Det tyska forskningsflygplanet HALO kommer att utforska det södra halvklotet som en del av projektet SouthTRAC (Transport and Composition of the Southern Hemisphere UTLS) i september och november 2019. Data från det södra halvklotet är avgörande för förståelsen av hur klimatförändringarna påverkar den globala atmosfären flöden. Dock, nästan inga mätningar har gjorts på södra halvklotet på höjder av 10 till 15 kilometer. SouthTRAC-projektet syftar till att fylla dessa luckor i vår förståelse.

Huvudmålen för den första fasen av denna kampanj är att undersöka ozonnedbrytningen över Antarktis under våren, det så kallade ozonhålet, och att utvärdera vikten av gravitationsvågor över södra spetsen av Amerika och Antarktis för cirkulationen i stratosfären. Stratosfären innehåller ozonskiktet och är det atmosfäriska skiktet på höjder över 12 kilometer. I den andra fasen av kampanjen som äger rum i november, det huvudsakliga vetenskapliga fokuset kommer att ligga på att undersöka hur luftmassor utbyts och blandas mellan stratosfären och troposfären, särskilt i subtropiska områden.

Under transferflygningarna mellan Europa och Sydamerika, forskare kommer att utforska, bland andra ämnen, effekten av den nuvarande förbränningen av biomassa i Amazonas regnskog på atmosfärens sammansättning och klimat. Forskare från Johannes Gutenberg University Mainz (JGU) och Goethe University Frankfurt, tillsammans med Forschungszentrum Jülich, German Aerospace Center (DLR), och Karlsruhe Institute of Technology (KIT), kommer att samordna de omfattande forskningsflygningarna. För detta projekt, universiteten i Mainz och Frankfurt samarbetar som en del av alliansen Rhine-Main Universities (RMU).

Fokus på växthusgasernas inverkan på klimatförändringarna

Spårgaser som koldioxid och vattenånga är potenta växthusgaser och spelar en viktig roll i klimatförändringarna. Detta inkluderar även stratosfäriskt ozon, som fungerar som en växthusgas. Sedan slutet av 1980-talet, Montrealprotokollet har förbjudit användningen av klorfluorkolväten (CFC), som kraftigt bryter ned ozonskiktet. Dock, det kommer att ta många decennier för ozonskiktet att återhämta sig. På samma gång, klimatförändringar påverkar atmosfärens vattenångainnehåll. SouthTRAC-kampanjens forskare tittar för närvarande i detalj på betydelsen av detta för den kemiska sammansättningen av luften på södra halvklotet och för globala klimatförändringar.

En region med särskilt allvarlig ozonnedbrytning byggs upp år för år över Antarktis. De atmosfäriska förhållanden som bidrar mest till ozonnedbrytningen över Antarktis är låga temperaturer och minskade luftmassautbyten mellan medel och höga breddgrader i stratosfären. De senare aktiveras av en stabil virvel, den så kallade antarktiska polarvirveln.

Forskargrupperna är intresserade av själva utarmningen av polär ozon, och i frågan om hur luftmassor från virveln påverkar regionens sammansättning på höjder av 10 till 15 kilometer. Denna region är också av särskild betydelse för klimatet på marknivå. Vattenånga och ozon spelar nyckelroller här, eftersom deras fördelning direkt påverkar atmosfärens energibalans. Förutom effekterna av polär ozonkemi, utsläpp från skogsbränder i Amazonas och Centralafrika stör de kemiska processer på marken som bestämmer produktionen och förstörelsen av ozon och andra ämnen.

Forskarna kommer att analysera kemikalien såväl som de dynamiska effekterna som påverkar distributionen och blandningen av ämnen som påverkar atmosfärens kemi och i slutändan jordens klimat. Denna forskning kommer främst att fokusera på påverkan av troposfäriska depressioner, stratosfärisk cirkulation, och den polära virveln. Den relativa rollen för alla dessa fenomen i regionen mellan 10 och 15 kilometers höjd skiljer sig markant mellan södra och norra halvklotet.

JGU har en ledande roll i SouthTRAC

Forskare från professor Peter Hoors grupp vid JGU Institute of Atmospheric Physics ingår i projektets styrgrupp, utföra mätningar av kolmonoxid och koldioxid, bland andra arter. Dessa arter indikerar potentiellt effekten av förbränningsprocesser på höjder på upp till 15 kilometer, även vid bränder som brinner flera tusen kilometer bort. Dessutom, dessa mätningar kommer att användas för att undersöka tidsskalorna för de dynamiska processer som bestämmer fördelningen av luftmassor och påverkar de klimatrelevanta arterna ozon och vattenånga. Detta projekt kommer att genomföras tillsammans med Goethe University Frankfurt, stöds av båda universiteten som en del av Initiative Funding for Research of the Rhine-Main Universities (RMU).

