De atmosfeer van het centrale Noordpoolgebied is vervuild met fijnstof uit Siberië en Noord-Amerika. Dit was het resultaat van een voorlopige evaluatie van de eerste lidar-metingen van het Leibniz Institute for Tropospheric Research (TROPOS) tijdens de eenjarige MOSAiC-expeditie aan boord van de RV Polarstern. Voor de eerste keer, een multi-golflengte lidar werd gebruikt tijdens de poolnacht in het centrale Noordpoolgebied, die stofdeeltjes kan meten op hoogtes tot 14 kilometer met laserpulsen vanaf de grond.

Eerste gegevens tonen verschillende stoflagen van menselijke bronnen en bosbranden op een hoogte van 5, 6 en 12 kilometer. De gegevens geven aan dat de bovenste atmosfeer van de regio rond de Noordpool in de winter meer vervuild is dan eerder werd aangenomen. In de komende maanden, de internationale MOSAiC-expeditie onder leiding van het Alfred Wegener Instituut, het Helmholtz Centrum voor Polair en Marien Onderzoek (AWI), zal gegevens verstrekken over klimaatverandering in het centrale Noordpoolgebied, waarvoor bijna geen metingen beschikbaar zijn vanwege de extreme omstandigheden van de poolnacht.

Op 4 oktober, het onderzoeksschip Polarstern bereikte de ijsschots op 85° Noord en 137° Oost waarmee de ijsbreker en een uitgebreid meetnetwerk op het ijs een jaar lang door het centrale Noordpoolgebied op de Noordpool willen afdrijven. Met de officiële start van de MOSAiC expeditie, ook de OCEANET-container aan boord van Polarstern begon zijn werk. "Samen met de containers van onze Amerikaanse en Zwitserse partners, onze container staat op het voordek van RV Polarstern. Direct na het einde van de laadwerkzaamheden kon ik onze laser in gebruik nemen. Het doel is om een ​​jaar lang de klok rond de zwevende deeltjes in de atmosfeer boven het schip te meten, " meldt Dr. Ronny Engelmann van TROPOS, die verantwoordelijk is voor de metingen aan boord tijdens het eerste deel van de reis totdat hij in december 2019 wordt vervangen.

Atmosferisch onderzoek is dus baanbrekend:"De werking van ons op laser gebaseerde teledetectiesysteem PollyXT in het centrale Noordpoolgebied is tot nu toe uniek. Nooit eerder is de atmosfeer in dit afgelegen gebied bestudeerd met een lidar met meerdere golflengten die met licht werkt van verschillende golflengten van ultraviolet tot infrarood Alleen met deze combinatie is het mogelijk om verschillende zwevende deeltjes te bepalen die afkomstig kunnen zijn van verschillende bronnen zoals bosbranden, vulkanische as, antropogene luchtverontreiniging of het zeeoppervlak, " legt Dr. Albert Ansmann uit, hoofd van de grondgebonden teledetectiegroep bij TROPOS.

Al meer dan 20 jaar, TROPOS heeft lidar-apparaten ontwikkeld en gebruikt om de eigenschappen van zwevende deeltjes te onderzoeken, aerosolen genoemd. Deze apparaten scannen de atmosfeer boven de grond als een lichtradar met laserlicht en worden daarom lidars genoemd. Afhankelijk van het oppervlak en de vorm van de deeltjes, het laserlicht wordt anders gereflecteerd. Als niet alleen de looptijd en de hoeveelheid gereflecteerd licht worden gemeten, maar ook de polarisatie, dan kunnen conclusies worden getrokken over de eigenschappen van de deeltjes. Het team van RV Polarstern gebruikt de nieuwste generatie van het mobiele lidarsysteem PollyXT, die laserpulsen uitstraalt van ultraviolet (355 nanometer golflengte), groen (532 nanometer golflengte) en infrarood (1064 nanometer golflengte) licht. Het wordt ontvangen op 13 kanalen en dekt zo een breed lichtspectrum tot in het infraroodbereik.

Omdat de luchtlagen op grondniveau in het noordpoolgebied bijzonder belangrijk zijn voor atmosferisch onderzoek, het was uitgerust met een near-field-kanaal om gegevens te verzamelen van 50 m boven het schip tot een hoogte van 35 km. In aanvulling, het meet met twee gezichtsvelden om de verstrooiing van licht in wolken beter te detecteren. Deze dual-field-of-view-technologie, ontwikkeld door TROPOS samen met de National Academy of Sciences van Wit-Rusland, maakt het mogelijk om de grootte en het aantal wolkendruppels te bepalen - een belangrijke parameter voor klimaatmodellen. Wereldwijd zijn er momenteel slechts twee toestellen van dit type. "Het andere apparaat bevindt zich in onze LACROS-container in Punta Arenas, Chili, waar we samen met de Magellan University (UMAG) en de University of Leipzig in de DACAPO-PESO-meetcampagne de atmosfeer bij Antarctica in de zuidpunt van Zuid-Amerika bestuderen. Door de identieke opbouw de gegevens van beide poolgebieden kunnen gemakkelijk worden vergeleken. We zijn benieuwd naar de resultaten, ’ zegt Ansmann.

