Lage wolken bevolken de eerste twee kilometer van de atmosfeer. Cumuliforme wolken stapelen zich hoog op en zijn gemaakt van kolommen van snel stijgende lucht. Stratiform zijn bladachtig en vertonen weinig verticale luchtbeweging.

Aangezien lage wolken wereldwijd overvloedig zijn, ze hebben een grote invloed op het stralingsenergiebudget en het klimaat van de planeet. Een deel van die impact is van de invloed van lage wolken op het albedo van de aarde, een maat voor hoeveel zonne-energie wordt teruggestraald in de ruimte.

Toch zijn lage wolken slecht vertegenwoordigd in aardesysteemmodellen, een grote bron van onzekerheid in klimaatsimulaties. Hiaten in waarnemingsgegevens zijn grotendeels de oorzaak. In afgelegen zeegebieden, bijvoorbeeld, lage wolken - Marine Boundary Layer (MBL) -wolken genoemd - zijn moeilijk te meten vanwege hun condensaatbelasting, vanwege hun stralingseigenschappen, en voor hoe ze zijn georganiseerd op schalen tot 100 kilometer.

Een andere bron van onzekerheid is hoe lage wolken reageren op veranderingen in de aerosolen - de gesuspendeerde vaste of vloeibare deeltjes - erin. In spuitbussen, zowel natuurlijke als antropogene (menselijke) verstoringen kunnen invloed hebben op de manier waarop wolken straling verspreiden of absorberen, hoe ze neerslag creëren, en hoe lang ze leven.

Vanaf juni dit jaar, een nieuwe onderzoekscampagne gesponsord door het Amerikaanse ministerie van Energie (DOE) zal dergelijke modelleringsonzekerheden aanpakken. De campagne Aerosol and Cloud Experiments in Eastern North Atlantic (ACE-ENA), een poging om enkele lacunes in de waarnemingsgegevens op te vullen, is gepland om te lopen in twee fasen van 40 dagen - één in juni en juli van dit jaar, en één in januari en februari 2018.

Het operationele centrum van de campagne is Eastern North Atlantic (ENA), een vast atmosferisch observatorium op het eiland Graciosa op de Azoren ten westen van Portugal. Het wordt beheerd door de Atmospheric Radiation Measurement (ARM) Climate Research Facility, een wetenschappelijke gebruikersfaciliteit van DOE met drie vaste observatoria in klimaatgevoelige regio's van de wereld.

Tijdens het onderzoeken van belangrijke cloud- en aerosolprocessen in een afgelegen maritieme omgeving, Wetenschappers van ACE-ENA zullen zich ook richten op een reeks wetenschappelijke doelstellingen. Ze zullen budgettering en seizoensvariaties in wolkencondensatiekernen onderzoeken; de microfysische en macrofysische structuren binnen MBL-wolken; hoe omgevingslucht zich vermengt - meesleept - in stromingen en wolken; en hoe goed hedendaagse algoritmen omgaan met nieuwe luchtmetingen van turbulentie, vloeibaar watergehalte, en de grootte van druppeltjes van zowel motregen als wolken.

Van boven en van onder, synergie

Door grond- en vliegtuigobservaties te combineren, ontstaat een vruchtbare synergie in het hart van ACE-ENA-metingen, zegt campagnehoofdonderzoeker Jian Wang, een atmosferische wetenschapper aan het Brookhaven National Laboratory (BNL) in New York. "Je krijgt een completer beeld van aërosolen en wolken."

Vaste instrumenten op de grond lopen continu over een lange tijd, hij zegt. Vliegtuigen dekken kortere tijdframes, maar haal meer gedetailleerde informatie op over onderling verbonden aerosol- en cloudprocessen met betrekking tot sporengassen, motregen, en atmosferische thermodynamica. Luchtmetingen, zegt Wang, ook helpen valideren die van de grond.

Soortgelijke campagnes op zoek naar gegevens over lage zeewolken zijn uitgevoerd voor de kust van Chili en Californië, hij zegt, maar ACE-ENA zal de eerste zijn die lucht- en grondobservaties in de oostelijke Noord-Atlantische Oceaan aanzienlijk coördineert.

Een maatstaf voor de nieuwigheid en belofte van de campagne is het aantal wetenschappers dat zich niet alleen heeft aangemeld als mede-onderzoekers en medewerker, maar die tijdens de campagne ter plaatse zullen verschijnen, zelfs alleen maar om te helpen met weersvoorspellingen. "Er komen nogal wat mensen opdagen, ", zegt Wang. Hij is een oude ARM-gegevensgebruiker en is actief in commissies en werkgroepen voor het Atmospheric System Research van de DOE, die coördineert met de ARM Facility over het verzamelen en analyseren van cloud- en aerosolgegevens.

