Il velivolo di ricerca tedesco HALO esplorerà l'emisfero australe come parte del progetto SouthTRAC (Transport and Composition of the Southern Hemisphere UTLS) a settembre e novembre 2019. I dati dell'emisfero australe sono cruciali per la comprensione di come il cambiamento climatico sta influenzando l'atmosfera globale flussi. Però, quasi nessuna misurazione è stata effettuata nell'emisfero australe ad altitudini comprese tra 10 e 15 chilometri. Il progetto SouthTRAC mira a colmare queste lacune nella nostra comprensione.

Gli obiettivi principali della prima fase di questa campagna sono studiare l'esaurimento dell'ozono sull'Antartico in primavera, il cosiddetto buco dell'ozono, e valutare l'importanza delle onde gravitazionali sulla punta meridionale delle Americhe e dell'Antartico per la circolazione nella stratosfera. La stratosfera contiene lo strato di ozono ed è lo strato atmosferico ad altitudini superiori a 12 chilometri. Nella seconda fase della campagna che si svolgerà a novembre, il principale obiettivo scientifico sarà lo studio del modo in cui le masse d'aria vengono scambiate e mescolate tra la stratosfera e la troposfera, in particolare nelle regioni subtropicali.

Durante i voli di trasferimento tra Europa e Sud America, gli scienziati esploreranno, tra gli altri argomenti, l'effetto dell'attuale combustione della biomassa nella foresta pluviale amazzonica sulla composizione atmosferica e sul clima. Scienziati dell'Università Johannes Gutenberg di Magonza (JGU) e dell'Università Goethe di Francoforte, insieme al Forschungszentrum Jülich, il Centro aerospaziale tedesco (DLR), e il Karlsruhe Institute of Technology (KIT), coordinerà i vasti voli di ricerca. Per questo progetto, le università di Mainz e Francoforte stanno collaborando come parte dell'alleanza Rhine-Main Universities (RMU).

Concentrarsi sull'impatto dei gas serra sui cambiamenti climatici

I gas traccia come l'anidride carbonica e il vapore acqueo sono potenti gas serra e svolgono un ruolo importante nei cambiamenti climatici. Questo include anche l'ozono stratosferico, che funge da gas serra. Dalla fine degli anni '80, il Protocollo di Montreal ha vietato l'uso di clorofluorocarburi (CFC), che impoveriscono gravemente lo strato di ozono. Però, ci vorranno molti decenni prima che lo strato di ozono si riprenda. Allo stesso tempo, il cambiamento climatico sta influenzando il contenuto di vapore acqueo dell'atmosfera. Gli scienziati della campagna SouthTRAC stanno attualmente esaminando in dettaglio l'importanza di ciò per la composizione chimica dell'aria nell'emisfero meridionale e per il cambiamento climatico globale.

Una regione con un impoverimento dell'ozono particolarmente grave si sta formando anno dopo anno sull'Antartico. Le condizioni atmosferiche che contribuiscono maggiormente alla riduzione dell'ozono sull'Antartico sono le basse temperature e i ridotti scambi di massa d'aria tra le medie e le alte latitudini nella stratosfera. Questi ultimi sono abilitati da un vortice stabile, il cosiddetto vortice polare antartico.

I gruppi di ricerca sono interessati allo stesso impoverimento dell'ozono polare, e nella questione di come le masse d'aria del vortice influenzino la composizione della regione ad altitudini da 10 a 15 chilometri. Questa regione è anche di particolare importanza per il clima a livello del suolo. Il vapore acqueo e l'ozono giocano un ruolo chiave qui, poiché la loro distribuzione influenza direttamente il bilancio energetico dell'atmosfera. Oltre agli effetti della chimica dell'ozono polare, le emissioni degli incendi boschivi in ​​Amazzonia e Centrafrica interferiscono con i processi chimici del suolo che determinano la produzione e la distruzione dell'ozono e di altre sostanze.

Gli scienziati analizzeranno gli effetti chimici e dinamici che influiscono sulla distribuzione e la miscelazione delle sostanze che influiscono sulla chimica atmosferica e, in definitiva, sul clima terrestre. Questa ricerca si concentrerà principalmente sull'influenza delle depressioni troposferiche, circolazione stratosferica, e il vortice polare. Il ruolo relativo di tutti questi fenomeni nella regione tra i 10 ei 15 chilometri di altitudine differisce significativamente tra l'emisfero meridionale e quello settentrionale.

