Forskare från Argonnes division Environmental Science deltog i en av de största samarbetskampanjerna för atmosfärisk mätning i Antarktis under de senaste decennierna.

Den 13 maj, 1887, journalen Vetenskap publicerade en kort historia av utforskning i Antarktis där den redogjorde för vetenskapliga prestationer hittills och uttryckte en förhoppning om att ny utforskning snart skulle genomföras. Artikeln visar att i slutet av 1800-talet, forskare förstod redan vikten av regionens geografi för meteorologi och reglering av havsströmmar.

"... de meteorologiska fenomenen på södra halvklotet beror på de i den antarktiska regionen, och vår kunskap om jordens meteorologi kommer att vara ofullständig tills sådana fenomen i den sydpolära regionen har studerats grundligt."

Medan hoppet om ytterligare utforskning av Antarktis har slagit igenom, sådan utforskning har kommit i kramper, delvis på grund av den enorma investering i tid och pengar som krävs för att transportera, installera och underhålla känslig instrumentering och en liten mängd forskare. Det främsta skälet, kanske, är vad atmosfärsforskningsingenjör Maria Cadeddu känsligt refererar till som regionens "förbjudande förhållanden".

Det är en tuff plats.

2015, Cadeddu och kollegor från det amerikanska energidepartementets (DOE) Argonne National Laboratory deltog i en gemensam atmosfärisk mätningskampanj för att förstå effekten av regionala och storskaliga händelser på Antarktis uppvärmning. Teamet bestod av ett antal akademiska institutioner och nationella laboratorier, inklusive Argonne, Los Alamos och Brookhaven. Forskningen fokuserade på de mikro- och makrofysiska egenskaperna hos antarktiska moln, som den genomsnittliga storleken på droppar eller den totala mängden vätska eller is som finns i ett moln. Målet var att bestämma mängden strålning molnen kommer att sända baserat på sådana parametrar.

Baserad på McMurdo Station och på West Antarctic Ice Sheet (WAIS), kampanjen var en del av DOE Atmospheric Radiation Measurement (ARM) West Antarctic Radiation Experiment (AWARE), ledd av chefsutredaren Dan Lubin från Scripps Institution of Oceanography. Den ettåriga studien använde den största samlingen av instrumentering för markbaserade Antarktis atmosfäriska mätningar sedan 1957, och detaljer från den studien dyker upp i ett antal vetenskapliga tidskrifter, inklusive Nature Communications och Journal of Geophysical Research:Atmospheres.

"Hela idén var att försöka ta reda på hur atmosfärisk dynamik, som luftmassor som kommer från havet, till exempel, kan påverka molnegenskaper och hur förändringar i molnegenskaper påverkar energibalansen i regionen, sa Cadeddu, som arbetar på Argonnes division Environmental Science. "Och att förstå hur moln påverkar ett system kan hjälpa till med framtida klimatprognoser."

Antarktis är en viktig region för klimatmodeller, hon noterade, men modeller förlitar sig på data, ju mer exakt desto bättre. Hittills, Antarktis klimatmodeller har varit mindre än korrekta eftersom vetenskapen saknar kvantitativa observationer av regionen; de observationer som är tillgängliga kommer från satelliter, som har problem på mycket höga och låga breddgrader. Men med tanke på tiden och instrumenteringen som tillhandahålls av AWARE, forskare har börjat fylla i många saknade bitar i Antarktis övergripande klimatpussel.

Hemma, där temperaturen är mindre kall, Cadeddu är en del av Argonne moln- och strålningsforskargrupp som inkluderar Virendra Ghate, en radarmeteorolog, och Donna Holdridge, ARM-mentorn för radioljudsystemen. Molnet och strålningsforskargruppen bidrog med sin expertis inom fjärranalysutrustning, inklusive LiDAR (ljusdetektion och avstånd) och radarenheter, kortvågsspektrometrar och mikrovågsradiometrar för mätning av strålning, och radiosonder (ballongförhöjda apparater som mäter övre atmosfäriska förhållanden).

Eftersom fjärrsensorer överför rådata, forskare måste bearbeta och tolka informationen för att få direkta mätningar eller fysiska mängder. Till exempel, signaler som skickas från LiDAR och radarenheter återvänder som spridda signaler som korrelerar med molnförändrande mekanismer som strålning.

"Dessa sensorer använder kunskap om hur strålning fortplantar sig genom ett medium, samt hur moln och regndroppar interagerar med strålning. När vi undersöker dessa signaler, vi kan uppskatta specifika molnegenskaper, såsom partikelstorlekar eller mängden ånga, flytande vatten eller is de innehåller, " förklarade Cadeddu.

Molnfaser är relevanta för strålningsegenskaper, eller hur mycket strålning molnen överför, absorbera eller sprida. Argonne-forskare använde denna information, till viss del, att förstå skillnader mellan molnförhållanden i Arktis och Antarktis och deras effekt på regionalt klimat.

Bland de stora skillnaderna, Antarktis uppvisar mycket mindre antropogena föroreningar än Arktis. Även om detta erbjuder mer orörda förhållanden för att studera moln, de lägre föroreningsnivåerna påverkar också mängden flytande vatten som finns i molnen vid mycket låga temperaturer.

Modeller omvandlar all vätska till is när molnen når temperaturer nära -20 grader C. Men teamet fann att vätskelagret kvarstår i temperaturer så låga som -35 grader C i molnen ovanför McMurdo. Även små mängder vätska kan ha en värmande effekt på ytan av Arktis, så teamet försöker avgöra vilka klimatrelaterade effekter dessa vätskemättade moln kan ha i söder.

AWARE-kampanjen skapade rubriker 2016, när forskare som utförde mätningar längs den västantarktiska inlandsisen fångade en av de största ytsmältningshändelserna någonsin. Traditionellt, ytsmältningshändelser vid inlandsisen tillskrivs varmt havsvatten under kustens ishyllor, men omfattande observationer visade externa faktorer i arbetet, också. Forskare tillskriver en del av smältningen till en stark El Niño -händelse i kombination med regionala förhållanden, varav några relaterade tillbaka till vätskeförande moln.

"Moln utövar ett viktigt inflytande på balansen mellan inkommande och utgående energi vid ytan, och dessa lågnivå optiskt tunna moln kan ha en avgörande roll för att antingen orsaka eller förlänga smältförhållanden över inlandsisar, sa Cadeddu.

Molnegenskaper kanske inte har varit en del av det större övervägandet av "meteorologiska fenomen på södra halvklotet" när Vetenskap artikeln publicerades 1887. Oavsett faktorerna, författaren gjorde klart att 1800-talets vetenskap tittade på en större, mer framåtsträvande bild som lämnade utrymme för molnens potentiella roll när de skrev följande:

"... Den viktiga betydelsen av dessa problem i praktiska frågor kan inte överskattas. Sjömannen kan inte avstå från kunskapen om strömmarna, vindar, och magnetiska element, och det finns knappast en klass av människor som inte kommer att gynnas av meteorologins framsteg."

Forskningsartiklar som används för den här artikeln inkluderar, "Makrofysiska antarktiska moln, termodynamisk fas, och atmosfäriska inversionskopplingsegenskaper vid McMurdo Station. Del I:Huvudsaklig databehandling och klimatologi, " och "Optiska molnegenskaper över Västantarktis från kortvågsspektroradiometermätningar under AWARE, "i Journal of Geophysical Research:Atmospheres , 22 maj, 2018, och 3 september 2018, respektive; och "Januari 2016 omfattande sommarsmälta i västra Antarktis gynnas av starka El Niño, " i Naturkommunikation , 15 juni, 2017.