Gør forurening tordenvejr mere alvorlig?

Et team af atmosfæriske forskere fra hele landet sænker sig mod Houston, Texas, område i de næste 14 måneder for at søge svar på et irriterende spørgsmål:Lav små prikker af sod, støv, røg, og andre partikler suspenderet i Jordens atmosfære hjælper med at bestemme sværhedsgraden af ​​tordenvejr? Den opnåede viden kan gøre vejrudsigter mere nøjagtige og give vigtige data til forbedring af forudsigelser om, hvordan aerosoler kan påvirke Jordens fremtidige klima.

Houston -udsendelsen vil også give detaljerede data om lokal luftkvalitet. Som et omfattende feltstudie i et hovedstadsområde, det vil give forskere en enestående mulighed for at undersøge virkningerne af industrien, køretøjsemissioner, og det byggede miljø om vejr og klima.

"Vi vil gerne vide, hvordan aerosoler, de små partikler, som vand kondenserer på for at danne skydråber, påvirke fysikken i dybe konvektive skyer - den slags, der ofte pakker lyn og hælder regn - og derefter hvordan de samme vejrforhold påvirker de lokale aerosolkarakteristika og bykvalitet, "sagde Michael Jensen, en meteorolog ved US Department of Energy's (DOE) Brookhaven National Laboratory og hovedforsker for TRACER -feltekampagnen. TRACER er en forkortelse for TRacking Aerosol Convection interactions ExpeRiment, en undersøgelse udført af DOE's brugerfacilitet for atmosfærisk stråling (ARM).

Arbejder i tæt samarbejde med forskere ved University of Houston, TRACER -forskere fra Brookhaven, Los Alamos nationale laboratorium, og andre institutioner vil indsamle data om aerosoler og atmosfæriske egenskaber i et helt år. Teamet vil implementere en række instrumenter, der leveres og drives af ARM på fire steder lige uden for byen. I en intensiv studieperiode fra juni til september 2022, yderligere partnere fra National Science Foundation, NASA, Texas Commission on Environmental Quality, og andre agenturer vil slutte sig til teamet for at nå toppen af ​​Houstons sommerstormsæson.

Med et fugtigt subtropisk klima, mange isolerede konvektive storme, og en række industrielle og naturlige aerosolkilder, Houston er det perfekte sted for undersøgelsen.

"Vi er et kystmiljø, så det er særligt udfordrende at forudsige vejret, "sagde James Flynn, forskningslektor ved University of Houston Department of Earth and Atmospheric Sciences i College of Natural Sciences and Mathematics. "Vi har mange tordenvejr; vi har forurening og nogle naturlige kilder til fine partikler."

Eksempler omfatter støv, havsalt, partikler udsendt af dieselmotorer, sod fra forbrændingsprocesser på kraftværker og raffinaderier, masser af bytrafik i byerne, og endda røg fra naturbrande i Californien og Colorado.

Nogle undersøgelser tyder på, at sådanne aerosoler kan ændre skyernes livscyklus, forsinker begyndelsen af ​​nedbør. Hvis det sker, som skyer vokser, vanddråber kan blive større. "Og når de falder, det er en gulvskive, "Sagde Flynn.

TRACER -data vil forbedre forståelsen af ​​disse processer - og vores evne til at forudsige, hvornår fejlene vil forekomme.

ARM -implementering

ARM -instrumenterne, placeret i 10 mobile transportcontainere, er samlet kendt som "den første ARM Mobile Facility, "eller AMF1. Mange af disse instrumenter, herunder et aerosolobservationssystem udstyret på Brookhaven Lab, har rejst til steder rundt om i verden fra Arktis til troperne for at indsamle atmosfæriske data.

"Dette er den første implementering af ARM Mobile Facility i et urbane kystmiljø, "sagde Sally McFarlane, DOE -programleder for ARM. "Den varme, fugtig luft fra Den Mexicanske Golf hjælper med at drive dannelsen af ​​en masse isolerede, moderat stærke storme - dem der sandsynligvis er modne til at blive påvirket af aerosoler. Disse kystforhold og Houstons blanding af industrielle og naturlige aerosolkilder gør området til et ideelt laboratorium til undersøgelse af aerosol-sky-interaktioner. "

Et ARM -team opsætter containerne, hvert husstativer med instrumenter og indsugningsventiler, nær Galveston Bay - et område med masser af industri, raffinaderier, og transport. Flere af containerne er også udstyret med sofistikerede radarer (som bruger radiobølger) og lidars (der bruger laserlyspulser) til at måle højden, dybde, og mængden af ​​vand i skyer - blandt andre vigtige variabler. Yderligere meteorologiske instrumenter vil fungere i et tilstødende instrumentfelt. Tilsammen vil disse værktøjer spore skyegenskaber; størrelsen, nummer, og kemisk sammensætning af aerosoler; nedbør; og variabler som temperatur og fugtighed, der påvirker atmosfærens stabilitet.

