I ricercatori della divisione Environmental Science di Argonne hanno partecipato a una delle più grandi campagne collaborative di misurazione atmosferica in Antartide negli ultimi decenni.

Il 13 maggio, 1887, il giornale Scienza pubblicò una breve storia dell'esplorazione antartica in cui delineava i risultati scientifici fino a quel momento ed esprimeva la speranza che una nuova esplorazione sarebbe stata presto intrapresa. L'articolo chiarisce che, alla fine del XIX secolo, gli scienziati hanno già compreso l'importanza della geografia della regione per la meteorologia e la regolazione delle correnti oceaniche.

"... i fenomeni meteorologici dell'emisfero australe dipendono da quelli della regione antartica, e la nostra conoscenza della meteorologia della terra sarà incompleta finché tali fenomeni della regione polare meridionale non saranno studiati a fondo."

Mentre la speranza per un'ulteriore esplorazione dell'Antartide si è concretizzata, tale esplorazione è arrivata a singhiozzo, dovuto in parte all'enorme investimento in tempo e denaro necessario per il trasporto, installare e mantenere la delicata strumentazione e una piccola schiera di scienziati. Il motivo principale, forse, è ciò che l'ingegnere di ricerca atmosferica Maria Cadeddu definisce con delicatezza le "condizioni proibitive" della regione.

È un posto difficile.

Nel 2015, Cadeddu e colleghi dell'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) hanno partecipato a una campagna di misurazione atmosferica collaborativa per comprendere l'impatto degli eventi regionali e su larga scala sul riscaldamento antartico. Il team era composto da una serie di istituzioni accademiche e laboratori nazionali, tra cui Argonne, Los Alamos e Brookhaven. La ricerca si è concentrata sulle proprietà micro e macro-fisiche delle nuvole antartiche, come la dimensione media delle goccioline o la quantità totale di liquido o ghiaccio contenuto in una nuvola. L'obiettivo era determinare la quantità di radiazione che le nuvole trasmetteranno in base a tali parametri.

Con sede presso la stazione McMurdo e sulla calotta glaciale dell'Antartide occidentale (WAIS), la campagna faceva parte del DOE Atmospheric Radiation Measurement (ARM) West Antarctic Radiation Experiment (AWARE), guidato dal Principal Investigator Dan Lubin della Scripps Institution of Oceanography. Lo studio di un anno ha schierato il più grande insieme di strumentazione per misurazioni atmosferiche antartiche da terra dal 1957, e i dettagli di quello studio stanno emergendo in una serie di riviste scientifiche, tra cui Nature Communications e Journal of Geophysical Research:Atmospheres.

"L'idea era di cercare di capire come le dinamiche atmosferiche, come masse d'aria che vengono dal mare, Per esempio, può influenzare le proprietà delle nuvole e come i cambiamenti nelle proprietà delle nuvole influenzano il bilancio energetico della regione, " disse Cadeddu, che lavora nella divisione di Scienze Ambientali di Argonne. "E capire come le nuvole influenzano un sistema può aiutare con le future proiezioni climatiche".

L'Antartide è una regione importante per i modelli climatici, ha notato, ma i modelli si basano sui dati, più è preciso meglio è. Ad oggi, I modelli climatici antartici sono stati poco accurati perché la scienza non ha osservazioni quantitative della regione; le osservazioni disponibili provengono dai satelliti, che hanno problemi a latitudini molto alte e basse. Ma visto il tempo e la strumentazione fornita da AWARE, i ricercatori hanno iniziato a riempire molti pezzi mancanti nel puzzle climatico generale dell'Antartide.

A casa, dove le temperature sono meno rigide, Cadeddu fa parte del team di ricerca sulle nuvole e le radiazioni delle Argonne che include Virendra Ghate, un meteorologo radar, e Donna Holdridge, il mentore ARM per i sistemi di radiosondaggio. Il team di ricerca su nubi e radiazioni ha contribuito con la propria esperienza in apparecchiature di telerilevamento, compresi LiDAR (rilevamento e rilevamento della luce) e dispositivi radar, spettrometri a onde corte e radiometri a microonde per la misurazione delle radiazioni, e radiosonde (apparecchi a palloncino che misurano le condizioni atmosferiche superiori).

