Al decenia, wetenschappers hebben gedebatteerd over de impact van door de mens gemaakte en milieudeeltjes in de atmosfeer, aerosolen genoemd, op zwaar weer. Klimaatstudies suggereren dat aerosolen kunnen helpen bij het vormen en zelfs versterken van elementen van stormen zoals regenval en bliksem.

Echter, het bestuderen van aerosolen in de atmosfeer is moeilijk. Er zijn veel soorten, en de deeltjes zijn klein. Hun chemische en fysische processen kunnen ook subtiel of van korte duur zijn. Wetenschappers hebben geuit dat er behoefte is aan meer gedetailleerde gegevens over aerosolen. Nieuwe data zijn vooral nodig om de weergave van wolken en stormen in klimaatmodellen te verbeteren.

Om deze belangrijke gegevens voor wetenschappers te verstrekken, beleidsmakers, en het publiek, het Office of Science van het Department of Energy ondersteunt een team van onderzoekers die wolken in de lucht van Texas met hoge resolutie scannen. Door aerosolen en wolken op deze manier te volgen, het team hoopt de relatie tussen de deeltjes beter te begrijpen, wolken, en stormen.

DOE's mobiele atmosferische observatorium

Een nieuw project genaamd TRACER—Tracking Aerosol Convection Interactions Experiment—maakt gebruik van een DOE mobiel observatorium van de Atmospheric Radiation Measurement (ARM) gebruikersfaciliteit om microprocessen in wolken vast te leggen. Het experiment loopt van oktober 2021 tot september 2022 in de omgeving van Houston.

Het ARM-observatorium bestaat uit draagbare onderkomens die zijn uitgerust met instrumenten en communicatieapparatuur. Het observatorium ziet er misschien onopvallend uit, maar het is een van 's werelds meest geavanceerde faciliteiten voor het verzamelen van atmosferische gegevens.

Het Biological and Environmental Research (BER)-programma van het Office of Science beheert verschillende ARM-observatoria als een faciliteit voor meerdere laboratoria. Al meer dan 30 jaar, onderzoekscampagnes hebben deze mobiele stations naar de grenzen van klimaat- en atmosferische wetenschap gebracht - van de Zuidpool naar de Noordpool naar de tropen. De gegevens die tijdens deze veldexpedities worden verzameld, helpen de voorspellingen van klimaatmodellen te verbeteren.

Ons begrip van aërosolen verbeteren

Aërosolen zijn door de mens gemaakte en natuurlijke deeltjes die in de atmosfeer terechtkomen. Door mensen gemaakte aerosolen kunnen verontreinigende stoffen bevatten die worden uitgestoten door auto's of industriële installaties. Natuurlijke aerosolen kunnen zeezout, stof, wildvuur rook, en andere deeltjes uit de omgeving, ofwel in de buurt of honderden mijlen gedragen door weer en wind.

"Een van de belangrijkste vragen van de TRACER-campagne is de mate waarin atmosferische aerosolen stormen ernstiger kunnen maken, " zei Shaima Nasiri, Programmamanager BER Atmospheric System Research.

Het verbinden van de stippen tussen kleine deeltjes en stormen is een complex probleem. Gelukkig, het oplossen van meerschalige problemen zoals deze, van fundamentele chemie tot wereldwijde klimaatmodellering, is een specialiteit van het Office of Science.

TRACER wordt geleid door DOE's Brookhaven National Laboratory hoofdonderzoeker Michael Jensen, met veel co-onderzoekers in andere nationale DOE-laboratoria, de Universiteit van Houston, en wetenschappers over de hele wereld. De campagne van een jaar zal zich richten op aërosolen die worden aangetroffen in diepe convectieve wolken - een veelvoorkomend type stormwolk.

"Convectieve wolken fungeren als de liften van de atmosfeer, Zei Jensen. "Ze zijn verticaal ontwikkeld en hebben de neiging om waterdamp te transporteren, warmte, momentum, en deeltjes van het oppervlak tot in de atmosfeer."

Om aërosol- en wolkeninteracties in tijd (minuten tot maanden) en ruimte (kleine deeltjes tot onweerswolken) beter te kunnen observeren, het TRACER-team heeft nieuwe tools toegevoegd aan de reeks sensoren van ARM, weer ballonnen, en radarbeelden.

