Een team van atmosferische wetenschappers uit het hele land daalt af op de Houston, Texas, gebied voor de komende 14 maanden om antwoorden te zoeken op een vervelende vraag:doe kleine roetvlekjes, stof, rook, en andere deeltjes die in de atmosfeer van de aarde zijn gesuspendeerd, helpen bij het bepalen van de ernst van onweersbuien? De opgedane kennis kan weersvoorspellingen nauwkeuriger maken en cruciale gegevens opleveren voor het verbeteren van voorspellingen over hoe aerosolen het toekomstige klimaat op aarde kunnen beïnvloeden.

De inzet in Houston zal ook gedetailleerde gegevens opleveren over de lokale luchtkwaliteit. Als een uitgebreide veldstudie in een grootstedelijk gebied, het geeft wetenschappers een unieke kans om de effecten van de industrie te onderzoeken, emissies van voertuigen, en de gebouwde omgeving op weer en klimaat.

"We willen weten hoe aerosolen, de kleine deeltjes waarop water condenseert om wolkendruppels te vormen, invloed hebben op de fysica van diepe convectieve wolken - het soort wolken dat vaak bliksemt en stortregent - en vervolgens hoe diezelfde weersomstandigheden de lokale aerosolkenmerken en stedelijke luchtkwaliteit beïnvloeden, " zei Michael Jensen, een meteoroloog bij het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) en hoofdonderzoeker voor de TRACER-veldcampagne. TRACER is een afkorting voor Tracking Aerosol Convection interactions ExpeRiment, een studie uitgevoerd door DOE's Atmospheric Radiation Measurement (ARM) gebruikersfaciliteit.

In nauwe samenwerking met onderzoekers van de Universiteit van Houston, TRACER-wetenschappers uit Brookhaven, Los Alamos Nationaal Laboratorium, en andere instellingen zullen een heel jaar lang gegevens verzamelen over aërosolen en atmosferische kenmerken. Het team zal een reeks instrumenten inzetten die worden geleverd en bediend door ARM op vier locaties net buiten de stad. Tijdens een intensieve studieperiode van juni tot en met september 2022, aanvullende partners van de National Science Foundation, nasa, de Texas Commission on Environmental Quality, en andere bureaus zullen zich bij het team voegen om de piek van het zomerstormseizoen in Houston te vangen.

Met een vochtig subtropisch klimaat, talrijke geïsoleerde convectieve stormen, en een reeks industriële en natuurlijke aerosolbronnen, Houston is de perfecte plek voor de studie.

"We zijn een kustomgeving, dus het is bijzonder uitdagend om het weer te voorspellen, " zei James Flynn, universitair hoofddocent onderzoek aan de afdeling Aard- en Atmosferische Wetenschappen van de Universiteit van Houston aan het College voor Natuurwetenschappen en Wiskunde. "We hebben veel onweer, we hebben vervuiling en enkele natuurlijke bronnen van fijnstof."

Voorbeelden zijn stof, zeezout, deeltjes uitgestoten door dieselmotoren, roet van verbrandingsprocessen in elektriciteitscentrales en raffinaderijen, veel stadsverkeer, en zelfs rook van bosbranden in Californië en Colorado.

Sommige onderzoeken suggereren dat dergelijke aerosolen de levenscyclus van wolken kunnen veranderen, het uitstellen van het begin van de neerslag. Als dat gebeurt, als wolken groeien, waterdruppels kunnen groter worden. "En als ze vallen, het is een geulwasser, ' zei Flynn.

TRACER-gegevens zullen het begrip van deze processen verbeteren - en ons vermogen om te voorspellen wanneer de zondvloeden zullen plaatsvinden.

ARM-implementatie

De ARM-instrumenten, gehuisvest in 10 mobiele zeecontainers, staan ​​gezamenlijk bekend als "de eerste ARM Mobile Facility, " of AMF1. Veel van deze instrumenten, inclusief een aerosol-observatiesysteem dat is uitgerust bij Brookhaven Lab, zijn naar locaties over de hele wereld gereisd, van het noordpoolgebied tot de tropen, om atmosferische gegevens te verzamelen.

"Dit is de eerste inzet van de ARM Mobile Facility in een stedelijke kustomgeving, " zei Sally McFarlane, DOE programmamanager voor ARM. "De warme, vochtige lucht uit de Golf van Mexico helpt de vorming van veel geïsoleerde, matig sterke stormen - de stormen die waarschijnlijk rijp zijn om door aerosolen te worden beïnvloed. Die kustomstandigheden en Houston's mix van industriële en natuurlijke aerosolbronnen maken het gebied tot een ideaal laboratorium voor het bestuderen van aerosol-wolkinteracties."

Een ARM-team zal de containers opzetten, elke behuizing rekken van instrumenten en inlaatopeningen, nabij Galveston Bay — een gebied met veel industrie, raffinaderijen, en vervoer. Verschillende van de containers bevatten ook geavanceerde radars (die gebruikmaken van radiogolven) en lidars (die laserlichtpulsen gebruiken) om de hoogte te meten, diepte, en de hoeveelheid water in de wolken, naast andere belangrijke variabelen. Aanvullende meteorologische instrumenten zullen in een aangrenzend instrumentenveld opereren. Gezamenlijk volgen deze tools cloudeigenschappen; de grootte, nummer, en chemische samenstelling van spuitbussen; neerslag; en variabelen zoals temperatuur en vochtigheid die de atmosferische stabiliteit beïnvloeden.