Tijdens ACE-ENA, veel van de gegevens die wetenschappers nodig hebben, kunnen het beste worden verzameld vanaf hoogwerkers. Het zware werk wordt gedaan door ARM's Gulfstream-159 (G-1) onderzoeksvliegtuig, het middelpunt van de ARM Aerial Facility (AAF) beheerd door het Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) in Richland, Washington. Het zal 55 instrumentsystemen vervoeren tijdens ingewikkeld geprogrammeerde vluchten van spiralen en benen.

in spiralen, het vliegtuig vliegt op en neer door een reeks hoogten om verticale profielen van aerosolen en wolken te verzamelen. Benen worden op meerdere hoogten gevlogen om gegevens van onderaf op te nemen, binnenin, en boven bewolking. Beenvluchtpatronen bieden gedetailleerde gegevensbeelden van de verticale distributies en horizontale variaties van lage wolken en aerosolen.

In de vrije troposfeer worden soms ook benen gevlogen, hoog boven grenslaagwolken. Gegevens uit dit atmosferische gebied zullen wetenschappers helpen begrijpen of de waargenomen aerosoldeeltjes afkomstig zijn van lokale bronnen, of over lange afstanden worden vervoerd.

De vluchtroosters van 60 × 60 kilometer van het experiment zullen zich concentreren op ENA's Graciosa Island-grondsite. De meeste luchtsporen zullen zich binnen het bereik van ENA-scanradars bevinden, waardoor wetenschappers het soort gedetailleerde microfysische informatie kunnen krijgen die nodig is om de algoritmen te evalueren die worden gebruikt om wolkeninformatie op te halen uit de radarwaarnemingen.

Voor goede gegevens, veel vliegtijd

De G-1, een twin-turboprop onderzoekslaboratorium in de lucht, zal twee missies van 40 dagen vliegen tijdens de campagne in twee fasen - ongeveer 20 vluchten per keer, maar liefst vier uur per keer. "We zullen zoveel mogelijk vliegen, " zegt AAF-manager Beat Schmid, een atmosferische wetenschapper bij PNNL.

Tijdens ACE-ENA, de G-1 zal worden gebaseerd op 90 kilometer van Graciosa, op een gezamenlijke V.S.-Portugal vliegbasis genaamd Lajes, op het eiland Terceira.

In de tussentijd, tegen 20 april zal het G-1 instrumentenpakket volledig zijn geïntegreerd en getest op een luchthaven niet ver van PNNL, een proces dat op 10 februari begon. Toen moest ongeveer de helft van die uitrusting apart worden verpakt en verzonden, zegt Schmid, "zodat we genoeg brandstof hebben" om de Atlantische Oceaan over te steken vanaf een tussenstop in St. John's, Newfoundland. Eenmaal in Lajes, op 15 juni, zowel het vliegtuig als de instrumenten zullen opnieuw worden geïntegreerd.

Aan boord, in een primeur voor een DOE-vliegtuig, wordt een holografische detector voor wolken (HOLODEC), een op een vleugel gemonteerd apparaat dat "ongelooflijk gedetailleerde" multidimensionale foto's van wolkendruppels maakt, zegt Schmid. "Het is geen beeld in conventionele zin." Het proces is zo data-intensief, hij voegt toe, dat de resulterende enorme bestanden - te groot voor internet - op schijven naar ARM moeten worden teruggestuurd.

De HOLODEC geeft informatie over de interactie van wolkendruppels op microfysische schalen. Het zal ACE-ENA-wetenschappers ook helpen te bestuderen hoe de grootteverdeling van wolkendruppels wordt beïnvloed door troebele lucht te mengen met drogere, niet-bewolkte lucht.

Het G-1-vliegtuig zal ook vliegen met de snelle geïntegreerde mobiliteitsspectrometer (FIMS), een bij BNL ontwikkeld uniek instrument waarmee zowel de aerosolconcentraties als de aerosoldeeltjesgrootteverdeling kunnen worden gemeten.

De instrumenten van ACE-ENA, op de grond en in de lucht, ze delen allemaal één gezamenlijke missie:de beste gegevens ooit krijgen over de klimaatgerelateerde lage wolken in een afgelegen maritieme omgeving.

"Als je ze verkeerd ziet in de modellen, " zegt Schmid, "het heeft een enorme impact."