulser af ultraviolet (355 nanometer bølgelængde), grønt (532 nanometer bølgelængde) og infrarødt (1064 nanometer bølgelængde) lys. Den modtages på 13 kanaler og dækker således et bredt spektrum af lys op til det infrarøde område.

Da luftlagene på jorden er i Arktis særligt vigtige for atmosfærisk forskning, den var udstyret med en nærfeltskanal til indsamling af data fra 50m over skibet til 35 km højder. Ud over, den måler med to synsfelter for bedre at kunne opdage spredning af lys i skyer. Denne teknologi med dobbelt synsfelt, udviklet af TROPOS sammen med National Academy of Sciences of Belarus, gør det muligt at bestemme størrelsen og antallet af skyfald - en vigtig parameter for klimamodeller. På verdensplan er der i øjeblikket kun to enheder af denne type. "Den anden enhed er placeret i vores LACROS -container i Punta Arenas, Chile, hvor vi studerer atmosfæren nær Antarktis på sydspidsen af ​​Sydamerika sammen med Magellan University (UMAG) og University of Leipzig i DACAPO-PESO målekampagnen. På grund af den samme struktur, dataene fra begge polarområder kan let sammenlignes. Vi glæder os til resultaterne, «siger Ansmann.

MOSAiC anvender et stort antal state-of-the-art måleinstrumenter, der supplerer hinanden og tilsammen bør give et billede af det aktuelle klima i regionen omkring Nordpolen så fuldstændigt som muligt. "Polly-XT laserbaseret system giver et hidtil uset billede af den lodrette og tidsmæssige fordeling af aerosolpartikler i Arktis under en skyfri himmel. Allerede om morgenen den 5. oktober, den klarede op og tilbød laseren et uhindret udsyn til atmosfæren. Observationerne gav overraskende resultater:Atmosfæren på det fjerne sted omkring 1000 kilometer nord for Sibirien var stærkt forurenet med suspenderede partikler fra jorden til en højde på 12 kilometer. Denne forurening kan ikke komme fra lokale kilder, men kan kun nå høje breddegrader via fjerntransport, "rapporterer Dr. Holger Baars, der bidrager til dataevalueringen på TROPOS i Leipzig.

For at begrænse kilderne til luftforurening i Arktis, vejrmodelsimuleringer blev evalueret, og luftens oprindelse spores tilbage over 10 dage. "Ved hjælp af såkaldte bagudgående baner, vi kan bestemme, hvor luften målt over skibet kommer fra. Det blev vist, at luftmasserne fra det sydlige Rusland passerede gennem det sydlige Sibirien i udkanten af ​​de centralasiatiske ørkener via Kamchatka mod øst, inden de nåede Arktis via Alaska. Dette matcher aerosolen i skovbrande, industriel forurening og ørkenstøv, som vi ser i lidardataene. Og det passer til tesen om, at i polarvinteren fungerer Arktis som en stor hvirvel, der 'suger' luftforurening fra store dele af den nordlige halvkugle, "forklarer Martin Radenz fra TROPOS, der skabte luftmassesimuleringen.

Næppe nogen anden region på jorden har varmet så meget som Arktis i de seneste årtier. Siden 2016 har Transregio 172 "Arctic Climate Change" fra den tyske forskningsfond (DFG) under ledelse af universitetet i Leipzig har undersøgt skyernes rolle og de tilhørende processer i den arktiske atmosfære. Der var stærke forskelle i dannelsen af ​​is i skyer afhængigt af om skyerne når jorden eller ej. Faktisk, TROPOS -lidarmålingerne under MOSAiC -testkampagnen PASCAL i sommeren 2017 viste isdannelse ved overraskende varme temperaturer.

"Det faktum, at vi finder de varmeste isskyer i Arktis i første omgang virker paradoksalt, men kan måske forklares ved et unikt samspil mellem temperatur, fugtighed og aerosol af biologisk oprindelse, "siger prof. Andreas Macke, Direktør for TROPOS og chefforsker for PASCAL -ekspeditionen. Spørgsmål til skydannelse er fokus for de aktuelle undersøgelser for at finde ud af, hvordan iskernende partikler (INP'er) påvirker skydannelsen i Arktis, og hvordan disse igen påvirker den observerede opvarmning.

MOSAiC står for "Multidisciplinary drifting Observatory for the Study of Arctic Climate". MOSAiC omfatter også omkring to dusin forskere fra Leipzig. Både Leibniz Institute for Tropospheric Research (TROPOS) og University of Leipzig er på vej i Arktis med detaljerede instrumenter. MOSAiC -ekspeditionen ledet af Alfred Wegener Institute, Helmholtz Center for Polar- og Havforskning (AWI), er forbundet med hidtil usete udfordringer.

MOSAiC har et budget på omkring 140 millioner euro. I løbet af året, omkring 300 forskere fra 20 lande vil være om bord. Sammen, de vil for første gang udforske hele klimasystemet i det centrale arktiske område. De vil indsamle data i de fem underområder af atmosfæren, havis, ocean, økosystem og biogeokemi for at forstå de interaktioner, der former det arktiske klima og livet i Ishavet.