Prøvetagning i hele atmosfæren

I løbet af året, ARM-teamet vil også lancere mere end tusind vejrballoner med yderligere batteridrevne sensorer, kaldet radiosondes, højt. Ballonerne vil rejse gennem og over skyerne, til en højde på op til 17 kilometer (næsten 56, 000 fod) - ofte når det til stratosfæren - sender yderligere data om temperatur, fugtighed, tryk, og snor sig tilbage til forskningsstationen herunder.

Nogle ballonbårne instrumenter vil også måle koncentrationen af ​​ozon gennem dybden af ​​atmosfæren.

"Vi vil bruge disse ozonmålinger til at lære om luftkvalitet, og hvordan tordenvejr omfordeler luft mellem overfladen og højt oppe, "Sagde Flynn. Ozonoverflade genereres, når kemikalier, der udsendes som en del af bilens udstødning og industrielle processer, reagerer med sollys. Så, når storme transporterer luft fra overfladen opad gennem atmosfæren, forurenende stof kan fungere som et sporstof for TRACER.

Jord, hav, atmosfæriske interaktioner

I den intensive studieperiode næste sommer, forskere fra TRACER og partnerbureauer vil også implementere ekstra udstyr i nærheden af ​​byen Guy, Texas, sydvest for byen. To bundne ballonsystemer, en på stedet i Guy og en ved Smith Point på østsiden af ​​Galveston Bay, vil bære instrumenter til måling af vind, små aerosolpartikler, og ozon i de laveste lag af atmosfæren. Målingerne på kysten af ​​Galveston Bay giver vigtige oplysninger om, hvordan bugten påvirker den lokale atmosfæriske cirkulation.

I mellemtiden, instrumenterne i Guy vil indsamle data i en mere landlig beliggenhed.

"Vi forventer at se lavere aerosolkoncentrationer, så dette sted vil tjene som en kontrast til AMF1 -stedet og muliggøre sammenligning af skyen og nedbørskarakteristika under disse meget forskellige forhold, "Sagde McFarlane.

Mellem de to vigtigste landområder, en scannende ARM nedbørsradar i Pearland vil spore skyernes egenskaber.

"Denne radar indsamler data om skyens egenskaber, herunder hastigheden af ​​lodrette opgraderinger, der påvirker, hvor hurtigt skyer vokser, danne is, og producere regn og lyn. Det vil fungere i hele studieperioden, "Sagde Jensen.

Derefter, i den intensive studieperiode, ved hjælp af unikke observationsteknikker, radaren vil kunne se på finere detaljer i skyerne - herunder størrelsen og formen på skydråberne, og om de er is eller flydende. "Det vil være i stand til at se på atmosfæren over hvert sted, da de oplever forskellige aerosolforhold, "Sagde Jensen.

Radaren vil blive drevet af software udviklet af Brookhaven -videnskabsmanden Pavlos Kollias og programmeret ved hjælp af kunstig intelligens (AI) og eksisterende datasæt. "Denne software gør det muligt for radaren at vælge de storme, vi tror, ​​vil udvikle sig og bevæge sig over stederne, og zoom derefter ind og scan i høj opløsning for at undersøge detaljer om, hvordan aerosoler påvirker nedbørsmængderne derinde, "Sagde Jensen.

Deling og anvendelse af data

Alle data indsamlet af ARM vil være frit tilgængelige for alle, der ønsker at analysere dem.

"Vi håber de ting, vi lærer her, processerne inden for konvektiv aktivitet, hvordan forurening påvirker storme, vil være gældende i andre større byområder, der har en masse konvektion, "Flynn sagde." Med en masse projekter, du er virkelig ved at komme i gang med noget ægte kernevidenskab. Folk er nogle gange ikke sikre på, hvorfor det er vigtigt. Dette er et af de projekter, der er meget anvendelige i hverdagen her i Houston. "

Forskningen vil også kunne anvendes ud over Houston -området. DOE's Atmospheric System Research (ASR) -program har allerede forpligtet sig til at finansiere 10 TRACER-projekter ledet af universitetsbaserede forskere.

"TRACER's videnskabelige mål er i overensstemmelse med ASR's fokus på cloud, aerosol, nedbør, og strålingsprocesser, "sagde Jeff Stehr, en DOE -programleder for ASR. "Konvektive skyer forekommer over hele verden, men der er stadig mange spørgsmål om, hvordan de påvirkes af deres miljø. TRACER vil forbedre vores forståelse af, hvordan disse skyer dannes, dyrke, og henfald i og omkring et kystnært bymiljø. Det første sæt af ASR-finansierede projekter involverer forskerhold fra hele landet, og tilføjer målinger samt modellering til TRACER -kampagnen. "

Data indsamlet af TRACER vil også være nyttige til at forstå processer, der er relevante for, hvordan orkaner dannes, og hvor længe de varer.

Og mens vejret og klimaet fungerer på forskellige tidspunkter, de handler begge om "fysikken i Jordens atmosfære, "Jensen sagde." At forstå storme er vigtigt for at forstå klimaet, fordi storme omfordeler varme og fugt gennem atmosfæren. Og at omfordelingen påvirkes af småskala processer i atmosfæren, herunder interaktioner med aerosoler. Det er det, vi kæmper med i modellerne for klima og vejr. "

"TRACER udfylder nogle af de manglende data for at hjælpe os med at forbedre disse modeller."