Vorige lente, Universiteit van Colorado, Boulder-onderzoeker Jessie Creamean bracht een paar weken door in het ijskoude en winderige Oliktok Point, Alaska. In het zicht van de door ijs omgeven booreilanden en raffinaderijen van Beaufort Sea en North Slope, ze zette een aerosolbemonsteringssysteem op voor een project over ijskiemvormende deeltjes (INP's).

INP's zijn een slecht begrepen factor in arctische wolken met gemengde fasen, die een belangrijke rol spelen bij het beheersen van de hoeveelheid energie die het kwetsbare zee-ijs van de regio bereikt.

Creamean werkt bij het Cooperative Institute for Research in Environmental Sciences (CIRES) en maakt deel uit van een breed bekwaam team van op Boulder gebaseerde onderzoekers die werken aan een vierjarig project dat is ontworpen om het begrip van de arctische atmosfeer te vergroten.

Het wordt gefinancierd door het Atmospheric System Research (ASR)-programma van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) en wordt geleid door een andere wetenschapper van CIRES, hoofdonderzoeker Gijs de Boer.

Het project concentreert zich op Oliktok Point, een kortlopend atmosferisch observatorium gefinancierd door de DOE's Atmospheric Radiation Measurement (ARM) Research Facility en de thuisbasis van de derde ARM Mobile Facility (AMF3). Het ligt ongeveer 260 kilometer (162 mijl) ten zuidoosten van Utqiaġvik (voorheen bekend als Barrow), waar ARM zijn vaste atmosferische observatorium North Slope of Alaska (NSA) handhaaft.

De juiste vaardigheden

Het hele ASR-team bestaat uit natuurkundigen, maar elk heeft een gevarieerde reeks vaardigheden die het project vooruit helpen. roomees, voor een, is gespecialiseerd in aerosolen (kleine wolkvormende deeltjes in de lucht) en aerosolchemie. de Boer, de ASR-teamleider voor ARM-inspanningen op Oliktok Point, is een expert in teledetectie en onbemande luchtsystemen (UAS) - de laagvliegende, langzaam vliegende vliegtuigen worden veelbelovend getest als platforms voor atmosferische observaties.

Naast hen in het Oliktok-project zijn andere experts van CIRES, elk vermeld met een verkorte hint van de expertise die ze brengen:Matthew Shupe (cloudprocessen); Amy Solomon (simulaties met grote wervels en regionale modellering); Christopher Cox (budgetten voor detectie op afstand en oppervlaktestraling); Sergey Matrosov (scanning radars en neerslageigenschappen); Christopher Williams (remote sensing, wolkendynamiek, en microfysica); Maximilian Maahn (remote sensing, poolwolken); en doctoraalstudent Matthew Norgren (aerosol-cloud-interacties).

Bij de projectgroep van het National Oceanic and Atmospheric Administration Earth System Research Laboratory in Boulder komen Allison McComiskey (aërosol-wolkinteracties) en Dave Turner (wolkevolutie en langegolf stralingsoverdracht).

Arctische missies

Toen het ASR-project in maart 2015 van start ging, het omvatte een ambitieuze reeks wetenschappelijke vragen met betrekking tot snel evoluerende omstandigheden in het noordpoolgebied, waar de zee-ijsbedekking krimpt, permafrost warmt op, en ecosystemen veranderen.

Deze snelle veranderingen vinden plaats binnen een atmosferisch regime dat steeds duidelijkere effecten heeft op het weer op de lagere hoogten en op aardse systemen in het algemeen.

De Boer en zijn medewerkers hebben zich gericht op kennislacunes in enkele fundamentele arctische atmosferische processen, met het oog op het verminderen van onzekerheden in de modellen die ontworpen zijn om huidige omstandigheden te simuleren en toekomstige te voorspellen.

Samen hebben ze tot nu toe 13 papieren in handen gehad, gepubliceerd of geaccepteerd.

"Er moet nog veel gebeuren, zegt de Boer, op het whiteboard achter hem een ​​lijst met taken noteren. Hij hoopt dat ze zullen worden aangepakt voordat het project in februari 2019 wordt afgesloten.

Voortgang, in een paar koppen

Breed, het project heeft al licht geworpen op de atmosferische invloed van de lokale industrie in de buurt van de site. Het heeft ook nieuwe manieren ontwikkeld om de atmosfeer te meten, inclusief UAS en vastgebonden ballonnen. "Ze bieden perspectieven die we in het verleden niet hadden, ’ zegt de Boer.