Nieuwe scan- en kunstmatige-intelligentietechnieken zullen wolken automatisch volgen terwijl ze zich ontwikkelen. Vervolgens, gespecialiseerde radarsystemen zullen gedetailleerde metingen van wolken en deeltjes uitvoeren.

"We zullen ook aerosolen op het oppervlak verzamelen om hun grootte en aantal te meten, ' zei Jensen.

Deze tools zullen precisietechnieken uit het laboratorium lenen voor veldwaarnemingen.

Houston—Een echt cloudlaboratorium

Als je een wetenschapper bent die aerosolen bestudeert in convectieve wolken, Houston is een goede plek om je werk te doen. Het subtropische klimaat van de regio aan de Golf van Mexico ervaart voorspelbare zware regenval, stormen, overstromingen, en zelfs orkanen. Convectieve wolken hangen het halve jaar boven de stad en komen vaker voor in de natte, zomermaanden.

Houston is ook een bloeiende stad met scheepvaart en industrie - en de bijbehorende spuitbussen. Het grootstedelijk gebied scoort hoog onder Amerikaanse steden vanwege de slechte luchtkwaliteit, inclusief deeltjesvervuiling. Maar het uitgestrekte landschap van Texas rond de stad straalt heldere lucht uit, het verstrekken van een laboratorium-achtige controle-omgeving voor vergelijking.

Houston is ook een typisch Amerikaanse stad. Ongeveer 80 procent van de Amerikanen woont in stedelijke gebieden en ongeveer 40 procent woont aan de kust.

"De meerderheid van de mensen in de Verenigde Staten woont in steden als Houston, ' zei Nasiri.

Hoewel veel mobiele observatoria van ARM zijn ingezet in afgelegen omgevingen die kwetsbaar zijn voor klimaatverandering, TRACER kan als model dienen voor toekomstige stadscampagnes van ARM.

"Ik denk dat de technologie zover is gevorderd dat wetenschappers het gevoel hebben dat ze vooruitgang kunnen boeken op de prangende vragen in atmosferische wetenschappen met betrekking tot stedelijke effecten, ' zei Nasiri.

Zoals steden als Houston kunnen bevestigen, De gevolgen van klimaatverandering komen dichter bij huis dan ooit. Verwoestende stormen kunnen leiden tot verlies van mensenlevens, gevaarlijke stroomuitval, en kostbare materiële schade.

"Dit is onze eerste grote stedelijke veldcampagne in zijn soort, en vooruit gaan, we zijn geïnteresseerd in het nader bestuderen van emissies in steden, " zei Jeff Stehr, Programmamanager BER Atmospheric System Research.

Langdurige gegevens voor toekomstige klimaatstudies

Beschikbaar voor iedereen om te gebruiken, TRACER-gegevens zullen de komende jaren een belangrijke bron zijn voor wetenschappers en gemeenschappen. Hoewel de campagne gebaseerd is op fundamentele wetenschappelijke vragen over aërosolinteracties, het BER-programma verwacht dat TRACER-gegevens andere studies zullen informeren. Wetenschappers kunnen de gegevens gebruiken voor onderzoek, variërend van basiswetenschap over aërosolchemie tot vervuiling, extreem weer, en klimaatverandering en veerkracht. Het programma zelf zal fundamenteel wetenschappelijk onderzoek financieren met behulp van TRACER-gegevens nadat de campagne is voltooid.

"Ook van andere bureaus hebben we veel interesse gehad, met een diversiteit aan mensen die deelnemen, "Zei Jensen. "Het aanvankelijke wetenschappelijke team bestond uit 35 mede-onderzoekers, maar het is uitgegroeid tot een veel groter partnerschap met interagency en internationale medewerkers."

Om de verzamelde gegevens te maximaliseren en de resultaten te bundelen, andere Amerikaanse wetenschappelijke agentschappen, inclusief NASA, NOAA, en de National Science Foundation, zullen hun eigen atmosferische experimenten uitvoeren tijdens de TRACER-campagne. regionale organisaties, zoals de Texas Commission on Environmental Quality, werken ook mee aan het project.

Met veel mogelijke toepassingen voor TRACER's klimaatgegevens met hoge resolutie, onderzoeksresultaten zouden verder kunnen gaan dan de studie van aerosol- en cloudinteracties.

"We weten misschien niet eens wat het grootste resultaat van de campagne zal zijn, "Zei Nasiri. "De grootste afhaalmaaltijd zou iets kunnen zijn waar we niet eens aan denken."