Poiché i sensori remoti trasmettono dati grezzi, i ricercatori devono elaborare e interpretare le informazioni per ottenere misurazioni dirette o grandezze fisiche. Per esempio, i segnali inviati dai dispositivi LiDAR e radar ritornano come segnali sparsi correlati a meccanismi di alterazione delle nuvole come le radiazioni.

"Questi sensori utilizzano la conoscenza di come la radiazione si propaga attraverso un mezzo, così come il modo in cui nuvole e gocce di pioggia interagiscono con le radiazioni. Quando esaminiamo questi segnali, possiamo stimare proprietà specifiche del cloud, come le dimensioni delle particelle o la quantità di vapore, acqua liquida o ghiaccio che contengono, " ha spiegato Cadeddu.

Le fasi del cloud sono rilevanti per la proprietà radiativa, o quanta radiazione trasmettono le nuvole, assorbire o disperdere. I ricercatori di Argonne hanno utilizzato queste informazioni, in parte, per comprendere le differenze tra le condizioni delle nuvole nell'Artico e nell'Antartico e il loro effetto sul clima regionale.

Tra le maggiori differenze, L'Antartide mostra molto meno inquinamento antropogenico rispetto all'Artico. Mentre questo offre condizioni più incontaminate per lo studio delle nuvole, i minori livelli di inquinamento influiscono anche sulla quantità di acqua liquida presente nelle nuvole a temperature molto basse.

I modelli convertono tutto il liquido in ghiaccio quando le nuvole raggiungono temperature vicine a -20 gradi C. Ma il team ha scoperto che lo strato liquido persiste a temperature fino a -35 gradi C nelle nuvole sopra McMurdo. Anche piccole quantità di liquido possono avere un effetto riscaldante sulla superficie dell'Artico, quindi il team sta cercando di determinare quali effetti legati al clima potrebbero avere queste nuvole sature di liquidi nel sud.

La campagna AWARE ha fatto notizia nel 2016, quando gli scienziati che effettuavano misurazioni lungo lo spartiacque dell'Antartico occidentale hanno catturato uno dei più grandi eventi di fusione superficiale mai registrati. Tradizionalmente, gli eventi di scioglimento superficiale della calotta glaciale sono attribuiti all'acqua calda dell'oceano sotto le piattaforme di ghiaccio costiere, ma ampie osservazioni hanno mostrato fattori esterni all'opera, anche. Gli scienziati attribuiscono parte dello scioglimento a un forte evento di El Niño combinato con le condizioni regionali, alcuni dei quali si riferivano a nubi portatrici di liquidi.

"Le nuvole esercitano un'importante influenza sull'equilibrio dell'energia in entrata e in uscita in superficie, e queste nuvole otticamente sottili di basso livello possono avere un ruolo determinante nel causare o prolungare le condizioni di scioglimento sulle calotte glaciali, " disse Cadeddu.

Le caratteristiche delle nuvole potrebbero non essere state parte della più ampia considerazione dei "fenomeni meteorologici dell'emisfero australe" quando il Scienza articolo apparso nel 1887. Qualunque siano i fattori, l'autore ha chiarito che la scienza del XIX secolo stava guardando a un più ampio, un'immagine più lungimirante che ha lasciato spazio al potenziale ruolo delle nuvole quando hanno scritto quanto segue:

"... L'importante incidenza di questi problemi su questioni pratiche non può essere sopravvalutata. Il marinaio non può fare a meno della conoscenza delle correnti, venti, ed elementi magnetici, e non c'è quasi una classe di persone che non trarrà beneficio dal progresso della meteorologia."

I documenti di ricerca utilizzati per questo articolo includono, "Nuvola antartica macrofisica, fase termodinamica, e proprietà di accoppiamento per inversione atmosferica alla stazione McMurdo. Parte I:Principali elaborazioni dati e climatologia, " e "Proprietà ottiche delle nuvole sull'Antartide occidentale dalle misurazioni dello spettroradiometro a onde corte durante AWARE, " nel Journal of Geophysical Research:Atmospheres , 22 maggio 2018, e il 3 settembre 2018, rispettivamente; e "Gennaio 2016 ampio scioglimento estivo nell'Antartide occidentale favorito dal forte El Niño, " in Comunicazioni sulla natura , 15 giugno 2017.