Indsamling af nye data om atmosfæriske partikler til stormprognoser og klimamodeller

I årtier, forskere har diskuteret virkningen af ​​menneskeskabte og miljømæssige partikler i atmosfæren, kaldet aerosoler, ved hårdt vejr. Klimaundersøgelser tyder på, at aerosoler kan hjælpe med at forme og endda styrke elementer af storme såsom nedbør og lyn.

Imidlertid, at studere aerosoler i atmosfæren er svært. Der er mange typer, og partiklerne er små. Deres kemiske og fysiske processer kan også være subtile eller kortvarige. Forskere har udtrykt behovet for mere detaljerede data om aerosoler. Nye data er især nødvendige for at forbedre repræsentationen af ​​skyer og storme i klimamodeller.

For at give disse vigtige data til forskere, politiske beslutningstagere, og offentligheden, Department of Energy's Office of Science støtter et team af forskere, der scanner skyer på Texas-himlen i høj opløsning. Ved at spore aerosoler og skyer på denne måde, holdet håber på bedre at forstå forholdet mellem partiklerne, skyer, og storme.

DOEs mobile atmosfæriske observatorium

Et nyt projekt kaldet TRACER—Tracking Aerosol Convection Interactions Experiment—bruger et DOE-mobilobservatorium fra brugerfaciliteten Atmospheric Radiation Measurement (ARM) til at registrere mikroprocesser, der sker i skyer. Eksperimentet løber fra oktober 2021 til september 2022 i Houston-området.

ARM-observatoriet består af bærbare shelters udstyret med instrumenter og kommunikationsudstyr. Observatoriet kan se upåfaldende ud - men det er et af verdens mest avancerede faciliteter til at indsamle atmosfæriske data.

Office of Sciences program for biologisk og miljøforskning (BER) administrerer adskillige ARM-observatorier som en flerlaboratoriebrugerfacilitet. I over 30 år, forskningskampagner har ført disse mobile stationer til grænserne for klima- og atmosfærisk videnskab – fra Sydpolen til Nordpolen til troperne. Dataene indsamlet fra disse feltekspeditioner hjælper med at forbedre forudsigelser af klimamodeller.

Fremme vores forståelse af aerosoler

Aerosoler er menneskeskabte og naturlige partikler, der trænger ind i atmosfæren. Menneskeskabte aerosoler kan omfatte forurenende stoffer, der udsendes fra biler eller industrianlæg. Naturlige aerosoler kan omfatte havsalt, støv, skovbrandsrøg, og andre partikler fra miljøet, enten i nærheden eller båret hundredvis af miles af vind og vejr.

"Et af de store spørgsmål i TRACER -kampagnen er, i hvilket omfang atmosfæriske aerosoler kan gøre storme mere alvorlige, " sagde Shaima Nasiri, Programleder for BER Atmosfærisk Systemforskning.

At forbinde prikkerne mellem små partikler og storme er et komplekst problem. Heldigvis, løse multiskala problemer som denne, spænder over fundamental kemi til global klimamodellering, er et speciale i Office of Science.

TRACER ledes af DOE's Brookhaven National Laboratory hovedforsker Michael Jensen, med mange medforskere på tværs af andre DOE nationale laboratorier, University of Houston, og videnskabsmænd over hele kloden. Den etårige kampagne vil fokusere på aerosoler fundet i dybe konvektive skyer - en almindelig type stormsky.

"Konvektiv skyer fungerer som elevatorer af atmosfæren, " sagde Jensen. "De er vertikalt udviklede og har en tendens til at transportere vanddamp, varme, momentum, og partikler fra overfladen op til atmosfæren."

For bedre at observere aerosol- og skyinteraktioner på tværs af tid (minutter til måneder) og rum (små partikler til at storme skyer), TRACER-teamet tilføjede nye værktøjer til ARMs pakke af sensorer, vejr balloner, og radar.