En av de ledande forskarna är Dr Heiko Bozem, som också har gjort den långa transferflygningen från Oberpfaffenhofen till Tierra del Fuego. I den andra fasen, Dr Daniel Kunkel kommer att förbereda färdplaner baserade på aktuella väderprognoser och kommer också att tjänstgöra ombord på HALO som uppdragsforskare.

Meteorologiska och kemiska prognosmodeller kommer att användas för att ge information om det lokala vädret samt atmosfäriska förhållanden och spårgasdistribution, som är nödvändiga för exakt flygplanering. Kemiska prognoser kommer att finnas tillgängliga på plats, med hjälp av den kemiska lagrangiska modellen för stratosfären (CLaMS) utvecklad vid Forschungszentrum Jülich. Meteorologiska prognoser är huvudsakligen baserade på numeriska väderprognoser från European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF), men tillhandahålls också av tyskarna, Brittiska och argentinska meteorologiska kontor. HALO långdistansmätningar av atmosfärisk sammansättning kommer att kompletteras med markbaserade mätaktiviteter. Mätningar kommer att göras med radiosonder och ombord på ett av segelflygplanen som opererar utanför staden El Calafate.

Tropopaus och växthusgaser

Tropopausen är gränsen mellan den väderaktiva troposfären och stratosfären ovanför. På medelbreddgrader, tropopausen har en långsiktig medelhöjd på 8 till 12 kilometer; i tropikerna kan dess höjd nå upp till 18 kilometers höjd. Koncentrationer av växthusgaser som vattenånga och ozon förändras kraftigt på denna höjd.

Medan vattenångan minskar kraftigt med höjden, ozon visar en kraftig ökning som bildar ozonskiktet. Omfattningen av denna respektive minskning och ökning av koncentrationen i tropopausregionen påverkar i slutändan temperaturen på marken, på grund av absorptionen av sol- och markstrålning. Baserat på satellitmätningar, forskare antar att fördelningen av växthusgaser i tropopausen skiljer sig mellan norra och södra halvklotet. SouthTRAC undersöker nu denna skillnad ordentligt för första gången.

Hav, berg, och gravitationsvågor

Polarvirveln bildas på vintern när inget solljus finns tillgängligt för att värma upp luftmassorna över Antarktis. När de svalnar, dessa luftmassor börjar sjunka, vilket i sin tur gör att luftmassor från lägre breddgrader strömmar mot polen. Under påverkan av jordens rotation, dessa luftmassor börjar rotera runt polen vid mycket höga vindhastigheter för att bilda polarvirveln, som spänner över hela kontinenten Antarktis i stratosfären. Det är i det isolerade inre av detta virvelsystem som de kemiska reaktionerna sker som ger upphov till det så kallade hålet i ozonskiktet på södra halvklotet under våren. Positionen för denna virvel kan störas av gravitationsvågor.

Tyngdkraftsvågor manifesteras som periodiska fluktuationer i temperatur, tryck, och vind som utbreder sig till höjder upp till 90 kilometer in i mellanatmosfären, som består av stratosfären och mesosfären. De är glada när starka vindsystem möter höga bergskedjor. Med stora berg som löper från norr till söder och utgör ett stort hinder för de mycket starka vindarna på dessa breddgrader, Sydamerikas södra spets och den antarktiska halvön är idealiska platser för att studera livscykeln för dessa vågor och deras inverkan på klimatförändringarna på södra halvklotet.

Nattskift för forskning

För att analysera egenskaperna hos gravitationsvågor, forskarna installerade en laser ombord på flygplanet. För att förhindra att lasermätningarna störs, flygningarna sker endast på natten. "De många nattflygningarna utgör en ganska utmaning för forskarna, " sa Dr Heiko Bozem. "Vårt skift i Rio Grande börjar kl. 18.00. så att flygningarna kan ske i mörker." HALO-flygplanet reste till projektplatsen i tre etapper, från Oberpfaffenhofen nära München via Kap Verdeöarna till Buenos Aires och sedan vidare till Tierra del Fuego.