Un team di scienziati dell'atmosfera provenienti da tutta la nazione sta scendendo sulla Houston, Texas, area per i prossimi 14 mesi per cercare risposte a una domanda fastidiosa:fare piccoli granelli di fuliggine, polvere, Fumo, e altre particelle sospese nell'atmosfera terrestre aiutano a determinare la gravità dei temporali? Le conoscenze acquisite possono rendere le previsioni meteorologiche più accurate e fornire dati cruciali per migliorare le previsioni su come gli aerosol possono influenzare il clima futuro della Terra.

Il dispiegamento di Houston fornirà anche dati dettagliati sulla qualità dell'aria locale. Come ampio studio sul campo in un'area metropolitana, offrirà agli scienziati un'opportunità unica di esplorare gli effetti dell'industria, emissioni dei veicoli, e l'ambiente costruito sul tempo e sul clima.

"Vogliamo sapere come gli aerosol, le minuscole particelle su cui l'acqua si condensa per formare goccioline di nuvole, influenzano la fisica delle nubi convettive profonde, del tipo che spesso imballano i fulmini e piovono a dirotto, e poi come quelle stesse condizioni meteorologiche influenzano le caratteristiche dell'aerosol locale e la qualità dell'aria urbana, " ha detto Michael Jensen, un meteorologo presso il Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) e investigatore principale per la campagna sul campo TRACER. TRACER è l'abbreviazione di TRacking Aerosol Convection interactions ExpeRiment, uno studio condotto dalla struttura per gli utenti della misurazione delle radiazioni atmosferiche (ARM) del DOE.

Lavorando in stretta collaborazione con i ricercatori dell'Università di Houston, scienziati TRACER di Brookhaven, Laboratorio Nazionale di Los Alamos, e altre istituzioni raccoglieranno dati sugli aerosol e sulle caratteristiche atmosferiche per un anno intero. Il team dispiegherà una suite di strumenti forniti e gestiti da ARM in quattro località appena fuori città. Durante un intenso periodo di studio da giugno a settembre 2022, ulteriori partner della National Science Foundation, NASA, la Commissione del Texas sulla qualità ambientale, e altre agenzie si uniranno al team per cogliere il picco della stagione dei temporali estivi di Houston.

Con un clima subtropicale umido, numerose tempeste convettive isolate, e una gamma di sorgenti di aerosol industriali e naturali, Houston è il luogo perfetto per lo studio.

"Siamo un ambiente costiero, quindi è particolarmente difficile prevedere il tempo, "ha detto James Flynn, professore associato di ricerca presso il Dipartimento di Scienze della Terra e dell'Atmosfera dell'Università di Houston presso il College of Natural Sciences and Mathematics. "Abbiamo molti temporali, abbiamo inquinamento e alcune fonti naturali di polveri sottili".

Gli esempi includono polvere, sale marino, particelle emesse dai motori diesel, fuliggine dai processi di combustione nelle centrali elettriche e nelle raffinerie, molto traffico stradale urbano, e persino il fumo degli incendi in California e Colorado.

Alcune ricerche suggeriscono che tali aerosol possono cambiare il ciclo di vita delle nuvole, ritardare l'inizio delle precipitazioni. Se ciò accade, mentre le nuvole crescono, le gocce d'acqua possono diventare più grandi. "E quando cadono, è una rondella di burrone, " ha detto Flynn.

I dati TRACER miglioreranno la comprensione di questi processi e la nostra capacità di prevedere quando si verificheranno gli allagamenti.

Distribuzione ARM

Gli strumenti ARM, alloggiato in 10 container mobili, sono noti collettivamente come "la prima struttura mobile ARM, " o AMF1. Molti di questi strumenti, compreso un sistema di osservazione dell'aerosol allestito al Brookhaven Lab, hanno viaggiato in tutto il mondo, dall'Artico ai tropici, per raccogliere dati atmosferici.

"Questo è il primo dispiegamento della struttura mobile ARM in un ambiente costiero urbano, " ha detto Sally McFarlane, Responsabile del programma DOE per ARM. "Il caldo, l'aria umida del Golfo del Messico aiuta a guidare la formazione di molti isolati, tempeste moderatamente forti, quelle che probabilmente sono mature per essere colpite dagli aerosol. Quelle condizioni costiere e il mix di sorgenti di aerosol industriali e naturali di Houston rendono l'area un laboratorio ideale per studiare le interazioni aerosol-nube".

Un team ARM installerà i container, ciascuno ospita rack di strumenti e prese d'aria, vicino a Galveston Bay, un'area ricca di industrie, raffinerie, e trasporto. Molti dei contenitori ospitano anche sofisticati radar (che utilizzano onde radio) e lidar (che utilizzano impulsi di luce laser) per misurare l'altezza, profondità, e la quantità di acqua nelle nuvole, tra le altre variabili importanti. Ulteriori strumenti meteorologici opereranno in un campo strumentale adiacente. Insieme, questi strumenti monitoreranno le proprietà del cloud; la dimensione, numero, e composizione chimica degli aerosol; precipitazione; e variabili come la temperatura e l'umidità che influiscono sulla stabilità atmosferica.

Campionamento in tutta l'atmosfera

Nel corso dell'anno, il team ARM lancerà anche più di mille palloni meteorologici che trasportano sensori aggiuntivi alimentati a batteria, chiamate radiosonde, in alto. I palloncini viaggeranno attraverso e sopra le nuvole, ad un'altitudine fino a 17 chilometri (quasi 56, 000 piedi) - spesso raggiungendo la stratosfera - inviando dati aggiuntivi sulla temperatura, umidità, pressione, e torna alla stazione di ricerca sottostante.

