Atmosfären i centrala Arktis är förorenad med fint damm från Sibirien och Nordamerika. Detta var resultatet av en preliminär utvärdering av de första lidarmätningarna som utfördes av Leibniz Institute for Tropospheric Research (TROPOS) under den ettåriga MOSAiC-expeditionen ombord på RV Polarstern. För första gången, en multi-våglängd lidar användes under polarnatt i centrala Arktis, som kan mäta dammpartiklar på upp till 14 kilometers höjd med laserpulser från marken.

De första uppgifterna visar flera lager av damm från mänskliga källor och skogsbränder på 5 meters höjd, 6 och 12 kilometer. Uppgifterna är en indikation på att den övre atmosfären i regionen runt nordpolen är mer förorenad på vintern än tidigare antagits. Under de kommande månaderna, den internationella MOSAiC -expeditionen som leds av Alfred Wegener Institute, Helmholtz Center for Polar and Marine Research (AWI), kommer att tillhandahålla data om klimatförändringar i centrala Arktis, för vilka nästan inga mätningar är tillgängliga på grund av de extrema förhållandena vid polarnatt.

Den 4 oktober, forskningsfartyget Polarstern nådde isflaket vid 85 ° nord och 137 ° öst med vilket isbrytaren och ett omfattande mätnät på isen avser att driva genom den centrala arktiken på nordpolen i ett år. Med den officiella starten av MOSAiC -expeditionen, OCEANET -containern ombord på Polarstern påbörjade också sitt arbete. "Tillsammans med behållarna från våra amerikanska och schweiziska partners, vår container ligger på fördäcket RV Polarstern. Jag kunde sätta vår laser i drift direkt efter att lastningsarbetet var slut. Målet är att mäta de suspenderade partiklarna i atmosfären ovanför fartyget dygnet runt i ett år, "rapporterar Dr. Ronny Engelmann från TROPOS, som ansvarar för mätningarna ombord under den första etappen av resan tills han byts ut i december 2019.

Atmosfärforskning bryter alltså ny mark:"Driften av vårt laserbaserade fjärranalyssystem PollyXT i centrala Arktis är hittills unikt. Aldrig tidigare har atmosfären i denna avlägsna region studerats med en multi-våglängdslidar som fungerar med ljus av olika våglängder från ultraviolett till infrarött. Endast med denna kombination är det möjligt att bestämma olika suspenderade partiklar som kan härröra från olika källor, till exempel skogsbränder, vulkanisk aska, antropogen luftförorening eller havsytan, "förklarar Dr Albert Ansmann, chef för den markbaserade fjärranalysgruppen på TROPOS.

I mer än 20 år har TROPOS har utvecklat och drivit lidar -enheter för att undersöka egenskaperna hos suspenderade partiklar, känd som aerosoler. Dessa enheter skannar atmosfären ovanför marken som en ljusradar med laserljus och kallas därför lidar. Beroende på ytan och formen på partiklarna, laserljuset reflekteras annorlunda. Om inte bara transittiden och mängden av det reflekterade ljuset mäts, men också dess polarisering, då kan man dra slutsatser om partiklarnas egenskaper. Teamet på RV Polarstern använder den senaste generationen av det mobila lidarsystemet PollyXT, som avger laserpulser av ultraviolett (355 nanometer våglängd), grönt (532 nanometer våglängd) och infrarött (1064 nanometer våglängd) ljus. Den tas emot på 13 kanaler och täcker därmed ett brett spektrum av ljus upp till det infraröda området.

Eftersom luftlagren på marknivå i Arktis är särskilt viktiga för atmosfärisk forskning, den var utrustad med en närfältskanal för att samla in data från 50m över fartyget till 35 km höjder. Dessutom, den mäter med två synfält för att bättre upptäcka spridning av ljus i moln. Denna teknik med dubbla synfält, utvecklat av TROPOS tillsammans med Vitrysslands National Academy of Sciences, gör det möjligt att bestämma storleken och antalet molndroppar - en viktig parameter för klimatmodeller. I världen finns det för närvarande bara två enheter av denna typ. "Den andra enheten finns i vår LACROS -behållare i Punta Arenas, Chile, där vi studerar atmosfären nära Antarktis vid sydspetsen av Sydamerika tillsammans med Magellan University (UMAG) och University of Leipzig i DACAPO-PESO mätkampanjen. På grund av den identiska strukturen, data från båda polarområdena kan enkelt jämföras. Vi ser fram emot resultatet, säger Ansmann.

