Per decenni, gli scienziati hanno discusso l'impatto delle particelle prodotte dall'uomo e ambientali nell'atmosfera, chiamati aerosol, in caso di maltempo. Gli studi sul clima suggeriscono che gli aerosol possono aiutare a modellare e persino rafforzare elementi di tempeste come pioggia e fulmini.

Però, studiare gli aerosol nell'atmosfera è difficile. Ci sono molti tipi, e le particelle sono piccole. I loro processi chimici e fisici possono anche essere sottili o di breve durata. Gli scienziati hanno espresso la necessità di dati più dettagliati sugli aerosol. Nuovi dati sono particolarmente necessari per migliorare la rappresentazione di nuvole e tempeste nei modelli climatici.

Per fornire questi importanti dati agli scienziati, politici, e il pubblico, l'Office of Science del Dipartimento dell'Energia sta supportando un team di ricercatori che stanno scansionando le nuvole nel cielo del Texas ad alta risoluzione. Tracciando aerosol e nuvole in questo modo, il team spera di comprendere meglio la relazione tra le particelle, nuvole, e tempeste.

L'osservatorio atmosferico mobile del DOE

Un nuovo progetto chiamato TRACER—Tracking Aerosol Convection Interactions Experiment—sta utilizzando un osservatorio mobile DOE della struttura dell'utente Atmospheric Radiation Measurement (ARM) per registrare i microprocessi che si verificano nelle nuvole. L'esperimento va da ottobre 2021 a settembre 2022 nell'area di Houston.

L'osservatorio ARM è costituito da rifugi mobili dotati di strumenti e apparati di comunicazione. Il sito dell'osservatorio può sembrare poco appariscente, ma è una delle strutture più avanzate al mondo per la raccolta di dati atmosferici.

Il programma di ricerca biologica e ambientale (BER) dell'Office of Science gestisce diversi osservatori ARM come struttura utente multi-laboratorio. Da oltre 30 anni, le campagne di ricerca hanno portato queste stazioni mobili alle frontiere della scienza del clima e dell'atmosfera, dal Polo Sud al Polo Nord fino ai tropici. I dati raccolti da queste spedizioni sul campo aiutano a migliorare le previsioni dei modelli climatici.

Migliorare la nostra comprensione degli aerosol

Gli aerosol sono particelle prodotte dall'uomo e naturali che si fanno strada nell'atmosfera. Gli aerosol prodotti dall'uomo possono includere inquinanti emessi da automobili o impianti industriali. Gli aerosol naturali possono includere sale marino, polvere, fumo di fuoco selvaggio, e altre particelle dall'ambiente, nelle vicinanze o trasportati per centinaia di miglia dal vento e dalle intemperie.

"Una delle domande principali della campagna TRACER è la misura in cui gli aerosol atmosferici possono rendere più violente le tempeste, "ha detto Shaima Nasiri, Responsabile del programma BER Atmospheric System Research.

Collegare i punti tra piccole particelle e tempeste è un problema complesso. Fortunatamente, risolvere problemi multiscala come questo, spaziando dalla chimica fondamentale alla modellazione del clima globale, è una specialità dell'Office of Science.

TRACER è guidato dal ricercatore principale del Brookhaven National Laboratory del DOE, Michael Jensen, con molti co-investigatori in altri laboratori nazionali DOE, l'Università di Houston, e scienziati di tutto il mondo. La campagna di un anno si concentrerà sugli aerosol trovati nelle nuvole convettive profonde, un tipo comune di nube temporalesca.

"Le nuvole convettive fungono da ascensori dell'atmosfera, " Jensen ha detto. "Sono sviluppati verticalmente e tendono a trasportare vapore acqueo, calore, quantità di moto, e particelle dalla superficie fino all'atmosfera."

Per osservare meglio le interazioni di aerosol e nuvole nel tempo (da minuti a mesi) e nello spazio (da piccole particelle a nuvole temporalesche), il team TRACER ha aggiunto nuovi strumenti alla suite di sensori di ARM, palloncini meteorologici, e radar.

