L'atmosfera dell'Artico centrale è inquinata da polveri fini provenienti dalla Siberia e dal Nord America. Questo è stato il risultato di una valutazione preliminare delle prime misurazioni lidar effettuate dal Leibniz Institute for Troposspheric Research (TROPOS) durante la spedizione MOSAiC di un anno a bordo della RV Polarstern. Per la prima volta, un lidar a più lunghezze d'onda è stato utilizzato durante la notte polare nell'Artico centrale, che può misurare particelle di polvere ad altitudini fino a 14 chilometri con impulsi laser da terra.

I primi dati mostrano diversi strati di polvere di origine umana e incendi boschivi ad altitudini di 5, 6 e 12 chilometri. I dati indicano che l'atmosfera superiore della regione intorno al Polo Nord è più inquinata in inverno di quanto si pensasse in precedenza. Nei prossimi mesi, la spedizione internazionale MOSAiC guidata dall'Istituto Alfred Wegener, il Centro Helmholtz per la ricerca polare e marina (AWI), fornirà dati sui cambiamenti climatici nell'Artico centrale, per cui quasi nessuna misurazione è disponibile a causa delle condizioni estreme della notte polare.

Il 4 ottobre, la nave da ricerca Polarstern ha raggiunto la banchisa a 85° Nord e 137° Est con la quale il rompighiaccio e una vasta rete di misura sul ghiaccio intendono andare alla deriva attraverso l'Artico centrale al Polo Nord per un anno. Con l'inizio ufficiale della spedizione MOSAiC, anche il container OCEANET a bordo di Polarstern ha iniziato i suoi lavori. "Insieme ai container dei nostri partner statunitensi e svizzeri, il nostro container si trova sul ponte di prua di RV Polarstern. Sono stato in grado di mettere in funzione il nostro laser subito dopo la fine dei lavori di caricamento. L'obiettivo è misurare le particelle sospese nell'atmosfera sopra la nave 24 ore su 24 per un anno, " riferisce il dott. Ronny Engelmann di TROPOS, che si occupa delle misurazioni a bordo durante la prima tappa del viaggio fino alla sua sostituzione a dicembre 2019.

La ricerca atmosferica sta quindi aprendo nuovi orizzonti:"Il funzionamento del nostro sistema di telerilevamento laser PollyXT nell'Artico centrale è finora unico. Mai prima d'ora l'atmosfera in questa regione remota è stata studiata con un lidar a più lunghezze d'onda che funziona con la luce. di diverse lunghezze d'onda dall'ultravioletto all'infrarosso.Solo con questa combinazione è possibile determinare diverse particelle sospese che possono provenire da varie fonti come incendi boschivi, cenere vulcanica, inquinamento atmosferico antropogenico o della superficie del mare, " spiega il dottor Albert Ansmann, capo del gruppo di telerilevamento a terra presso TROPOS.

Da più di 20 anni, TROPOS ha sviluppato e utilizzato dispositivi lidar per studiare le proprietà delle particelle sospese, noti come aerosol. Questi dispositivi scansionano l'atmosfera dal suolo come un radar luminoso con luce laser e sono quindi chiamati lidar. A seconda della superficie e della forma delle particelle, la luce laser viene riflessa in modo diverso. Se non vengono misurati solo il tempo di transito e la quantità della luce riflessa, ma anche la sua polarizzazione, quindi si possono trarre conclusioni sulle proprietà delle particelle. Il team su RV Polarstern utilizza l'ultima generazione del sistema lidar mobile PollyXT, che emette impulsi laser di ultravioletti (lunghezza d'onda di 355 nanometri), luce verde (lunghezza d'onda di 532 nanometri) e infrarossa (lunghezza d'onda di 1064 nanometri). Viene ricevuto su 13 canali e copre quindi un ampio spettro di luce fino alla gamma dell'infrarosso.

Poiché gli strati d'aria a livello del suolo nell'Artico sono particolarmente importanti per la ricerca atmosferica, era dotato di un canale in campo vicino per raccogliere dati da 50 m sopra la nave ad altitudini di 35 km. Inoltre, misura con due campi visivi per rilevare meglio la dispersione della luce nelle nuvole. Questa tecnologia a doppio campo visivo, sviluppato da TROPOS insieme all'Accademia Nazionale delle Scienze della Bielorussia, consente la determinazione della dimensione e del numero di gocce nuvolose, un parametro importante per i modelli climatici. Nel mondo ci sono attualmente solo due dispositivi di questo tipo. "L'altro dispositivo si trova nel nostro container LACROS a Punta Arenas, Chile, dove stiamo studiando l'atmosfera vicino all'Antartide all'estremità meridionale del Sud America insieme all'Università di Magellano (UMAG) e all'Università di Lipsia nella campagna di misurazione DACAPO-PESO. A causa della struttura identica, i dati di entrambe le regioni polari possono essere facilmente confrontati. Attendiamo i risultati, "dice Ansmann.

