Het Duitse onderzoeksvliegtuig HALO zal het zuidelijk halfrond verkennen als onderdeel van het SouthTRAC-project (Transport and Composition of the Southern Hemisphere UTLS) in september en november 2019. Gegevens van het zuidelijk halfrond zijn cruciaal om te begrijpen hoe klimaatverandering de wereldwijde atmosferische stromen. Echter, op het zuidelijk halfrond op hoogtes van 10 tot 15 kilometer zijn bijna geen metingen verricht. Het SouthTRAC-project wil deze lacunes in ons begrip opvullen.

De belangrijkste doelstellingen van de eerste fase van deze campagne zijn het onderzoeken van de aantasting van de ozonlaag boven Antarctica in de lente, het zogenaamde ozongat, en om het belang van zwaartekrachtgolven boven de zuidpunt van Amerika en Antarctica voor de circulatie in de stratosfeer te evalueren. De stratosfeer bevat de ozonlaag en is de atmosferische laag op hoogtes boven de 12 kilometer. In de tweede fase van de campagne die in november plaatsvindt, de belangrijkste wetenschappelijke focus zal liggen op het onderzoeken hoe luchtmassa's worden uitgewisseld en gemengd tussen de stratosfeer en de troposfeer, met name in subtropische gebieden.

Tijdens de transfervluchten tussen Europa en Zuid-Amerika, wetenschappers zullen onderzoeken, onder andere onderwerpen, het effect van de huidige verbranding van biomassa in het Amazone regenwoud op de atmosferische samenstelling en het klimaat. Wetenschappers van de Johannes Gutenberg-universiteit Mainz (JGU) en de Goethe-universiteit Frankfurt, samen met Forschungszentrum Jülich, het Duitse Lucht- en Ruimtevaartcentrum (DLR), en het Karlsruhe Institute of Technology (KIT), zal de uitgebreide onderzoeksvluchten coördineren. Voor dit project, de universiteiten van Mainz en Frankfurt werken samen in de alliantie Rhine-Main Universities (RMU).

Focus op de impact van broeikasgassen op klimaatverandering

Spoorgassen zoals kooldioxide en waterdamp zijn krachtige broeikasgassen en spelen een belangrijke rol bij klimaatverandering. Dit omvat ook stratosferisch ozon, dat werkt als een broeikasgas. Sinds het einde van de jaren tachtig is het Montreal Protocol heeft het gebruik van chloorfluorkoolwaterstoffen (CFK's) verboden, die de ozonlaag ernstig aantasten. Echter, het zal vele decennia duren voordat de ozonlaag is hersteld. Tegelijkertijd, klimaatverandering beïnvloedt het waterdampgehalte van de atmosfeer. De wetenschappers van de SouthTRAC-campagne onderzoeken momenteel de betekenis hiervan voor de chemische samenstelling van de lucht op het zuidelijk halfrond en voor de wereldwijde klimaatverandering.

Een regio met een bijzonder ernstige aantasting van de ozonlaag bouwt zich jaar na jaar op boven Antarctica. De atmosferische omstandigheden die het meest bijdragen aan de aantasting van de ozonlaag boven Antarctica zijn lage temperaturen en verminderde luchtmassa-uitwisselingen tussen midden- en hoge breedtegraden in de stratosfeer. Deze laatste worden mogelijk gemaakt door een stabiele vortex, de zogenaamde Antarctische polaire vortex.

De onderzoeksgroepen zijn geïnteresseerd in de aantasting van de polaire ozon zelf, en in de vraag hoe luchtmassa's uit de vortex de samenstelling van het gebied beïnvloeden op een hoogte van 10 tot 15 kilometer. Deze regio is ook van bijzonder belang voor het klimaat op grondniveau. Waterdamp en ozon spelen hierbij een sleutelrol, omdat hun verdeling rechtstreeks de energiebalans van de atmosfeer beïnvloedt. Naast de effecten van polaire ozonchemie, emissies van bosbranden in de Amazone en Centraal-Afrika interfereren met de chemische processen op de grond die bepalend zijn voor de productie en vernietiging van ozon en andere stoffen.

De wetenschappers zullen de chemische stof analyseren, evenals de dynamische effecten die van invloed zijn op de distributie en vermenging van stoffen die de atmosferische chemie en uiteindelijk het klimaat op aarde beïnvloeden. Dit onderzoek zal zich vooral richten op de invloed van troposferische depressies, stratosferische circulatie, en de polaire vortex. De relatieve rol van al deze verschijnselen op het gebied tussen 10 en 15 kilometer hoogte verschilt aanzienlijk tussen het zuidelijk en noordelijk halfrond.

JGU heeft hoofdrol in SouthTRAC

Wetenschappers van de groep van professor Peter Hoor aan het JGU Institute of Atmospheric Physics maken deel uit van de projectstuurgroep, het uitvoeren van metingen van koolmonoxide en kooldioxide, onder andere soorten. Deze soorten duiden mogelijk op het effect van verbrandingsprocessen op hoogtes tot 15 kilometer, zelfs in het geval van branden die enkele duizenden kilometers verderop branden. In aanvulling, deze metingen zullen worden gebruikt om de tijdschalen te onderzoeken van de dynamische processen die de verdeling van luchtmassa's bepalen en de klimaatrelevante soorten ozon en waterdamp beïnvloeden. Dit project wordt uitgevoerd in samenwerking met de Goethe Universiteit Frankfurt, ondersteund door beide universiteiten in het kader van de Initiative Funding for Research of the Rhine-Main Universities (RMU).