Het project heeft ook informatie toegevoegd over wat De Boer 'ruimtelijke variabiliteit' noemt. In plaats van dat Utqiaġvik de enige bron van atmosferische gegevens is voor dat deel van het noordpoolgebied, nu zijn er twee observatoria om hypothesen te evalueren.

De officiële missies van het project beginnen met een onderzoek naar de overgangen tussen heldere en bewolkte atmosferische toestanden op hoge breedtegraden. "We hebben nieuwe informatie vastgelegd, ", zegt de Boer. Er zijn nieuwe simulaties aan de gang.

Projectonderzoekers verdiepen zich ook in neerslag op hoge breedtegraden. In het Noordpoolgebied, het is erg moeilijk om de vorm en massa van sneeuwvlokken nauwkeurig weer te geven, deels omdat het moeilijk is om opwaaiende sneeuw van nieuwe sneeuw te onderscheiden. Om deze moeilijkheid aan te pakken, het team gebruikt gegevens van geavanceerde instrumentatie, inclusief het scannen van wolkenradars.

Veel van het zware werk hier komt van het werk aan microfysica van de wolken door Matrosov, die scan- en langere-golflengteradars gebruikt om neerslageigenschappen te ontrafelen, en door Salomo, een expert in het gebruik van simulaties met grote wervelingen met zeer hoge resolutie en regionale modellering om belangrijke fysieke processen te begrijpen.

Vóór het Oliktok-project werden er maar heel weinig gegevens gearchiveerd over dat stukje Noordpoolgebied, zegt Shupe, een veteraan van campagnes bij koud weer. "We zijn gegaan van bijna niets dat eruit kwam naar het hebben van een aantal belangrijke dataproducten, studie, en papieren."

Hij wees op studies van Maahn, roomees, de Boer, Matrosov, en Williams (die wel werkte aan het wiskundig ontsleutelen van radarsignalen op de locatie, waar de helderheid van raffinaderijpijpleidingen een confounder is).

Shupe werkt ook samen met Turner om hun Shupe-Turner-algoritme voor het ophalen van arctische wolkeneigenschappen (gebaseerd op microfysische gegevens van Utqiaġvik) aan te passen aan de omstandigheden in Oliktok. Het wordt binnenkort vrijgegeven aan het ARM Data Center.

Het project heeft ook een missie om aërosolen en de interacties tussen dergelijke deeltjes en wolken te karakteriseren. Het is hier dat Creamean's werk, ondersteund door ARM, krijgt betekenis. Ze meet INP-vriestemperaturen en -concentraties op Oliktok Point, eerst een onderzoek.

In maart 2017, en met hulp van werftechnici die tot mei over haar instrumenten waakten, Creamean verzamelde dagelijkse monsters (stof, bacteriën, en andere deeltjes) voor een project dat binnenkort een papier zal opleveren. Haar vragen:Waar komen deze zaden voor wolkendruppels en ijskristallen vandaan, en hoe beïnvloeden ze de eigenschappen van poolwolken?

Het team onderzoekt ook hoe aerosolen straling in de atmosfeer langs de noordhelling van Alaska verspreiden en absorberen; hoe dergelijke wolkvormende deeltjes zich gedragen binnen seizoenscycli; en hoe verschillend die deeltjes zijn bij Oliktok, in het zicht van olievelden, vergeleken met de relatief ongerepte lucht van Utqiaġvik.

Een papier uit 2017, onder leiding van Maahn, hebben gekeken naar hoe de grootte van clouddruppels wordt beïnvloed door lokale industriële inputs bij Oliktok.

De meest ambitieuze taak van het onderzoeksteam is misschien wel het onderzoek naar poolwolken en hun klimatologische invloed. In die regio en elders, wolken zijn een van de grootste bronnen van onzekerheid in modellen.

Deze zomer zal daarbij helpen, wanneer De Boer een ARM-campagne leidt, hoopt hij van Oliktok Point een centraal knooppunt van activiteiten te maken tijdens het Jaar van de Polar Prediction (YOPP), een intensieve periode van gecoördineerde internationale arctische waarnemingen.

De Boer zegt Profiles at Oliktok Point to Enhance YOPP Experiments (POPEYE), gepland van 1 juli t/m 30 september zal verbeterde UAS toevoegen, vastgebonden ballon, en metingen van radiosondes (weerballonnen) naar de metingen die al door AMF3 worden verzameld.