Un team di scienziati dell’atmosfera provenienti da tutta la nazione sta scendendo nell’area di Houston, in Texas, per i prossimi 14 mesi per cercare risposte a una domanda fastidiosa: 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. Essendo un ampio studio sul campo in un’area metropolitana, offrirà agli scienziati un’opportunità unica di esplorare gli effetti dell’industria, delle emissioni dei veicoli e dell’ambiente costruito sul tempo e sul clima.

“Vogliamo sapere come gli aerosol, le minuscole particelle su cui l’acqua si condensa per formare le goccioline delle nuvole , influenzano la fisica delle nuvole convettive profonde, del tipo che spesso riempiono i fulmini e piovono, e poi come quelle stesse condizioni meteorologiche influenzano le caratteristiche dell’aerosol locale. e la qualità dell’aria urbana”, ha affermato Michael Jensen, meteorologo presso il Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (DOE) e ricercatore principale per la campagna sul campo di 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, gli scienziati di TRACER di Brookhaven, il Los Alamos National Laboratory 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, altri partner della National Science Foundation, della NASA, della Texas Commission on Environmental Quality e di altre agenzie si uniranno al team per cogliere il picco della stagione delle tempeste estive di Houston.

Con un clima subtropicale umido, numerose tempeste convettive isolate e una serie 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 affermato 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 modificare il ciclo di vita delle nuvole, ritardando l’inizio delle precipitazioni. Se ciò accade, man mano che le nuvole crescono, le gocce d’acqua potrebbero 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, alloggiati in 10 container mobili, sono noti collettivamente come “la prima struttura mobile ARM” o AMF1. Molti di questi strumenti, incluso un sistema di osservazione dell’aerosol allestito presso il Brookhaven Lab, hanno viaggiato in località di tutto il mondo, dall’Artico ai tropici, per raccogliere dati atmosferici.

“Questa è la prima implementazione dell’ARM Mobile Facility in un ambiente urbano costiero”, ha affermato Sally McFarlane, responsabile del programma DOE per ARM. “L’aria calda e umida del Golfo del Messico aiuta a guidare la formazione di molte tempeste isolate e 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 contenente rack di strumenti e prese d’aria, vicino a Galveston Bay, un’area con molte industrie, raffinerie e trasporti. Molti dei contenitori ospitano anche sofisticati radar (che utilizzano onde radio) e lidar (che utilizzano impulsi di luce laser) per misurare l’altezza, la profondità e la quantità di acqua nelle nuvole, tra le altre importanti variabili. Ulteriori strumenti meteorologici opereranno in un campo strumentale adiacente. Insieme, questi strumenti monitoreranno le proprietà del cloud; la dimensione, il numero e la 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, chiamati radiosondes, in alto. I palloni viaggeranno attraverso e sopra le nuvole, fino a un’altitudine fino a 17 chilometri (quasi 56.000 piedi), arrivando spesso alla stratosfera, inviando dati aggiuntivi su temperatura, umidità, pressione e vento 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 dei 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.

Interazioni terra, mare, atmosfere

Durante il periodo di studio intensivo della prossima estate, gli scienziati di TRACER e delle agenzie partner dispiegheranno anche attrezzature aggiuntive vicino alla città di Guy, in Texas, a sud-ovest della città. Due sistemi di palloni collegati, uno nel sito di Guy e uno a Smith Point sul lato est della baia di Galveston, trasporteranno strumenti per misurare i venti, le piccole particelle di aerosol e l’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 di Guy raccoglieranno dati in una località più rurale.

“Ci aspettiamo di vedere concentrazioni di aerosol inferiori, quindi questo sito servirà da contrasto con il sito AMF1 e consentirà il confronto delle caratteristiche delle nuvole e delle precipitazioni in queste condizioni molto diverse”, ha affermato McFarlane.

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

“Questo radar raccoglierà dati sulle proprietà delle nuvole, inclusa la velocità delle correnti ascensionali verticali che influenzano la velocità con cui le nuvole crescono, formano ghiaccio e producono pioggia e fulmini. Funzionerà durante l’intero periodo di studio”, ha affermato Jensen.

Quindi, durante il periodo di studio intensivo, utilizzando tecniche di osservazione uniche, il radar sarà in grado di osservare 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 guardare l’atmosfera su 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 set di dati esistenti. “Questo software consente al radar di selezionare le tempeste che pensiamo si svilupperanno e si sposteranno sui siti, quindi ingrandire e scansionare ad alta risoluzione per esplorare i dettagli di come gli aerosol stanno influenzando le precipitazioni”, 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 apprendiamo qui, i processi all’interno dell’attività convettiva, l’impatto dell’inquinamento sulle tempeste, siano applicabili 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 perché sia ​​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 sui processi di nubi, aerosol, precipitazioni e radiazioni”, ha affermato Jeff Stehr, responsabile del programma DOE per ASR. “Le nuvole convettive si verificano in tutto il mondo, ma ci sono ancora molte domande su come sono influenzate dal loro ambiente. TRACER migliorerà la nostra comprensione di come queste nuvole si formano, crescono e decadono dentro e intorno a un ambiente urbano costiero. Il set iniziale dei progetti finanziati dall’ASR coinvolgono team di ricerca di tutto il paese e aggiungeranno 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, riguardano entrambi “la fisica dell’atmosfera terrestre”, ha detto Jensen. “Comprendere le tempeste è importante per comprendere 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 del clima e del tempo”.

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