Nye scannings- og kunstig intelligensteknikker vil automatisk spore skyer, efterhånden som de udvikler sig. Derefter, specialiserede radarsystemer vil foretage detaljerede målinger af skyer og partikler.

"Vi vil også indsamle aerosoler på overfladen for at måle deres størrelse og antal, sagde Jensen.

Disse værktøjer vil låne præcisionsteknikker fra laboratoriet til feltobservationer.

Houston – Et cloud-laboratorium i den virkelige verden

Hvis du er en videnskabsmand, der studerer aerosoler i konvektive skyer, Houston er et godt sted at udføre dit arbejde. Regionens subtropiske klima ved den Mexicanske Golf oplever forudsigelig kraftig nedbør, storme, oversvømmelse, og endda orkaner. Konvektive skyer svæver over byen halvdelen af ​​året og er hyppigere i det våde, sommermånederne.

Houston er også en blomstrende by med skibsfart og industri - og de aerosoler, der følger med. Hovedstadsområdet rangerer højt blandt amerikanske byer for dårlig luftkvalitet, herunder partikelforurening. Men det vidtstrakte Texas-landskab omkring byen kan prale af klarere luft, giver et laboratorielignende kontrolmiljø til sammenligning.

Houston er også en typisk amerikansk by. Omkring 80 procent af amerikanerne bor i byområder og omkring 40 procent bor ved kysten.

"Størstedelen af ​​mennesker i USA bor i byer som Houston, " sagde Nasiri.

Mens mange ARM mobile observatorier er blevet indsat i fjerntliggende miljøer, der er sårbare over for klimaændringer, TRACER kan tjene som model for fremtidige ARM urbane kampagner.

"Jeg tror, ​​teknologien er avanceret til det punkt, at forskere føler, at de kan gøre fremskridt med de presserende spørgsmål inden for atmosfæriske videnskaber relateret til bypåvirkninger, " sagde Nasiri.

Som byer som Houston kan bevidne, klimaforandringer rammer tættere på hjemmet end nogensinde. Ødelæggende storme kan føre til tab af menneskeliv, farlige strømafbrydelser, og dyre tingskade.

"Dette er vores første store byfeltkampagne af sin art, og fremadrettet, vi er interesserede i at studere emissioner i byer nærmere, " sagde Jeff Stehr, Programleder for BER Atmosfærisk Systemforskning.

Langlivede data til fremtidige klimastudier

Tilgængelig for alle at bruge, TRACER-data vil være en vigtig ressource for videnskabsmænd og samfund i de kommende år. Selvom kampagnen er baseret på grundlæggende videnskabelige spørgsmål om aerosolinteraktioner, BER-programmet forventer, at TRACER-data vil informere andre undersøgelser. Forskere kan bruge dataene i forskning lige fra grundlæggende videnskab om aerosolkemi til forurening, ekstremt vejr, og klimaforandringer og modstandsdygtighed. Selve programmet vil finansiere grundlæggende videnskabelig forskning ved hjælp af TRACER-data, efter at kampagnen er afsluttet.

"Vi har også haft stor interesse fra andre bureauer, med en mangfoldighed af mennesker, der deltager, " sagde Jensen. "Det indledende videnskabshold omfattede 35 medforskere, men det er vokset til et meget større partnerskab med tværfaglige og internationale samarbejdspartnere."

For at maksimere de indsamlede data og samle resultaterne, andre amerikanske videnskabelige agenturer, inklusive NASA, NOAA, og National Science Foundation, vil udføre deres egne atmosfæriske eksperimenter under TRACER-kampagnen. regionale organisationer, såsom Texas Commission on Environmental Quality, samarbejder også med projektet.

Med mange potentielle anvendelsesmuligheder for TRACERs højopløselige klimadata, forskningsresultater kunne gå ud over studiet af aerosol- og sky-interaktioner.

"Vi ved måske ikke engang, hvad det største resultat af kampagnen bliver, " sagde Nasiri. "Den største takeaway kunne være noget, vi ikke engang tænker på."