Bemonstering door de hele atmosfeer

In de loop van het jaar, het ARM-team zal ook meer dan duizend weerballonnen lanceren met extra batterijgevoede sensoren, radiosondes genoemd, omhoog. De ballonnen zullen door en boven de wolken reizen, tot een hoogte tot 17 kilometer (bijna 56, 000 voet) - die vaak de stratosfeer bereiken - aanvullende gegevens over temperatuur verzenden, vochtigheid, druk, en kronkelt terug naar het onderzoeksstation beneden.

Sommige instrumenten met een ballon zullen ook de ozonconcentratie door de diepte van de atmosfeer meten.

"We zullen deze ozonmetingen gebruiken om meer te weten te komen over de luchtkwaliteit en hoe onweersbuien de lucht herverdelen tussen het oppervlak en de lucht, " zei Flynn. Ozon aan het oppervlak wordt gegenereerd wanneer chemicaliën die worden uitgestoten als onderdeel van auto-uitlaatgassen en industriële processen reageren met zonlicht. Dus, wanneer stormen lucht van het oppervlak naar boven door de atmosfeer transporteren, de verontreinigende stof kan dienen als tracer voor TRACER.

Land, zee, atmosferische interacties

Tijdens de intensieve studieperiode komende zomer, wetenschappers van TRACER en partnerbureaus zullen ook extra apparatuur inzetten in de buurt van de stad Guy, Texas, zuidwesten van de stad. Twee gekoppelde ballonsystemen, één op de locatie in Guy en één op Smith Point aan de oostkant van Galveston Bay, zal instrumenten dragen om winden te meten, kleine aerosoldeeltjes, en ozon in de laagste lagen van de atmosfeer. De metingen aan de kust van Galveston Bay zullen belangrijke informatie opleveren over hoe de baai de lokale atmosferische circulatie beïnvloedt.

In de tussentijd, de instrumenten in Guy zullen gegevens verzamelen op een meer landelijke locatie.

"We verwachten lagere aerosolconcentraties te zien, dus deze site zal dienen als een contrast met de AMF1-site en het mogelijk maken om de wolken- en neerslagkenmerken onder deze zeer verschillende omstandigheden te vergelijken, ' zei Mc Farlane.

Tussen de twee belangrijkste landsites, een scanning ARM-neerslagradar in Pearland zal de eigenschappen van wolken volgen.

"Deze radar verzamelt gegevens over cloudeigenschappen, inclusief de snelheid van verticale opwaartse stromingen die invloed hebben op hoe snel wolken groeien, ijs vormen, en regen en bliksem voortbrengen. Het zal gedurende de hele studieperiode werken, ' zei Jensen.

Vervolgens, tijdens de intensieve studieperiode, met behulp van unieke observatietechnieken, de radar kan naar fijnere details in de wolken kijken, inclusief de grootte en vorm van de wolkendruppels en of ze ijs of vloeistof zijn. "Het zal in staat zijn om naar de atmosfeer boven elke locatie te kijken omdat ze verschillende aerosolomstandigheden ervaren, ' zei Jensen.

De radar wordt aangedreven door software ontwikkeld door Brookhaven-wetenschapper Pavlos Kollias en geprogrammeerd met behulp van kunstmatige intelligentie (AI) en bestaande datasets. "Met deze software kan de radar de stormen selecteren waarvan we denken dat ze zich zullen ontwikkelen en over de locaties gaan, en zoom dan in en scan met hoge resolutie om details te onderzoeken van hoe aerosolen de neerslagdruppels daar beïnvloeden, ' zei Jensen.

Gegevens delen en toepassen

Alle gegevens die door ARM worden verzameld, zijn vrij beschikbaar voor iedereen die ze wil analyseren.

"We hopen dat de dingen die we hier leren, de processen binnen convectieve activiteit, hoe vervuiling stormen beïnvloedt, toepasbaar zal zijn in andere grote stedelijke gebieden met veel convectie, " Flynn zei. "Met veel projecten, je komt echt neer op een echte kernwetenschap. Mensen weten soms niet waarom het ertoe doet. Dit is een van die projecten die heel goed van toepassing is op het dagelijks leven hier in Houston."

Het onderzoek zal ook buiten de regio Houston worden toegepast. DOE's Atmospheric System Research (ASR) -programma heeft al toegezegd 10 TRACER-projecten te financieren onder leiding van universitaire onderzoekers.

"De wetenschappelijke doelstellingen van TRACER sluiten aan bij ASR's focus op cloud, aërosol, neerslag, en stralingsprocessen, " zei Jeff Stehr, een DOE programmamanager voor ASR. "Convectieve wolken komen over de hele wereld voor, maar er zijn nog veel vragen over hoe ze worden beïnvloed door hun omgeving. TRACER zal ons begrip verbeteren van hoe deze wolken ontstaan, groeien, en verval in en rond een stedelijke kustomgeving. Bij de eerste reeks door ASR gefinancierde projecten zijn onderzoeksteams uit het hele land betrokken, en zal metingen en modellering toevoegen aan de TRACER-campagne."

Gegevens verzameld door TRACER zullen ook nuttig zijn voor het begrijpen van processen die relevant zijn voor hoe orkanen ontstaan ​​en hoe lang ze duren.

En hoewel weer en klimaat op verschillende tijdschalen werken, ze gaan allebei over "de fysica van de atmosfeer van de aarde, " Zei Jensen. "Het begrijpen van stormen is belangrijk voor het begrijpen van het klimaat, omdat stormen warmte en vocht door de atmosfeer herverdelen. En die herverdeling wordt beïnvloed door kleinschalige processen in de atmosfeer, waaronder interacties met aerosolen. Dat is waar we mee worstelen in de modellen van klimaat en weer."

"TRACER zal enkele van de ontbrekende gegevens invullen om ons te helpen die modellen te verbeteren."