Når en plet påvirker en storm

U.S. Naval Research Laboratory-meteorolog Jeffrey Reid er på forkant med forskning, der studerer aerosolpartiklernes rolle, og forholdet mellem partiklerne med monsunmeteorologi, skyer og solens stråling.

Aerosolpartikler, der flyder gennem miljøet, rummer store mysterier for videnskabsmænd globalt. Partiklerne varierer i størrelse fra bundter af molekyler (10nm) til et sandkorn, og er i stand til at surfe gennem luften i tusindvis af miles. Små og tilsyneladende ubetydelige i sig selv, partiklerne rejser som livløse sværme, at påvirke jordens vejr og klima på måder, som forskerne endnu ikke helt forstår.

Reid tjente som missionsforsker for den internationale feltkampagne, Skyen, Aerosol and Monsoon Processes Philippines Experiment (CAMP2Ex), den største luftbårne feltkampagne til dato i det maritime Sydøstasien. Den NASA-initierede kampagne undersøgte tropisk vejr og aerosoler i den sydøstasiatiske region sidste år fra august til oktober.

Som missionsforsker, Reid var ansvarlig for at styre den daglige drift af videnskabs- og flyveholdene. Hans indsats sikrede, at holdet på mere end 150 forskere effektivt og sikkert indsamlede data på trods af ekstreme vejrforhold og udfordrende geofysiske træk.

CAMP2Ex var et partnerskab med NASA, NRL, Manila-observatoriet, den filippinske atmosfære, Administration af geofysiske og astronomiske tjenester (PAGASA), og forskellige akademiske organisationer. Forskere i kampagnen forsøgte at indsamle data for at besvare tre nøglespørgsmål:

• Påvirker aerosolpartikler vejr og nedbør i tropiske miljøer?
• Går disse påvirkninger tilbage til aerosolens livscyklus?
• Hvordan påvirker aerosolen og skyen regionens strålingsenergibudget?

Filippinske videnskabsmænd var især interesserede i konsekvenserne af monsunmeteorologi på regional hydrologi, oceanografi og luftkvalitet.

Med sine unikke geologiske egenskaber og årlige ekstreme vejrforhold, det filippinske øhav er et ideelt sted for videnskabsmænd at udføre denne forskning. Sidder over Stillehavstyfonbæltet, 20 til 21 cyklonstorme påvirker Filippinerne årligt, og fem til seks af disse storme rammer typisk rækken af ​​øer. Disse storme har ødelæggende lokale konsekvenser, men er også en integreret del af meteorologien i Det Indiske Ocean gennem Stillehavet.

"At være i stand til at forudsige [større vejrbegivenheder] med større nøjagtighed og leveringstid har indlysende fordele, ikke mindst at holde folk i sikkerhed, " sagde Hal Maring, NASA CAMP2Ex-programforsker.

"Vi ønsker at få en bedre forståelse af, hvordan aerosolpartikler produceret af biomasse påvirker jordens strålingsbudget direkte og indirekte, og hvordan de interagerer med skyer i forhold til nedbør, " sagde han. "Hvis vi skal lave klimaforudsigelser med større troskab, disse processer skal forstås."

Deres forskning har internationale implikationer for vejrudsigter. Ifølge Reid, oplysningerne indsamlet fra Filippinerne kunne bruges til at udvikle modeller til at forudsige store vejrbegivenheder rundt om i verden, inklusive dem i USA. Denne kapacitet ville vise sig at være værdifuld for flåden, som opretholder en konstant fremadrettet tilstedeværelse.

De hydrologiske og aerosol-cyklusser:hvordan en plet skaber en storm

Det hydrologiske kredsløb, mere almindeligt kendt som "vandets kredsløb" er en kontinuerlig proces med fordampning og nedbør. Ifølge Reid, aerosolpartikler er en vigtig del af denne cyklus, fordi de tjener som kerner til dannelse af skydråber.

Aerosoler fremstilles på forskellige måder. Nogle er menneskeskabt forurening, såsom biludstødning, biomasseafbrænding og industrielle emissioner. Andre forekommer naturligt, som dem, der består af støv fra Sahara eller salt fra havet.