Een van de leidende wetenschappers is Dr. Heiko Bozem, die ook de lange transfervlucht van Oberpfaffenhofen naar Tierra del Fuego heeft gemaakt. In de tweede fase, Dr. Daniel Kunkel zal vluchtplannen opstellen op basis van de huidige weersvoorspellingen en zal ook aan boord van HALO dienen als missiewetenschapper.

Meteorologische en chemische voorspellingsmodellen zullen worden gebruikt om informatie te verstrekken over het lokale weer, de atmosferische omstandigheden en de verspreiding van sporengas, die nodig zijn voor een nauwkeurige vluchtplanning. Chemische voorspellingen zullen ter plaatse beschikbaar zijn, met behulp van het Chemical Lagrangian Model of the Stratosphere (CLaMS) ontwikkeld bij Forschungszentrum Jülich. Meteorologische voorspellingen zijn voornamelijk gebaseerd op numerieke weersvoorspellingen van het European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF), maar worden ook geleverd door de Duitse, Britse en Argentijnse meteorologische bureaus. De HALO-metingen van de atmosferische samenstelling op lange afstand zullen worden aangevuld met meetactiviteiten op de grond. De metingen zullen worden gedaan door radiosondes en aan boord van een van de zweefvliegtuigen die vanuit de stad El Calafate opereren.

Tropopauze en broeikasgassen

De tropopauze is de grens tussen de weer-actieve troposfeer en de stratosfeer erboven. Op de middelste breedtegraden, de tropopauze heeft een lange termijn gemiddelde hoogte van 8 tot 12 kilometer; in de tropen kan de hoogte oplopen tot 18 kilometer hoogte. Concentraties van broeikasgassen zoals waterdamp en ozon veranderen sterk op deze hoogte.

Terwijl waterdamp sterk afneemt met de hoogte, ozon vertoont een sterke toename onder vorming van de ozonlaag. De mate van deze respectievelijke afname en toename van de concentratie in het tropopauzegebied beïnvloedt uiteindelijk de temperatuur op de grond, door de absorptie van zonne- en aardse straling. Op basis van satellietmetingen onderzoekers gaan ervan uit dat de verdeling van broeikasgassen in de tropopauze verschilt tussen het noordelijk en zuidelijk halfrond. SouthTRAC onderzoekt dit verschil nu voor het eerst goed.

Oceanen, bergen, en zwaartekrachtgolven

De polaire vortex wordt gevormd in de winter wanneer er geen zonlicht beschikbaar is om de luchtmassa's boven Antarctica te verwarmen. Terwijl ze afkoelen, deze luchtmassa's beginnen te zinken, wat er op zijn beurt voor zorgt dat luchtmassa's van lagere breedtegraden naar de pool stromen. Onder invloed van de draaiing van de aarde, deze luchtmassa's beginnen bij zeer hoge windsnelheden rond de paal te draaien om de polaire vortex te vormen, die het hele continent Antarctica in de stratosfeer omspant. Het is in het geïsoleerde binnenste van dit vortexsysteem dat de chemische reacties plaatsvinden die in de lente het zogenaamde gat in de ozonlaag op het zuidelijk halfrond veroorzaken. De positie van deze vortex kan worden verstoord door zwaartekrachtgolven.

Zwaartekrachtgolven manifesteren zich als periodieke temperatuurschommelingen, druk, en wind die zich voortplant naar hoogten tot 90 kilometer in de middelste atmosfeer, die bestaat uit de stratosfeer en de mesosfeer. Ze zijn opgewonden wanneer sterke windsystemen hoge bergketens ontmoeten. Met uitgestrekte bergen die van noord naar zuid lopen en een groot obstakel vormen voor de zeer sterke wind op deze breedtegraden, de zuidpunt van Zuid-Amerika en het Antarctisch schiereiland zijn ideale locaties om de levenscyclus van deze golven en hun invloed op de klimaatverandering op het zuidelijk halfrond te bestuderen.

Nachtdiensten voor onderzoek

Om de eigenschappen van zwaartekrachtgolven te analyseren, de onderzoekers installeerden een laser aan boord van het vliegtuig. Om te voorkomen dat de lasermetingen worden verstoord, de vluchten vinden alleen 's nachts plaats. "De vele nachtvluchten vormen een hele uitdaging voor de wetenschappers, " zei Dr. Heiko Bozem. "Onze dienst in Rio Grande begint om 18.00 uur. zodat de vluchten in het donker kunnen plaatsvinden." het HALO-vliegtuig reisde in drie fasen naar de projectlocatie, van Oberpfaffenhofen bij München via de Kaapverdische eilanden naar Buenos Aires en vervolgens naar Tierra del Fuego.