De aarde is een planeet die ademt met de seizoenen. In de wintermaanden hopen atmosferische gassen en luchtvervuiling zich op, sluimerend wachtend tot de lente en de zomer zonneschijn en plantaardig leven brengen, leiden tot transformaties die de samenstelling van gassen in de atmosfeer veranderen. Een NASA-missie in de lucht zal deze seizoenstransformaties wereldwijd onderzoeken door vanuit het hart van de winter op het noordelijk halfrond te vliegen, naar de zonnige zomer op het zuidelijk halfrond en weer terug.

Dit zal het tweede atmosferische onderzoek zijn dat wordt uitgevoerd door de Atmospheric Tomography, of Atom-missie, die voor het eerst vloog in juli en augustus, 2016. Het wetenschappelijke team zal meer dan 200 gassen en deeltjes in de lucht meten aan boord van NASA's DC-8-vlieglaboratorium. Vooral, ze zijn geïnteresseerd in vervuilende broeikasgassen zoals methaan en troposferisch ozon, en slecht begrepen deeltjes zoals zwarte koolstof. Hoe deze verontreinigende stoffen op elkaar inwerken en zich over de planeet verplaatsen, zal wetenschappers helpen om luchtvervuiling en klimaatverandering nu en in de toekomst beter te begrijpen.

"We gaan op het beste moment naar de noordelijke poolgebieden, " zei Steven Wofsy, een atmosferische wetenschapper aan de Harvard University in Cambridge, Massachusetts, en de projectwetenschapper van Atom.

Deze winter, ze verwachten de accumulatie van verontreinigende stoffen uit Europa te observeren, de Verenigde Staten, Canada, Noord-China, en Rusland, die tot de lente vast komen te zitten in de koude koepel van de wintercirculatie.

"We zullen deze chemie bekijken met instrumenten die niemand eerder heeft gehad, en we zullen echt beginnen te begrijpen wat er gebeurt als dit spul zich opstapelt, " zei Wofsy. De ophoping van gassen in de winter vormt de basis voor de chemische processen die plaatsvinden in de atmosfeer wanneer zonlicht terugkeert naar het Noordpoolgebied.

Zonlicht is energie, en op dezelfde manier dat het het leven op aarde ondersteunt door de fotosynthese van planten, het drijft ook het chemische systeem in de atmosfeer aan. Inkomende ultraviolette straling levert hoogenergetische fotonen die gasmoleculen uit elkaar kunnen halen, transformeren ze in nieuwe, zeer reactieve fragmenten. Een van de wetenschappelijke doelen van Atom is het begrijpen van deze fotochemische processen die helpen bij het verwijderen van verontreinigende stoffen en broeikasgassen uit de atmosfeer.

Deze fotochemische processen zullen in volle gang zijn terwijl de missie in de zomer van Alaska over de Stille Oceaan naar Nieuw-Zeeland en het zuidelijk halfrond vliegt.

"We gaan in prime time naar het zuidelijk halfrond, " zei Michael Prather, een atmosferische wetenschapper aan de University of California Irvine en adjunct-projectwetenschapper van Atom. "Dit is wanneer het zonlicht daar beneden is. Het is de grootste fotochemische activiteit, het is de grootste biologische activiteit van de zuidelijke oceanen."

Omdat het zuidelijk halfrond minder landmassa's bevat en minder van de wereldbevolking, de zuidelijke atmosfeer is over het algemeen schoner dan die van het noordelijk halfrond. Volgens Prater, dit betekent dat het mogelijk gemakkelijker zal zijn om gassen en deeltjes waar te nemen, vooral van zeeplanten, die reageren met gassen die al in de atmosfeer aanwezig zijn. Oceaangerelateerde reacties worden momenteel slecht begrepen en zijn een van de belangrijkste redenen waarom Atom zijn onderzoek doet.

"Om de details te krijgen die we nodig hebben, in een poging om de atmosfeer beter te begrijpen, we moeten er zoveel mogelijk van onderzoeken, dus we zullen verticale profielen door de atmosfeer vliegen van 150 voet boven het oceaanoppervlak tot 35, 000 voet, waar commerciële vliegtuigen vliegen, " zei projectmanager David Jordan van NASA's Ames Research Center in Mountain View, Californië.

Voor de reis rond de wereld, NASA's DC-8-vliegtuig zal meer dan 20 wetenschappelijke instrumenten vervoeren die zowel grote als kleine gassen en deeltjes meten. Het vliegtuig is ongeveer zo groot als een middelgroot commercieel passagiersvliegtuig en zit vol met inlaatkleppen om de lucht te bemonsteren. Het zal een bijna ononderbroken reeks zachte afdalingen en beklimmingen maken om het meest chemisch actieve deel van de atmosfeer vast te leggen, van de relatief warme vochtige lucht boven het oceaanoppervlak en de koudere, droge lucht op zijn piekhoogte van 35, 000 voet, en alles daartussenin.

Na een eerste vlucht vanaf NASA's Armstrong Flight Research Center in Palmdale, Californië, naar de evenaar en terug, de DC-8 zal negen stops maken in de loop van 28 dagen, vertrekkend vanuit Californië naar de Noordpool, dan naar de tropen, de Zuidelijke Oceaan rond Antarctica, en over naar het zuidelijkste puntje van Zuid-Amerika alvorens noordwaarts te vliegen over de Atlantische oceaan richting Groenland, dan over de Noordelijke IJszee terug naar Alaska. De laatste etappe brengt het wetenschappelijke team terug naar Californië.

De wintermissie van Atom zal de tweede van vier implementaties zijn die tot 2018 zullen plaatsvinden. Het wordt gefinancierd door NASA's Earth Venture-programma en beheerd door het Earth Science Project Office in Ames. Een team van meer dan 100 mensen - wetenschappers, ingenieurs, cockpitpersoneel en personeel - van overheidsinstanties en universiteiten zullen de missie zowel in de lucht als vanaf de grond ondersteunen.