Den uudforskede region af atmosfæren, der kunne hjælpe med at forudsige klimaændringer

Omkring 17 kilometer over jordens overflade, det første lag af atmosfæren møder det andet. Ved en grænse kaldet tropopausen, troposfæren slutter og stratosfæren begynder. På tværs af denne grænseflade, omkring fem kilometer på hver side, er et band af atmosfæren mærket, sagligt, "øvre troposfære/nedre stratosfære" - UTLS.

Denne kølige skive støv og gasser får ikke meget tryk. Men de materialer, der hvirvler rundt i den, påvirker kraftigt det klima, vi oplever på Jorden, og gode data om, hvad der foregår i UTLS, vil drive meget mere præcise modeller af, hvordan vi kan forvente, at klimaet ændrer sig, og når. Indtil nu, imidlertid, vi ved meget lidt.

"Det er bogstaveligt talt, hvor svært det end er at tro, et uudforsket område i atmosfæren, " sagde Scott Bailey, en professor i Bradley Department of Electrical and Computer Engineering. "Og det er afgørende for forudsigelse af klimaændringer."

At tøjle klimaændringer er blevet en central søjle i Biden-administrationens tilgang til økonomisk og offentlig politik; initiativer til ren energi, emissionsgrænser, og andre klimafokuserede bestemmelser tegner sig for milliarder i udgifter i lovforslag, der i øjeblikket arbejder sig vej gennem Kongressen.

Effektive afbødninger kræver nøjagtige forudsigelser, forklarede Bailey, som også er direktør for Space@VT, universitetets center for rumvidenskab og ingeniørforskning.

"Forestil dig, at du er borgmester i en stor kystby, " sagde han. "Du ved, at i løbet af de næste 50 år vil havniveauet stige og forårsage oversvømmelser, så hvad laver du? Har du brug for at styrke strandene? Har du brug for at opdatere byggereglerne for at forberede dig på hårdere storme? Har du brug for at begynde bogstaveligt talt at flytte byen ind i landet? Og når? Er det et 20-års problem eller et 40-års problem? Du vil have disse spørgsmål til hver by på kysten, over hele landet."

Den grundlæggende fortælling om klimaændringer er, at drivhusgasser fanger varme, hæve temperaturen og køre ekstreme vejrbegivenheder.

"Men der er meget mere i historien, " sagde Bailey, forklarer, at menneskelig aktivitet faktisk bidrager til to konkurrerende processer. Opvarmning er en af ​​dem, men den anden, mindre intuitivt, er afkølende:Aerosoler suspenderet i atmosfæren fungerer som et varmeskjold, at sprede indkommende sollys tilbage ud i rummet og dæmpe temperaturerne. (Dette var det fænomen, der førte til den tilsyneladende pause i den globale opvarmning i 2010'erne.)

Mange af disse aerosoler er menneskeskabte på den ene eller anden måde, og UTLS, hvor temperaturen og lufttrykket skaber behagelige betingelser for, at de kan akkumulere, det er her meget af dramaet udspiller sig. Forskere ved, hvad nogle af disse forbindelser er, men meget lidt om deres relative overflod, eller hvordan de ændrer sig med tiden. Bailey, med et hårdtslående team af samarbejdspartnere på forskningsinstitutioner over hele landet, har kortlagt en plan, der endelig kunne kaste lidt lys over denne mystiske region i atmosfæren.

Deres forslag indeholder en flåde på seks små satellitter, hver på størrelse med en picnickøler, der ville kredse ikke inden for UTLS, men hundredvis af kilometer over den.

Det teknologiske hjerte i projektet er satellitternes last. Hver enkelt vil bære unikke sensorer, udtænkt af det Newport News-baserede firma GATS Inc. og udviklet ved Naval Research Laboratory's Remote Sensing Division, der måler, hvor meget af solens lys der absorberes ved præcise bølgelængder. To gange hver bane, når hver satellit vil være i den helt rigtige position til at kigge ned gennem UTLS mod solen, sensorerne vil fange sollys filtreret gennem UTLS aerosoler. De resulterende absorptionsmønstre vil fungere som kemiske fingeraftryk, som teamet kan bruge til at identificere komponenterne i disse aerosoler og spore, hvordan de ændrer sig med tiden - med større opløsning og præcision, end der har været tilgængelig før.

"Det unikke ved dette instrument er, at det kan trække atmosfæriske egenskaber ud i virkelig smalle højdeintervaller, "Sagde Bailey.

De fleste atmosfæriske sensorer kan bestemme højden af ​​det, de måler til inden for fem kilometer eller deromkring. I UTLS, kun 10 kilometer tyk, denne opløsning er praktisk talt ubrugelig. De sensorer, Baileys team vil bruge, kan lokalisere højden inden for mindre end en kilometer - nok til endelig at begynde at identificere, hvor disse forbindelser kom fra, og hvordan de rejser.

De aerosoler, der flyder i UTLS, stammer fra Jorden. De kommer fra havsalt, biologisk materiale, fjer af skovbrandaske, smog bøvset fra fabrikkens skorstene, og vulkansk støv, kværnet opad i atmosfæren af ​​storme og luftstrømme og anden turbulens.

En vis mængde af disse aerosoler vil naturligt filtrere ind i UTLS. Men menneskelig aktivitet har pumpet nok ind i atmosfæren til at fjerne balancen mellem varme, der kommer ind og ud.

"Vi forstyrrer atmosfæren på måder, vi ikke kan forudsige, og ser ændringer, som vi kæmper for at forstå, " sagde Bailey. "Hvis du en dag ser forurening genereret af en naturbrand, for eksempel, du ønsker at spore dens bevægelse over tid. Du skal have en detaljeret profil for at gøre det, og det er, hvad dette instrument kan."

Holdet udviklede en fungerende prototype af instrumentet med et tilskud på $4 millioner fra NASA i 2017. Nu, de ansøger om den meget heftigere tilførsel af finansiering, det vil tage at bygge den virkelige version og sende den ud i rummet.

Hvis de lykkes, de data, der strømmer tilbage fra disse satellitter, vil hjælpe med at forbinde prikkerne mellem menneskelig adfærd og ændringer i klimaet, udfylde manglende dele af billedet, vi skal bruge for at bygge robuste klimamodeller.

"Hvor meget det kommer til at varme til hvornår er afgørende, og der er stadig store fejlbjælker på, når vi kommer til at ramme bestemte temperaturer, " sagde Bailey. "Vi kommer ikke dertil uden denne mission. Dette er ikke et lille skridt fremad - det er et stort skridt fremad."