Alcuni strumenti a palloncino misureranno anche la concentrazione di ozono attraverso la profondità dell'atmosfera.

"Utilizzeremo queste misurazioni dell'ozono per conoscere la qualità dell'aria e come i temporali ridistribuiscono l'aria tra la superficie e in alto, " ha detto Flynn. L'ozono superficiale viene generato quando le sostanze chimiche emesse come parte dei gas di scarico delle automobili e i processi industriali reagiscono con la luce solare. Quindi, quando le tempeste trasportano l'aria dalla superficie verso l'alto attraverso l'atmosfera, l'inquinante può fungere da tracciante per TRACER.

Terra, mare, interazioni atmosferiche

Durante il periodo di studio intensivo della prossima estate, anche gli scienziati di TRACER e delle agenzie partner dispiegheranno attrezzature aggiuntive vicino alla città di Guy, Texas, sud-ovest della città. Due sistemi di palloncini legati, uno nel sito di Guy e uno a Smith Point sul lato est di Galveston Bay, porterà strumenti per misurare i venti, piccole particelle di aerosol, e ozono negli strati più bassi dell'atmosfera. Le misurazioni sulla costa della baia di Galveston forniranno importanti informazioni su come la baia influenza la circolazione atmosferica locale.

Nel frattempo, gli strumenti in Guy raccoglieranno dati in una posizione più rurale.

"Ci aspettiamo di vedere concentrazioni di aerosol più basse, quindi questo sito fungerà da contrasto con il sito AMF1 e consentirà il confronto delle caratteristiche della nube e delle precipitazioni in queste condizioni molto diverse, "Ha detto McFarlane.

Tra i due principali siti di terra, un radar di scansione delle precipitazioni ARM a Pearland traccerà le proprietà delle nuvole.

"Questo radar raccoglierà dati sulle proprietà del cloud, compresa la velocità delle correnti ascensionali verticali che influiscono sulla velocità di crescita delle nuvole, formare il ghiaccio, e producono pioggia e fulmini. Funzionerà durante l'intero periodo di studio, " ha detto Jensen.

Quindi, durante il periodo di studio intensivo, utilizzando tecniche di osservazione uniche, il radar sarà in grado di guardare i dettagli più fini nelle nuvole, comprese le dimensioni e la forma delle goccioline delle nuvole e se sono ghiaccio o liquido. "Sarà in grado di osservare l'atmosfera sopra ogni sito mentre stanno vivendo diverse condizioni di aerosol, " ha detto Jensen.

Il radar sarà guidato da un software sviluppato dallo scienziato di Brookhaven Pavlos Kollias e programmato utilizzando l'intelligenza artificiale (AI) e i set di dati esistenti. "Questo software consente al radar di selezionare le tempeste che pensiamo si svilupperanno e si sposteranno sui siti, e poi ingrandisci e scansiona ad alta risoluzione per esplorare i dettagli di come gli aerosol stanno influenzando le precipitazioni lì dentro, " ha detto Jensen.

Condivisione e applicazione dei dati

Tutti i dati raccolti da ARM saranno disponibili gratuitamente per chiunque voglia analizzarli.

"Speriamo che le cose che impariamo qui, i processi all'interno dell'attività convettiva, come l'inquinamento influisce sulle tempeste, sarà applicabile in altre grandi aree urbane che hanno molta convezione, " ha detto Flynn. "Con un sacco di progetti, stai davvero scendendo a una vera scienza di base. Le persone a volte non sono sicure del motivo per cui è importante. Questo è uno di quei progetti che è molto applicabile alla vita di tutti i giorni qui a Houston".

La ricerca sarà applicabile anche al di fuori dell'area di Houston. Il programma Atmospheric System Research (ASR) del DOE si è già impegnato a finanziare 10 progetti TRACER guidati da ricercatori universitari.

"Gli obiettivi scientifici di TRACER sono allineati con l'attenzione di ASR sul cloud, aerosol, precipitazione, e processi di radiazione, "ha detto Jeff Stehr, un manager del programma DOE per ASR. "Le nuvole convettive si verificano in tutto il mondo, ma ci sono ancora molte domande su come sono influenzati dal loro ambiente. TRACER migliorerà la nostra comprensione di come si formano queste nuvole, crescere, e il decadimento all'interno e intorno a un ambiente urbano costiero. La serie iniziale di progetti finanziati dall'ASR coinvolge gruppi di ricerca provenienti da tutto il paese, e aggiungerà misurazioni e modelli alla campagna TRACER."

I dati raccolti da TRACER saranno anche utili per comprendere i processi relativi alla formazione e alla durata degli uragani.

E mentre il tempo e il clima operano su scale temporali diverse, entrambi riguardano "la fisica dell'atmosfera terrestre, " Jensen ha detto. "Comprendere le tempeste è importante per capire il clima perché le tempeste ridistribuiscono il calore e l'umidità attraverso l'atmosfera. E questa ridistribuzione è influenzata da processi su piccola scala nell'atmosfera, comprese le interazioni con gli aerosol. Questo è ciò con cui lottiamo nei modelli climatici e meteorologici".

"TRACER inserirà alcuni dei dati mancanti per aiutarci a migliorare quei modelli".