MOSAiC utilizza un gran numero di strumenti di misurazione all'avanguardia che si completano a vicenda e insieme dovrebbero fornire un quadro il più completo possibile del clima attuale nella regione intorno al Polo Nord. "Il sistema basato su laser Polly-XT fornisce una visione senza precedenti della distribuzione verticale e temporale delle particelle di aerosol nell'Artico sotto un cielo senza nuvole. Già la mattina del 5 ottobre, si schiarì e offrì al laser una visuale libera nell'atmosfera. Le osservazioni hanno prodotto risultati sorprendenti:l'atmosfera nel remoto sito a circa 1000 chilometri a nord della Siberia era fortemente inquinata da particelle sospese dal suolo fino a un'altezza di 12 chilometri. Questo inquinamento non può provenire da fonti locali, ma può raggiungere latitudini elevate solo tramite trasporto a lunga distanza, " riferisce il dottor Holger Baars, che contribuisce alla valutazione dei dati presso TROPOS a Lipsia.

Al fine di limitare le fonti di inquinamento atmosferico nell'Artico, Sono state valutate simulazioni di modelli meteorologici e l'origine dell'aria è stata fatta risalire a oltre 10 giorni. "Con l'aiuto delle cosiddette traiettorie all'indietro, possiamo determinare da dove proviene l'aria misurata sopra la nave. È stato dimostrato che le masse d'aria dalla Russia meridionale sono passate attraverso la Siberia meridionale ai margini dei deserti dell'Asia centrale attraverso la Kamchatka a est prima di raggiungere l'Artico attraverso l'Alaska. Corrisponde all'aerosol degli incendi boschivi, inquinamento industriale e polvere del deserto che vediamo nei dati lidar. E si adatta alla tesi che nell'inverno polare l'Artico si comporta come un grande vortice che "risucchia" l'inquinamento atmosferico da gran parte dell'emisfero settentrionale, " spiega Martin Radenz di TROPOS, che ha creato la simulazione della massa d'aria.

Quasi nessun'altra regione al mondo si è riscaldata tanto quanto l'Artico negli ultimi decenni. Dal 2016, la Transregio 172 "Arctic Climate Change" della German Research Foundation (DFG) sotto la direzione dell'Università di Lipsia ha studiato il ruolo delle nuvole e dei processi associati nell'atmosfera artica. C'erano forti differenze nella formazione del ghiaccio nelle nuvole a seconda che le nuvole raggiungessero o meno il suolo. Infatti, le misurazioni del lidar TROPOS durante la campagna di test MOSAiC PASCAL nell'estate 2017 hanno mostrato la formazione di ghiaccio a temperature sorprendentemente calde.

"Il fatto che troviamo le nuvole di ghiaccio più calde nell'Artico inizialmente sembra paradossale, ma può forse essere spiegato da un gioco unico di temperatura, umidità e aerosol di origine biologica, " dice il prof. Andreas Macke, Direttore di TROPOS e capo scienziato della spedizione PASCAL. Le questioni relative alla formazione delle nubi sono al centro delle attuali indagini per scoprire come le particelle nucleanti di ghiaccio (INP) influenzino la formazione delle nubi nell'Artico e come queste a loro volta influenzino il riscaldamento osservato.

MOSAiC sta per "Osservatorio multidisciplinare sulla deriva per lo studio del clima artico". MOSAiC comprende anche circa due dozzine di ricercatori di Lipsia. Sia l'Istituto Leibniz per la ricerca sulla troposferica (TROPOS) che l'Università di Lipsia sono in viaggio nell'Artico con strumenti elaborati. La spedizione MOSAiC guidata dall'Istituto Alfred Wegener, Centro Helmholtz per la ricerca polare e marina (AWI), è associato a sfide senza precedenti.

MOSAiC ha un budget di circa 140 milioni di euro. Nel corso dell'anno, circa 300 scienziati provenienti da 20 paesi saranno a bordo. Insieme, vogliono esplorare per la prima volta l'intero sistema climatico nell'Artico centrale. Raccoglieranno dati nelle cinque sotto-aree dell'atmosfera, mare ghiacciato, oceano, ecosistema e biogeochimica per comprendere le interazioni che modellano il clima artico e la vita nell'Oceano Artico.