MOSAiC maakt gebruik van een groot aantal state-of-the-art meetinstrumenten die elkaar aanvullen en samen een zo volledig mogelijk beeld moeten geven van het huidige klimaat in de regio rond de Noordpool. "Het op laser gebaseerde Polly-XT-systeem biedt een ongekend beeld van de verticale en temporele verdeling van aerosoldeeltjes in het noordpoolgebied onder een wolkenloze hemel. Al op de ochtend van 5 oktober, het klaarde op en bood de laser een onbelemmerd zicht op de atmosfeer. De waarnemingen leverden verrassende resultaten op:de atmosfeer op de afgelegen plek ongeveer 1000 kilometer ten noorden van Siberië was zwaar vervuild met zwevende deeltjes vanaf de grond tot een hoogte van 12 kilometer. Deze vervuiling kan niet van lokale bronnen komen, maar kan hoge breedtegraden alleen bereiken via langeafstandstransport, " meldt dr. Holger Baars, die meewerkt aan de data-evaluatie bij TROPOS in Leipzig.

Om de bronnen van luchtverontreiniging in het noordpoolgebied te beperken, weermodelsimulaties werden geëvalueerd en de oorsprong van de lucht werd over 10 dagen getraceerd. "Met behulp van zogenaamde achterwaartse trajecten, kunnen we bepalen waar de boven het schip gemeten lucht vandaan komt. Er werd aangetoond dat de luchtmassa's uit Zuid-Rusland door Zuid-Siberië aan de rand van de Centraal-Aziatische woestijnen via Kamtsjatka naar het oosten gingen voordat ze het Noordpoolgebied bereikten via Alaska. Dit komt overeen met de aërosol van bosbranden, industriële vervuiling en woestijnstof die we in de lidar-gegevens zien. En het past bij de stelling dat in de poolwinter het noordpoolgebied zich gedraagt ​​als een grote draaikolk die luchtvervuiling 'aanzuigt' uit grote delen van het noordelijk halfrond, " legt Martin Radenz van TROPOS uit, die de luchtmassasimulatie heeft gemaakt.

Bijna geen enkele andere regio op aarde is de afgelopen decennia zo opgewarmd als het noordpoolgebied. Sinds 2016, de Transregio 172 "Arctic Climate Change" van de Duitse Onderzoeksstichting (DFG) onder leiding van de Universiteit van Leipzig heeft de rol van wolken en de bijbehorende processen in de Arctische atmosfeer onderzocht. Er waren sterke verschillen in de vorming van ijs in wolken, afhankelijk van of de wolken de grond bereiken of niet. In feite, de TROPOS lidar-metingen tijdens de MOSAiC-testcampagne PASCAL in de zomer van 2017 toonden ijsvorming bij verrassend warme temperaturen.

"Het feit dat we de warmste ijswolken in het noordpoolgebied vinden, lijkt in eerste instantie paradoxaal, maar kan misschien worden verklaard door een uniek samenspel van temperatuur, vochtigheid en aerosol van biologische oorsprong, " zegt prof. Andreas Macke, Directeur van TROPOS en hoofdwetenschapper van de PASCAL-expeditie. Vragen over wolkenvorming zijn de focus van het huidige onderzoek om erachter te komen hoe ijskiemvormende deeltjes (INP's) wolkenvorming in het noordpoolgebied beïnvloeden en hoe deze op hun beurt de waargenomen opwarming beïnvloeden.

MOSAiC staat voor "Multidisciplinair drifting Observatory for the Study of Arctic Climate". MOSAiC omvat ook ongeveer twee dozijn onderzoekers uit Leipzig. Zowel het Leibniz Institute for Tropospheric Research (TROPOS) als de Universiteit van Leipzig zijn met uitgebreide instrumenten op weg in het noordpoolgebied. De MOSAiC-expeditie onder leiding van het Alfred Wegener Instituut, Helmholtz Centrum voor Polair en Marien Onderzoek (AWI), gaat gepaard met ongekende uitdagingen.

MOSAiC heeft een budget van zo'n 140 miljoen euro. In de loop van het jaar, ongeveer 300 wetenschappers uit 20 landen zullen aan boord zijn. Samen, ze willen voor het eerst het hele klimaatsysteem in het centrale noordpoolgebied verkennen. Ze gaan data verzamelen in de vijf deelgebieden van de atmosfeer, zee ijs, oceaan, ecosysteem en biogeochemie om de interacties te begrijpen die het Arctische klimaat en het leven in de Noordelijke IJszee vormen.