Hver skydråbe har en luftbåren partikel i sin kerne, ifølge Reid. Det betyder, at når antallet af forureningspartikler i atmosfæren ændrer sig, det samme gør antallet af skydråber – såvel som deres strålingsegenskaber, hvor længe holder de, og, ultimativt, nedbør.

"Kemiske reaktioner sker i disse skydråber, " sagde han. "Så feedbacken mellem emissioner, fotokemi, [påvirker] hvordan skyer ændres, og hvordan skyerne ændrer disse aerosolpartikler, er komplekst. Vi kender nogenlunde generelle typer af forhold, men vi kender ikke detaljerne."

"Nogle partikler bliver regnet ud, og nogle bliver dumpet uden for skyen. Så er de endnu større og mere effektive til at lave større skydråber, og det bliver genbrugt tilbage i skyerne. I nogle tilfælde hæmmer partikler nedbør. I andre kan de forstærke storme"

Internationalt samarbejde for et skridt fremad i at forudsige ekstreme vejrbegivenheder

En forskningskampagne af denne størrelsesorden krævede omfattende koordinering mellem den amerikanske og filippinske regering og dens offentlighed, privat, og akademiske organisationer. Under kampagnen, et af Reids fokus var at opbygge samarbejde mellem forskerne og deres filippinske modparter.

I året op til kampagnen Reid og hans meteorologi og oceanografi (METOC) prognosehold arbejdede sammen med prognose- og flyveholdene for at øve sig i at lave prognoser til flyplanlægning. Da kampagnen startede, teammedlemmer havde erfaring med at producere prognoser og flyveplaner ved hjælp af faktiske meteorologiske data fra Filippinernes nærhed.

"[Prognoserne] gav os legitime prototypeplaner, som vi kunne dele med Filippinerne for at gøre det lettere at få diplomatisk godkendelse samt base- og overflyvningstilladelse, " sagde Maring.

Under kampagnen, Reid, Maring og medlemmer af METOC og flyvehold mødtes tidligt om morgenen for at bestemme de bedste steder at flyve NASAs P-3 Orion og SPEC Learjet til dataindsamling. Forberedelse til videnskabsflyvninger tog timer.

"Jordpersonalet forberedte flyet, og vi ville dobbelt- og tredoble meteorologien, og triple-tjek flyveplanerne, " sagde Maring. "Nogle af instrumenterne tog timer at varme op."

Ifølge Marring, deres filippinske kolleger ledede luftkvalitetsdelen af ​​undersøgelsen, at bruge instrumenterne på P-3 til at karakterisere luftkvaliteten, herunder suspenderede partikler.

"Vi var i stand til at få en flyvning dedikeret udelukkende til at indsamle luftkvalitetsdata i og omkring Manilla Megaplex, som omfattede måling af op- og nedvind, " sagde Maring. "Vi var i stand til at foretage målinger fra nær overfladen, (ca.) 350 fod til over 20, 000 fod."

Missionsforholdene var perfekte til denne form for undersøgelse, ifølge Reid, leverer det brede udvalg af miljøer, som videnskabsholdet ledte efter. Forskere observerede massive røgfaner fra Borneo med megacity-forurening sammen med uberørte luftmasser og udviklende tropiske cykloner.

I mellemtiden forskere fra Office of Naval Research indsamlede også klimadata fra deres Sally Ride-forskningsfartøj ud for Filippinernes kyst. I de sidste fem år har ONR og deres samarbejdspartnere overvåget, hvordan regionalt vejr påvirker vejret over hele kloden som en del af programmet Propagation of Intra-Seasonal Tropical Oscillation (PISTON).

"Sydøstasien er en kogende gryde til fordampning og konvektion, " sagde Reid. "Vanddamp kommer ind i atmosfæren i Sydøstasien og kan i sidste ende arbejde sig vej til USA. Vi kan videregive de indsamlede oplysninger her til en mission som PISTON, der tager dataene og ser på langdistancetransport og vejr over hele Stillehavet. På samme tid, PISTON observation og modellering indsats understøtter CAMP2Ex analysen. Ultimativt, videnskaben om begge missioner er tæt forbundet."

Forskere, imidlertid, bliver nødt til at vente på resultaterne.

"Regionen er så kompliceret, at vi vil analysere dataene i mindst yderligere fem år, " sagde Reid. "I sidste ende tror vi, at disse data vil bestå tidens prøve."