Onderzoekers van Argonne's Environmental Science-divisie namen deel aan een van de grootste collaboratieve atmosferische meetcampagnes op Antarctica in de afgelopen decennia.

Op 13 mei, 1887, het journaal Wetenschap publiceerde een korte geschiedenis van Antarctische exploratie waarin het de wetenschappelijke prestaties tot dusver schetste en de hoop uitsprak dat er spoedig nieuwe exploratie zou worden ondernomen. Het artikel maakt duidelijk dat, tegen het einde van de 19e eeuw, wetenschappers begrepen al het belang van de geografie van de regio voor meteorologie en de regulering van oceaanstromingen.

"... de meteorologische verschijnselen van het zuidelijk halfrond zijn afhankelijk van die van de Antarctische regio, en onze kennis van de meteorologie van de aarde zal onvolledig zijn totdat dergelijke verschijnselen van het zuidpoolgebied grondig zijn bestudeerd."

Hoewel de hoop op verdere verkenning van Antarctica is uitgekomen, zo'n verkenning is met horten en stoten verlopen, mede door de enorme investeringen in tijd en geld die nodig zijn voor het transport, installeren en onderhouden van delicate instrumenten en een klein aantal wetenschappers. De voornaamste reden, misschien, is wat atmosferisch onderzoeksingenieur Maria Cadeddu subtiel de 'verboden omstandigheden' van de regio noemt.

Het is een moeilijke plek.

anno 2015, Cadeddu en collega's van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) namen deel aan een gezamenlijke atmosferische meetcampagne om de impact van regionale en grootschalige evenementen op de opwarming van Antarctica te begrijpen. Het team bestond uit een aantal academische instellingen en nationale laboratoria, inclusief Argonne, Los Alamos en Brookhaven. Het onderzoek richtte zich op de micro- en macrofysische eigenschappen van Antarctische wolken, zoals de gemiddelde grootte van druppeltjes of de totale hoeveelheid vloeistof of ijs in een wolk. Het doel was om op basis van dergelijke parameters te bepalen hoeveel straling de wolken zullen uitzenden.

Gebaseerd op McMurdo Station en op de West Antarctic Ice Sheet (WAIS), de campagne was onderdeel van het DOE Atmospheric Radiation Measurement (ARM) West Antarctic Radiation Experiment (AWARE), geleid door hoofdonderzoeker Dan Lubin van de Scripps Institution of Oceanography. De eenjarige studie gebruikte de grootste verzameling instrumenten voor antarctische atmosferische metingen op de grond sinds 1957, en details van die studie duiken op in een aantal wetenschappelijke tijdschriften, waaronder Nature Communications en het Journal of Geophysical Research:Atmospheres.

"Het hele idee was om erachter te komen hoe atmosferische dynamiek, als luchtmassa's die uit de zee komen, bijvoorbeeld, kan de eigenschappen van de wolken beïnvloeden en hoe veranderingen in de eigenschappen van de wolken de energiebalans van de regio beïnvloeden, " zei Cadeddu, die werkt in de Environmental Science-divisie van Argonne. "En begrijpen hoe wolken een systeem beïnvloeden, kan helpen bij toekomstige klimaatprojecties."

Antarctica is een belangrijke regio voor klimaatmodellen, merkte ze op, maar modellen vertrouwen op data, hoe nauwkeuriger hoe beter. Daten, Antarctische klimaatmodellen waren minder dan nauwkeurig omdat de wetenschap geen kwantitatieve waarnemingen van de regio heeft; de waarnemingen die beschikbaar zijn komen van satellieten, die problemen hebben op zeer hoge en lage breedtegraden. Maar gezien de tijd en de instrumentatie van AWARE, onderzoekers zijn begonnen met het invullen van veel ontbrekende stukjes in de algehele klimaatpuzzel van Antarctica.

Thuis, waar de temperaturen minder koud zijn, Cadeddu maakt deel uit van het Argonne-onderzoeksteam voor wolken en straling, waaronder Virendra Ghate, een radarmeteoroloog, en Donna Holdridge, de ARM-mentor voor de radioklinkende systemen. Het onderzoeksteam voor wolken en straling droeg hun expertise in op het gebied van teledetectieapparatuur, inclusief LiDAR (lichtdetectie en -bereik) en radarapparatuur, kortegolfspectrometers en microgolfradiometers voor het meten van straling, en radiosondes (toestellen met een luchtballon die de bovenste atmosferische omstandigheden meten).

