Nubi basse popolano i primi due chilometri dell'atmosfera. Le nuvole cumuliformi si accumulano in alto e sono formate da colonne di aria che si alza rapidamente. Gli stratiformi sono simili a fogli e mostrano un piccolo movimento d'aria verticale.

Poiché le nuvole basse sono abbondanti a livello globale, hanno un impatto enorme sul bilancio energetico delle radiazioni del pianeta e sul suo clima. Parte di questo impatto deriva dall'influenza che le nuvole basse hanno sull'albedo terrestre, una misura di quanta energia solare viene irradiata nello spazio.

Eppure le nuvole basse sono scarsamente rappresentate nei modelli del sistema terrestre, una grande fonte di incertezza nelle simulazioni climatiche. Le lacune nei dati osservativi sono in gran parte da biasimare. Nelle regioni marine remote, ad esempio, le nuvole basse, chiamate nuvole Marine Boundary Layer (MBL), sono difficili da misurare per il loro carico di condensa, per le loro proprietà radiative, e per come sono organizzati su scale fino a 100 chilometri.

Un'altra fonte di incertezza è il modo in cui le nuvole basse rispondono ai cambiamenti negli aerosol, le particelle solide o liquide sospese, al loro interno. Negli aerosol, le perturbazioni sia naturali che antropogeniche (umane) possono influenzare il modo in cui le nuvole diffondono o assorbono le radiazioni, come creano precipitazioni, e quanto tempo vivono.

A partire da questo giugno, una nuova campagna di ricerca sponsorizzata dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) affronterà tali incertezze di modellazione. La campagna Aerosol and Cloud Experiments in Eastern North Atlantic (ACE-ENA), un tentativo di colmare alcune lacune nei dati osservativi, dovrebbe svolgersi in due fasi di 40 giorni, una a giugno e a luglio di quest'anno, e uno a gennaio e febbraio 2018.

Il centro operativo della campagna è l'Atlantico settentrionale orientale (ENA), un osservatorio atmosferico fisso sull'isola di Graciosa nelle Azzorre ad ovest del Portogallo. È gestito dall'Atmospheric Radiation Measurement (ARM) Climate Research Facility, una struttura per utenti scientifici DOE con tre osservatori fissi in regioni del globo sensibili al clima.

Durante l'esame dei principali processi di cloud e aerosol in un ambiente marino remoto, Gli scienziati di ACE-ENA affronteranno anche una serie di obiettivi scientifici. Indagheranno il bilancio e le variazioni stagionali nei nuclei di condensazione delle nubi; le strutture microfisiche e macrofisiche all'interno delle nuvole MBL; come l'aria ambientale si mescola—trascina—nelle correnti e nelle nuvole; e come gli algoritmi attuali gestiscono le nuove misurazioni della turbolenza aerotrasportate, contenuto di acqua liquida, e la dimensione delle goccioline sia della pioggerellina che delle nuvole.

Dall'alto e dal basso, sinergia

La combinazione di osservazioni a terra e in aereo crea una fruttuosa sinergia al centro delle misurazioni ACE-ENA, afferma l'investigatore principale della campagna Jian Wang, uno scienziato atmosferico al Brookhaven National Laboratory (BNL) di New York. "Ottieni un quadro più completo di aerosol e nuvole".

Gli strumenti fissi a terra funzionano continuamente per lungo tempo, lui dice. Gli aerei coprono intervalli di tempo più brevi, ma ottenere informazioni più dettagliate sui processi interconnessi di aerosol e cloud relativi ai gas in traccia, pioggerella, e termodinamica atmosferica. Misure aeree, dice Wang, anche aiutare a convalidare quelli da terra.

Campagne simili alla ricerca di dati sulle nuvole marine basse sono state eseguite al largo delle coste del Cile e della California, lui dice, ma ACE-ENA sarà la prima a coordinare in modo significativo le osservazioni aeree e terrestri nel Nord Atlantico orientale.

Una misura della novità e della promessa della campagna è il numero di scienziati che non solo hanno firmato come co-investigatori e collaboratori, ma che appariranno sul posto durante la campagna, anche solo per aiutare con le previsioni del tempo. "Un buon numero di persone si presenterà, " dice Wang. È un utente di dati ARM di lunga data ed è attivo in comitati e gruppi di lavoro per la ricerca sul sistema atmosferico del DOE, che si coordina con l'ARM Facility sulla raccolta e l'analisi dei dati relativi a nuvole e aerosol.

