Jorden är en planet som andas med årstiderna. Under vintermånaderna ackumuleras atmosfäriska gaser och luftföroreningar, väntar vilande tills våren och sommaren ger solsken och växtliv, gnistor omvandlingar som förändrar sammansättningen av gaser i atmosfären. Ett flygburet NASA-uppdrag kommer att göra en världsomspännande undersökning av dessa säsongsbetonade omvandlingar genom att flyga från vinterns hjärta på norra halvklotet, ner i den soliga sommaren på södra halvklotet och tillbaka igen.

Detta kommer att vara den andra atmosfäriska undersökningen som görs av Atmospheric Tomography, eller ATom uppdrag, som flög först i juli och augusti, 2016. Forskarteamet kommer att mäta mer än 200 gaser samt luftburna partiklar ombord på NASA:s DC-8 flyglaboratorium. Särskilt, de är intresserade av föroreningar av växthusgaser som metan och troposfäriskt ozon, och dåligt förstådda partiklar som svart kol. Hur dessa föroreningar interagerar och rör sig runt planeten kommer att hjälpa forskare att bättre förstå luftföroreningar och klimatförändringar nu och i framtiden.

"Vi åker till de norra polarområdena vid den allra bästa tiden, sa Steven Wofsy, en atmosfärsforskare vid Harvard University i Cambridge, Massachusetts, och AToms projektforskare.

Den här vintern, de förväntar sig att observera ansamlingen av föroreningar från Europa, Förenta staterna, Kanada, norra Kina, och Ryssland, som fastnar i den kalla kupolen i vintercirkulationen fram till våren.

"Vi kommer att titta på den här kemin med hjälp av instrumentering som ingen har haft tidigare, och vi kommer verkligen att börja förstå vad som händer när det här byggs upp, " sa Wofsy. Vinterns ansamling av gaser sätter scenen för de kemiska processer som sker i atmosfären när solljuset återvänder till Arktis.

Solljus är energi, och på samma sätt som det stödjer livet på jorden genom växternas fotosyntes, det driver också det kemiska systemet i atmosfären. Inkommande ultraviolett strålning ger högenergifotoner som kan riva isär gasmolekyler, omvandla dem till nya mycket reaktiva fragment. Ett av AToms vetenskapliga mål är att förstå dessa fotokemiska processer som hjälper till att avlägsna föroreningar och växthusgaser från atmosfären.

Dessa fotokemiska processer kommer att vara i full gång när uppdraget flyger från Alaska nerför Stilla havet till Nya Zeeland och södra halvklotet sommaren.

"Vi är på väg in på södra halvklotet på bästa sändningstid, sa Michael Prather, en atmosfärsforskare vid University of California Irvine och AToms biträdande projektforskare. "Det är när solljuset är där nere. Det är den största fotokemiska aktiviteten. Det är den största biologiska aktiviteten i södra haven."

Eftersom det södra halvklotet innehåller färre landmassor och mindre av världens befolkning, den södra atmosfären är i allmänhet renare än den på norra halvklotet. Enligt Prather, detta innebär att det potentiellt blir lättare att observera gaser och partiklar, särskilt från marina växter, som reagerar med gaser som redan finns i atmosfären. Havsrelaterade reaktioner är för närvarande dåligt förstådda och är en av huvudorsakerna till att ATom gör sin undersökning.

"För att få de detaljer vi behöver, i ett försök att bättre förstå atmosfären, vi måste undersöka så mycket av det som möjligt så vi kommer att flyga vertikala profiler genom atmosfären från 500 fot över havsytan upp till 35, 000 fot, där kommersiella flygplan flyger, " sa projektledaren David Jordan vid NASA:s Ames Research Center i Mountain View, Kalifornien.

För jorden runt-resan, NASA:s DC-8 flygplan kommer att bära mer än 20 vetenskapliga instrument som mäter både större och mindre gaser samt partiklar. Planet är ungefär lika stort som ett medelstort trafikflygplan och har insugningsventiler för att prova luften. Det kommer att göra en nästan kontinuerlig serie av mjuka nedstigningar och uppstigningar för att fånga den mest kemiskt aktiva delen av atmosfären, från den relativt varma fuktiga luften ovanför havsytan såväl som den kallare, torr luft på sin topphöjd av 35, 000 fot, och allt däremellan.

Efter en första flygning från NASA:s Armstrong Flight Research Center i Palmdale, Kalifornien, till ekvatorn och tillbaka, DC-8 kommer att göra nio stopp under loppet av 28 dagar, avgår från Kalifornien till Nordpolen, sedan till tropikerna, södra oceanen runt Antarktis, och över till Sydamerikas södra spets innan de flyger norrut över Atlanten mot Grönland, sedan över Ishavet tillbaka till Alaska. Den sista etappen kommer att återföra vetenskapsteamet till Kalifornien.

AToms vinteruppdrag kommer att vara det andra av fyra utplaceringar som kommer att ske till och med 2018. Det finansieras av NASAs Earth Venture-program och förvaltas av Earth Science Project Office i Ames. Ett team på över 100 personer – forskare, ingenjörer, flygbesättning och personal – över statliga myndigheter och universitet kommer att stödja uppdraget både i luften och från marken.