Nuove tecniche di scansione e intelligenza artificiale seguiranno automaticamente le nuvole mentre si sviluppano. Quindi, sistemi radar specializzati effettueranno misurazioni dettagliate di nuvole e particelle.

"Raccoglieremo anche aerosol sulla superficie per misurarne le dimensioni e il numero, " ha detto Jensen.

Questi strumenti presteranno tecniche di precisione dal laboratorio alle osservazioni sul campo.

Houston:un laboratorio cloud reale

Se sei uno scienziato che studia gli aerosol nelle nuvole convettive, Houston è un buon posto per fare il tuo lavoro. Il clima subtropicale della regione sul Golfo del Messico subisce prevedibili forti piogge, tempeste, allagamento, e persino uragani. Le nuvole convettive sorvolano la città per metà dell'anno e sono più frequenti sul bagnato, mesi estivi.

Houston è anche una fiorente città con spedizioni e industrie, e gli aerosol che ne derivano. L'area metropolitana è al primo posto tra le città degli Stati Uniti per la scarsa qualità dell'aria, compreso l'inquinamento da particelle. Ma il vasto paesaggio texano intorno alla città vanta un'aria più limpida, fornendo un ambiente di controllo simile a un laboratorio per il confronto.

Houston è anche una tipica città americana. Circa l'80% degli americani vive in aree urbane e circa il 40% vive sulla costa.

"La maggior parte delle persone negli Stati Uniti vive in città come Houston, " Disse Nasiri.

Sebbene molti osservatori mobili ARM siano stati installati in ambienti remoti vulnerabili ai cambiamenti climatici, TRACER può servire da modello per future campagne urbane di ARM.

"Penso che la tecnologia sia avanzata al punto che gli scienziati sentono di poter fare progressi sulle questioni urgenti nelle scienze atmosferiche relative agli impatti urbani, " Disse Nasiri.

Come città come Houston possono attestare, Gli impatti del cambiamento climatico sono più vicini che mai a casa. Tempeste devastanti possono portare alla perdita di vite umane, pericolose interruzioni di corrente, e costosi danni alla proprietà.

"Questa è la nostra prima grande campagna sul campo urbano del suo genere, e andando avanti, siamo interessati a studiare più da vicino le emissioni nelle città, "ha detto Jeff Stehr, Responsabile del programma BER Atmospheric System Research.

Dati di lunga durata per futuri studi sul clima

Disponibile per l'uso da parte di chiunque, I dati TRACER saranno una risorsa importante per gli scienziati e le comunità negli anni a venire. Sebbene la campagna si basi su questioni scientifiche fondamentali sulle interazioni degli aerosol, il programma BER prevede che i dati TRACER informeranno altri studi. Gli scienziati possono utilizzare i dati nella ricerca che va dalla scienza di base sulla chimica dell'aerosol all'inquinamento, tempo estremo, e cambiamento climatico e resilienza. Il programma stesso finanzierà la ricerca scientifica di base utilizzando i dati TRACER al termine della campagna.

"Abbiamo riscontrato molto interesse anche da altre agenzie, con una diversità di persone che partecipano, " Jensen ha detto. "Il team scientifico iniziale comprendeva 35 co-investigatori, ma è cresciuta fino a diventare una partnership molto più ampia con interagenzia e collaboratori internazionali."

Per massimizzare i dati raccolti e unire i risultati, altre agenzie scientifiche statunitensi, compresa la NASA, NOAA, e la Fondazione Nazionale della Scienza, condurranno i propri esperimenti atmosferici durante la campagna TRACER. Organizzazioni regionali, come la Commissione del Texas sulla qualità ambientale, stanno anche collaborando al progetto.

Con molti potenziali usi per i dati climatici ad alta risoluzione di TRACER, i risultati della ricerca potrebbero andare oltre lo studio delle interazioni tra aerosol e nubi.

"Potremmo anche non sapere quale sarà il più grande risultato della campagna, " Ha detto Nasiri. "Il più grande da asporto potrebbe essere qualcosa a cui non stiamo nemmeno pensando".