MOSAiC använder ett stort antal state-of-the-art mätinstrument som kompletterar varandra och tillsammans bör ge en bild av det nuvarande klimatet i regionen runt Nordpolen så komplett som möjligt. "Det laserbaserade Polly-XT-systemet ger en oöverträffad bild av den vertikala och tidsmässiga fördelningen av aerosolpartiklar i Arktis under en molnfri himmel. Redan på morgonen den 5 oktober, den klarade upp och erbjöd lasern en fri sikt in i atmosfären. Observationerna gav överraskande resultat:Atmosfären på den avlägsna platsen cirka 1000 kilometer norr om Sibirien var kraftigt förorenad med suspenderade partiklar från marken till en höjd av 12 kilometer. Denna förorening kan inte komma från lokala källor, men kan bara nå höga breddgrader via långväga transporter, "rapporterar Dr Holger Baars, som bidrar till datautvärderingen på TROPOS i Leipzig.

För att begränsa källorna till luftföroreningar i Arktis, vädermodelsimuleringar utvärderades och luftens ursprung spårades tillbaka över 10 dagar. "Med hjälp av så kallade bakåtgående banor, vi kan avgöra var luften uppmätt ovanför fartyget kommer ifrån. Det visades att luftmassorna från södra Ryssland passerade genom södra Sibirien vid kanten av de centralasiatiska öknarna via Kamchatka österut innan de nådde Arktis via Alaska. Detta matchar aerosolen i skogsbränder, industriell förorening och ökenstoft som vi ser i lidardata. Och det passar tesen att under polvinter fungerar Arktis som en stor virvel som "suger in" luftföroreningar från stora delar av norra halvklotet, "förklarar Martin Radenz från TROPOS, som skapade luftmassesimuleringen.

Knappast någon annan region på jorden har värmts så mycket som Arktis under de senaste decennierna. Sedan 2016 har Transregio 172 "Arctic Climate Change" från German Research Foundation (DFG) under ledning av universitetet i Leipzig har undersökt molnens roll och de därtill hörande processerna i den arktiska atmosfären. Det fanns starka skillnader i isbildning i moln beroende på om molnen når marken eller inte. Faktiskt, TROPOS -lidarmätningarna under MOSAiC -testkampanjen PASCAL sommaren 2017 visade isbildning vid förvånansvärt varma temperaturer.

"Det faktum att vi hittar de varmaste ismolnen i Arktis verkar initialt paradoxalt, men kan kanske förklaras av ett unikt temperaturspel, luftfuktighet och aerosol av biologiskt ursprung, "säger prof. Andreas Macke, Direktör för TROPOS och chefsvetare för PASCAL -expeditionen. Frågor om molnbildning är fokus för de aktuella undersökningarna för att ta reda på hur iskärnande partiklar (INP) påverkar molnbildning i Arktis och hur dessa i sin tur påverkar den observerade uppvärmningen.

MOSAiC står för "Multidisciplinary drifting Observatory for the Study of Arctic Climate". MOSAiC inkluderar också cirka två dussin forskare från Leipzig. Både Leibniz Institute for Tropospheric Research (TROPOS) och University of Leipzig är på väg i Arktis med genomarbetade instrument. MOSAiC -expeditionen som leds av Alfred Wegener Institute, Helmholtz Center for Polar and Marine Research (AWI), är förknippad med utmaningar utan motstycke.

MOSAiC har en budget på cirka 140 miljoner euro. Under året, cirka 300 forskare från 20 länder kommer att vara ombord. Tillsammans, de vill utforska hela klimatsystemet i centrala Arktis för första gången. De kommer att samla in data i de fem delområdena i atmosfären, havs is, hav, ekosystem och biogeokemi för att förstå de interaktioner som formar det arktiska klimatet och livet i Ishavet.