Durante ACE-ENA, molti dei dati di cui hanno bisogno gli scienziati vengono raccolti al meglio da piattaforme aeree. A fare il lavoro pesante sarà il velivolo di ricerca Gulfstream-159 (G-1) di ARM, il fulcro dell'ARM Aerial Facility (AAF) gestito dal Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) a Richland, Washington. Trasporterà 55 sistemi di strumenti durante voli programmati di spirali e gambe.

Nelle spirali, l'aereo vola su e giù attraverso una gamma di altitudini per raccogliere profili verticali di aerosol e nuvole. Le tratte vengono volate a più altitudini per acquisire dati dal basso, entro, e sopra la copertura nuvolosa. I modelli di volo delle gambe forniscono immagini dettagliate dei dati delle distribuzioni verticali e delle variazioni orizzontali di nuvole basse e aerosol.

Le gambe sono talvolta anche volate nella troposfera libera, in alto sopra le nuvole dello strato limite. I dati di questa regione atmosferica aiuteranno gli scienziati a capire se le particelle di aerosol osservate provengono da fonti locali, o vengono trasportati su lunghe distanze.

Le griglie di volo di 60×60 chilometri dell'esperimento si concentreranno sul sito terrestre dell'ENA sull'isola di Graciosa. La maggior parte delle piste aviotrasportate rientrerà nel raggio d'azione dei radar di scansione ENA, consentendo agli scienziati di ottenere il tipo di informazioni microfisiche dettagliate necessarie per valutare gli algoritmi utilizzati per recuperare le informazioni sulle nuvole dalle osservazioni radar.

Per buoni dati, molto tempo di volo

Il G-1, un laboratorio di ricerca aereo biturboelica, volerà due missioni di 40 giorni durante la campagna in due fasi, circa 20 voli ogni volta, per un massimo di quattro ore alla volta. "Voleremo più che possiamo, ", afferma il manager dell'AAF Beat Schmid, uno scienziato atmosferico al PNNL.

Durante ACE-ENA, il G-1 sarà basato a 90 chilometri da Graciosa, in una base aerea congiunta USA-Portogallo chiamata Lajes, sull'isola di Terceira.

Nel frattempo, entro il 20 aprile il pacchetto strumentale G-1 sarà stato completamente integrato e testato in un aeroporto non lontano dal PNNL, un processo iniziato il 10 febbraio. Poi circa la metà di quell'attrezzatura doveva essere imballata e spedita separatamente, dice Schmid, "così abbiamo abbastanza carburante" per attraversare l'Atlantico da uno scalo a St. John's, Terranova. Una volta a Lajes, il 15 giugno, sia l'aereo che gli strumenti saranno reintegrati.

A bordo, in un primo per un aereo DOE, sarà un rilevatore olografico per le nuvole (HOLODEC), un dispositivo montato sulle ali che scatta immagini multidimensionali "incredibilmente dettagliate" di goccioline di nuvole, dice Schmid. "Non è un'immagine in senso convenzionale." Il processo è così intensivo di dati, Aggiunge, che i file enormi risultanti, troppo grandi per Internet, devono essere rispediti ad ARM su dischi.

L'HOLODEC fornisce informazioni su come le goccioline di nuvole interagiscono su scale microfisiche. Aiuterà anche gli scienziati di ACE-ENA a studiare come la distribuzione dimensionale delle goccioline di nuvole è influenzata dalla miscelazione di aria torbida con aria più secca, aria non nuvolosa.

Il velivolo G-1 farà volare anche lo spettrometro di mobilità integrato veloce (FIMS), uno strumento unico sviluppato presso BNL che viene utilizzato per misurare sia le concentrazioni di aerosol che la distribuzione delle dimensioni delle particelle di aerosol.

Gli strumenti di ACE-ENA, in terra e in aria, condividono tutti un'unica missione collaborativa:ottenere i migliori dati di sempre sulle nuvole basse legate al clima in un ambiente marino remoto.

"Se li sbagli nei modelli, "dice Schmid, "ha un impatto enorme".