Omdat sensoren op afstand onbewerkte gegevens verzenden, onderzoekers moeten de informatie verwerken en interpreteren om directe metingen of fysieke hoeveelheden te verkrijgen. Bijvoorbeeld, signalen die door LiDAR en radarapparaten worden verzonden, keren terug als verstrooide signalen die correleren met wolkenveranderende mechanismen zoals straling.

"Deze sensoren gebruiken kennis van hoe straling zich door een medium voortplant, evenals hoe wolken en regendruppels interageren met straling. Als we deze signalen onderzoeken, we kunnen specifieke cloudeigenschappen inschatten, zoals deeltjesgrootte of de hoeveelheid damp, vloeibaar water of ijs dat ze bevatten, " legde Cadeddu uit.

Wolkenfasen zijn relevant voor stralingseigenschap, of hoeveel straling de wolken uitzenden, absorberen of verspreiden. Onderzoekers van Argonne gebruikten deze informatie, gedeeltelijk, om verschillen te begrijpen tussen bewolkingsomstandigheden in de Arctische en Antarctische wateren en hun effect op het regionale klimaat.

Onder de belangrijkste verschillen, Antarctica vertoont veel minder antropogene vervuiling dan het Noordpoolgebied. Hoewel dit meer ongerepte omstandigheden biedt voor het bestuderen van wolken, de lagere vervuilingsniveaus hebben ook invloed op de hoeveelheid vloeibaar water die bij zeer lage temperaturen in wolken aanwezig is.

Modellen zetten alle vloeistof om in ijs wanneer wolken temperaturen van bijna -20 ° C bereiken. Maar het team ontdekte dat de vloeistoflaag blijft bestaan ​​bij temperaturen tot -35 ° C in de wolken boven McMurdo. Zelfs kleine hoeveelheden vloeistof kunnen een opwarmend effect hebben op het oppervlak van het noordpoolgebied, dus het team probeert te bepalen welke klimaatgerelateerde effecten deze met vloeistof verzadigde wolken in het zuiden kunnen hebben.

De AWARE-campagne haalde in 2016 het nieuws, toen wetenschappers die metingen uitvoerden langs de West Antarctic Ice Sheet Divide een van de grootste oppervlaktesmeltingsgebeurtenissen vastlegden die ooit zijn geregistreerd. traditioneel, oppervlaktesmeltingsgebeurtenissen op de ijskap worden toegeschreven aan warm oceaanwater onder kustijsplaten, maar uitgebreide observaties lieten externe factoren aan het werk zien, ook. Wetenschappers schrijven een deel van het smelten toe aan een sterke El Niño-gebeurtenis in combinatie met regionale omstandigheden, waarvan sommige gerelateerd waren aan vloeistofhoudende wolken.

"Wolken oefenen een belangrijke invloed uit op de balans van inkomende en uitgaande energie aan de oppervlakte, en deze optisch dunne wolken op laag niveau kunnen een bepalende rol spelen bij het veroorzaken of verlengen van smeltomstandigheden boven ijskappen, ' zei Cadeddu.

Wolkenkenmerken maakten mogelijk geen deel uit van de grotere beschouwing van "meteorologische verschijnselen van het zuidelijk halfrond" toen de Wetenschap artikel verscheen in 1887. Wat de factoren ook zijn, maakte de auteur duidelijk dat de 19e-eeuwse wetenschap keek naar een groter, meer vooruitstrevend beeld dat ruimte liet voor de potentiële rol van wolken toen ze het volgende schreven:

"... De belangrijke invloed van deze problemen op praktische vragen kan niet worden overschat. De zeeman kan niet zonder kennis van de stromingen, winden, en magnetische elementen, en er is nauwelijks een klasse van mensen die niet zullen profiteren van de vooruitgang van de meteorologie."

Onderzoeksartikelen die voor dit artikel zijn gebruikt, zijn onder meer, "Antarctische wolk macrofysisch, thermodynamische fase, en atmosferische inversiekoppelingseigenschappen bij McMurdo Station. Deel I:Belangrijkste gegevensverwerking en klimatologie, " en "Optische eigenschappen van wolken boven West-Antarctica van kortegolfspectroradiometermetingen tijdens AWARE, " in de Journal of Geophysical Research:Atmosferen , 22 mei 2018, en 3 sept. 2018, respectievelijk; en "Januari 2016 uitgebreide zomersmelt in West-Antarctica, begunstigd door sterke El Niño, " in Natuurcommunicatie , 15 juni 2017.