JGU ha un ruolo di primo piano in SouthTRAC

Gli scienziati del gruppo del professor Peter Hoor presso il JGU Institute of Atmospheric Physics fanno parte del gruppo direttivo del progetto, condurre misurazioni di monossido di carbonio e anidride carbonica, tra le altre specie. Queste specie indicano potenzialmente l'effetto dei processi di combustione ad altitudini fino a 15 chilometri, anche in caso di incendi che bruciano a diverse migliaia di chilometri di distanza. Inoltre, queste misurazioni saranno utilizzate per indagare le scale temporali dei processi dinamici che determinano la distribuzione delle masse d'aria e influenzano le specie climatologiche ozono e vapore acqueo. Questo progetto sarà condotto insieme alla Goethe University di Francoforte, sostenuto da entrambe le università nell'ambito dell'iniziativa Finanziamento per la ricerca delle università del Reno-Meno (RMU).

Uno dei principali scienziati è il dottor Heiko Bozem, che ha anche effettuato il lungo volo di trasferimento da Oberpfaffenhofen alla Terra del Fuoco. Nella seconda fase, Il Dr. Daniel Kunkel preparerà piani di volo basati sulle previsioni meteorologiche attuali e servirà anche a bordo di HALO come scienziato di missione.

Saranno utilizzati modelli di previsione meteorologica e chimica per fornire informazioni sul tempo locale, nonché sulle condizioni atmosferiche e tracciare la distribuzione del gas, che sono necessari per una precisa pianificazione del volo. Le previsioni chimiche saranno disponibili in loco, utilizzando il modello chimico lagrangiano della stratosfera (CLaMS) sviluppato al Forschungszentrum Jülich. Le previsioni meteorologiche si basano principalmente sulle previsioni meteorologiche numeriche del Centro europeo per le previsioni meteorologiche a medio termine (ECMWF), ma sono forniti anche dal tedesco, Uffici meteorologici britannici e argentini. Le misurazioni della composizione atmosferica a lungo raggio HALO saranno integrate da attività di misurazione a terra. Le misurazioni verranno effettuate tramite radiosonde ea bordo di uno degli alianti che operano fuori dalla città di El Calafate.

Tropopausa e gas serra

La tropopausa è il confine tra la troposfera meteorologica attiva e la stratosfera sovrastante. Alle medie latitudini, la tropopausa ha un'altitudine media a lungo termine da 8 a 12 chilometri; ai tropici la sua altezza può raggiungere anche i 18 chilometri di altitudine. Le concentrazioni di gas serra come il vapore acqueo e l'ozono cambiano fortemente a questa altitudine.

Mentre il vapore acqueo diminuisce fortemente con l'altitudine, l'ozono mostra un forte aumento formando lo strato di ozono. L'entità di questa rispettiva diminuzione e aumento della concentrazione nella regione della tropopausa influenza in definitiva la temperatura al suolo, dovuto all'assorbimento della radiazione solare e terrestre. Sulla base di misurazioni satellitari, i ricercatori presumono che la distribuzione dei gas serra nella tropopausa differisca tra gli emisferi nord e sud. SouthTRAC sta ora investigando correttamente questa disparità per la prima volta.

oceani, montagne, e onde gravitazionali

Il vortice polare si forma in inverno quando non è disponibile la luce solare per riscaldare le masse d'aria sopra l'Antartico. Mentre si raffreddano, queste masse d'aria cominciano ad affondare, che a sua volta fa fluire verso il polo masse d'aria provenienti da latitudini inferiori. Sotto l'influenza della rotazione terrestre, queste masse d'aria iniziano a ruotare attorno al polo a velocità del vento molto elevate per formare il vortice polare, che attraversa l'intero continente dell'Antartide nella stratosfera. È all'interno isolato di questo sistema di vortici che avvengono le reazioni chimiche che danno origine al cosiddetto buco nello strato di ozono nell'emisfero australe durante la primavera. La posizione di questo vortice può essere disturbata dalle onde gravitazionali.

Le onde gravitazionali si manifestano come fluttuazioni periodiche di temperatura, pressione, e vento che si propagano ad altitudini fino a 90 chilometri nella media atmosfera, che è formato dalla stratosfera e dalla mesosfera. Sono eccitati quando i sistemi di vento forte incontrano le alte catene montuose. Con vaste montagne che corrono da nord a sud e rappresentano un grosso ostacolo ai venti molto forti a queste latitudini, la punta meridionale del Sud America e la penisola antartica sono luoghi ideali per studiare il ciclo di vita di queste onde e la loro influenza sui cambiamenti climatici nell'emisfero australe.

Turni di notte per la ricerca

Per analizzare le proprietà delle onde gravitazionali, i ricercatori hanno installato un laser a bordo dell'aereo. Per evitare che le misurazioni laser vengano disturbate, i voli avvengono solo di notte. "I numerosi voli notturni rappresentano una vera sfida per gli scienziati, " ha detto il dottor Heiko Bozem. "Il nostro turno a Rio Grande inizia alle 18:00. in modo che i voli possano avvenire nelle tenebre." In precedenza, l'aereo HALO si è recato al sito del progetto in tre fasi, da Oberpfaffenhofen vicino a Monaco di Baviera attraverso le Isole di Capo Verde a Buenos Aires e poi a Tierra del Fuego.