Een nieuwe analyse heeft aangetoond dat geavanceerde satellietgebaseerde instrumentmogelijkheden nodig zijn voor wereldwijde monitoring van microscopische deeltjes, of spuitbussen, in de stratosferische laag van de atmosfeer. Aërosolen in de stratosfeer - gelegen boven ongeveer 12 kilometer - nemen drastisch toe na een vulkaanuitbarsting, wat leidt tot veranderingen in het klimaat op aarde en een cruciale kans biedt om wetenschappelijke modellen te testen die zijn ontworpen om klimaatvariaties op korte en lange termijn te voorspellen.

Onderzoekers van het NASA Goddard Institute for Space Studies in New York en de National Academy of Sciences in Kiev, Oekraïne, rapporteer de nieuwe bevindingen in het tijdschrift The Optical Society (OSA) Optica Express .

Als een vulkaan uitbarst, grote hoeveelheden as en zwavelzuurdeeltjes kunnen de hele planeet bedekken, veel van het zonlicht blokkeren en tijdelijk wereldwijde afkoeling veroorzaken. Wetenschappers onderzoeken nu of dit dekkende effect kan worden gebruikt om de opwarming van de aarde tegen te gaan door door de mens gemaakte aerosolen in de stratosfeer te injecteren. Dergelijke geo-engineeringprojecten vereisen ook een manier om de hoeveelheid en grootte van kunstmatige deeltjes in de stratosfeer en het resulterende klimaateffect te monitoren.

"Het wereldwijde karakter van natuurlijke en door de mens gemaakte stratosferische aerosolen betekent dat een gespecialiseerd instrument in een baan om de aarde nodig is om uitgebreide informatie te verkrijgen over hun eigenschappen en distributie, zei Janna Dlugach, een lid van het onderzoeksteam van de Nationale Academie van Wetenschappen van Oekraïne. "Deze informatie is van cruciaal belang voor het testen van klimaatmodellen en voor het monitoren van klimaateffecten van potentiële geo-engineeringprojecten en grote vulkaanuitbarstingen, die het levensonderhoud van de hele bevolking kan beïnvloeden."

Bewaking van aerosolen vanuit de ruimte

In het komende decennium is NASA van plan een gespecialiseerde missie uit te voeren om aërosolen en wolken op aarde te monitoren. Deze missie zou een instrument omvatten dat niet alleen de helderheid meet van zonlicht dat wordt gereflecteerd door de atmosfeer en het aardoppervlak, maar ook de polarisatie van het licht, die rijke informatie over de grootte bevat, samenstelling en hoeveelheid aerosoldeeltjes.

"De technische kenmerken van deze toekomstige polarimeter zijn momenteel het onderwerp van actief debat in de wetenschappelijke gemeenschap, " zei Michael Mishchenko, een lid van het onderzoeksteam van NASA. "Ons artikel brengt in deze discussie de noodzaak naar voren om niet alleen aerosolen in de lagere atmosfeer te monitoren, maar ook stratosferische aërosolen die een belangrijk onderdeel van het klimaatsysteem kunnen worden in het geval van een grote vulkaanuitbarsting of de implementatie van een grootschalig geo-engineeringprogramma."

Metingen van gereflecteerd zonlicht door orbitale instrumenten worden meestal gedomineerd door heldere waterwolken, het landoppervlak en aërosolen in de troposfeer - de atmosferische laag die zich het dichtst bij de grond bevindt. "Dit is niet problematisch wanneer stratosferische aerosolen minimaal zijn en dus onbelangrijk ten opzichte van troposferische aerosolen, " legde Dlugach uit. "Echter, het wordt essentieel om het licht dat afkomstig is van stratosferische aerosolen te scheiden in het geval van vulkaanuitbarstingen of geo-engineeringactiviteiten."

Het scheiden van stratosferische aerosolen

In de nieuwe studie de onderzoekers stellen dat elk toekomstig orbitaal instrument voor aerosol-monitoring metingen zou moeten leveren binnen een smal spectraal kanaal gecentreerd op 1,378 micrometer. "Bij deze golflengte kan de waterdamp in de troposfeer het zonlicht dat door wolken wordt verstrooid bijna volledig absorberen, terrestrische oppervlakken en troposferische aerosolen, "zei Mishchenko. "Dit stelt ons in staat om de eigenschappen van stratosferische aerosolen afzonderlijk af te leiden van die van troposferische aerosolen."

De onderzoekers gebruikten gesimuleerde metingen om te bepalen wat de beste manier is om stratosferische aerosolen te meten. Ze begonnen met een realistisch model van stratosferische aerosolen om de theoretische helderheid en polarisatie van zonlicht te berekenen die deze aerosolen in de ruimte zouden reflecteren. Vervolgens voegden ze meetfouten toe die lijken op die in werkelijke satellietgegevens. Met de resulterende informatie, ze simuleerden verschillende soorten realistische metingen om te bepalen welke voldoende informatie biedt om de hoeveelheid te bepalen, grootte en samenstelling van stratosferische aerosolen.

"We ontdekten dat het meten van de helderheid van licht alleen de conclusie van stratosferische aerosolen niet toelaat, "zei Dlugach. "Onze analyse suggereert dat toekomstige ruimtemissies voor het monitoren van aerosolen een instrument moeten bevatten dat nauwkeurige polarisatiemetingen van een terrestrische scène kan verkrijgen vanuit meerdere hoeken bij een golflengte van 1,378 micrometer."

Het sterke waterdampabsorptiekanaal is nodig om licht uit de lagere atmosfeer en het oppervlak te neutraliseren, terwijl nauwkeurige polarisatiemetingen vanuit meerdere hoeken gedetailleerde informatie opleveren over stratosferische aerosolen.

Volgende, de onderzoekers zijn van plan om meer uitdagende observatieomstandigheden te analyseren die extra eisen zouden stellen aan het instrumentontwerp. Ze willen ook bepalen of het combineren van polarimetrische en lidar-waarnemingen van hetzelfde orbitale platform gunstig zou zijn voor bepaalde omstandigheden.