För Stephan Borrmann, en dag med detektivarbete på hög höjd börjar tidigt. Han vaknar ungefär 05:30 på ett hotell i utkanten av Katmandu, Nepal. Efter en snabb frukost, han och hans team körs till stadens flygplats. Deras jobb är att förbereda ett ombyggt ryskt spionageplan så att det kan undersöka ett av atmosfärens största mysterier.

Professor Borrmann är en atmosfärisk fysiker vid Johannes Gutenberg University och Max Planck Institute for Chemistry i Mainz, Tyskland. Han är intresserad av det komplexa system av moln och aerosoler som bildas över stora delar av Sydasien som en del av monsunen. Himalaya tvingar luft uppåt och bildar en enorm massa virvlande moln. Detta fungerar "som en dammsugare", säger prof. Borrmann, dammar upp luftföroreningar från hela Asien. År 2009, satelliter fångade upp att ett lager av aerosol – en suspension av små partiklar – ackumulerades strax ovanför molnen på en höjd av cirka 14-18 km. Men ingen visste vad den var gjord av.

Professor Borrmann och hans team ville ta reda på mer eftersom det verkade troligt att detta lager, känt som det asiatiska troposfäriska aerosolskiktet (ATAL), kan ha en viktig och odiagnostiserad effekt på vår planets klimat. Aerosoler reflekterar i allmänhet solljus och är också kända för att vara viktiga frön för moln. Så det förväntades att ATAL kunde ge några regionala kyleffekter - men hur betydande de skulle vara var oklart.

Det fanns en annan aspekt av mysteriet också. Luften på denna höjd, ovanför det rasande monsunsystemet nedanför, är mycket stabil, vilket ger aerosolpartiklarna gott om tid att fungera som ytor på vilka ovanliga kemiska reaktioner kan ske. Detta kan skapa en rad föroreningar som kan spridas mycket runt atmosfären. Men ingen hade någon aning om hur den kemin skulle se ut.

Detta är vad som tog prof. Borrmann och hans team till flygplatsen i Katmandu i juli 2017:för att ta reda på vad som pågick i denna mystiska ATAL som en del av deras EXCATRO-projekt. De anlände vid 6:30 -tiden vid en bakre ingång bemannad av några soldater som kontrollerade deras namn mot en handskriven lista. Sedan fördes de till en enorm hangar. Inuti fanns ett speciellt forskningsflygplan och en rad bänkar som innehöll vetenskapliga instrument – ​​inte bara de från Prof. Borrmanns team utan de som ägdes av ytterligare 15 team från hela världen. "Det är kaos, " sa prof. Borrmann. "Kablar och verktyg överallt."

Katmandu

Prof. Borrmann och hans team förbereder och kalibrerar cirka 11 olika instrument. Men deras mest uppskattade kit är två unikt känsliga masspektrometrar, instrument som separerar ut och mäter spårgaser baserat på deras massa. Det tar ett par timmar att kontrollera och kalibrera instrumenten och fästa dem på utsidan av planet inklusive under vingarna så att luften strömmar igenom. Sedan, eftersom det inte finns tillräckligt med plats för traktorer nära hangaren, ett 20-tal forskare trycker ut flygplanet där den ryska piloten, den enda personen som kommer att gå upp, kan tända sina motorer.

Det finns få flygplan som kan flyga så högt som det här, en rysk M-55 Geophysica. Kommersiella flygningar kryssar på en höjd av 11 km eller så, men det här planet kan nå mer än 20 km. Piloter måste bära en trycksatt kostym i ensitsflygplanet. Att arrangera flyg var knepigt i en region med politiska spänningar. Prof. Borrmann säger att det tog fyra år av diplomati på hög nivå att nå en överenskommelse om att flyga planet i nepalesiskt och indiskt luftrum.

När det väl är där uppe, instrumenten måste fungera automatiskt och det finns inte mycket prof. Borrmann eller någon annan kan göra – förutom oro. Han säger att temperaturen där uppe är -85 ^o C och så är instrumenten under otrolig stress. Att flyga genom moln kan också bli väldigt turbulent. "Det finns en miljon små saker som kan orsaka misslyckanden, " han sa.

En satellittelefon på planet pingar tillbaka SMS-meddelanden till marken med avläsningar om instrumentens status. Forskarna sitter i hangaren och ser uppdateringarna komma in på en stor skärm. Allt är för det mesta tyst. Vid några tillfällen, säger prof. Borrmann, instrumenten misslyckades så han skickade ett sms och uppmanade dem att stänga av och på igen. Tack och lov, det fungerade.

Sent på eftermiddagen landar planet och piloten ger en 20 minuters debriefing på ryska (som Prof. Borrmann talar, lite). Det är viktigt att förstå den exakta flygväg på vilken instrumenten fick sina data så att aerosolskiktets kemi kan förstås i rumsliga termer. Sedan blir det en kamp för att ladda ner instrumenten och ladda ner data.

Det var vid det här laget en dag som professor Borrmann hade ett ögonblick som han säger att han aldrig kommer att glömma. "Från tidens spår, Jag kunde se den blå linjen som representerade nitrat gå upp och upp, " sa han. Det var ganska uppenbart för honom då och där att ATAL till stor del bestod av nitratsalter, och teamet bekräftade senare detta som ammoniumnitrat. "Under några minuter, Jag var den enda vetenskapsmannen i världen som visste svaret på detta enorma mysterium."

Ammoniakförorening

Det var inte helt en överraskning att ammoniak var den främsta skyldiga parten i ATAL. Norra delen av den indiska subkontinenten är känd för att vara en av världens hotspots för ammoniakföroreningar, eftersom det både produceras och används så mycket gödsel där. Dessa aktiviteter släpper ut ammoniak i luften, som sedan kan reagera med kväveoxider och svaveloxider för att bilda aerosoler. Ett par forskningsballongflygningar hade redan gett preliminära antydningar om att det var där 2018. Prof. Borrmann och hans kollegor har bevisat detta och gett enorma detaljer om distributionen och koncentrationerna av nitrat aerosoler.

Strax efter början av kampanjen för mätningsflyg, Prof. Borrmann säger att han fick några minnesvärda meddelanden. "Efter två eller tre flygningar, vi fick mejl från kollegor på NASA, " sa han. "Och de sa i huvudsak:"Vi ser ditt plan flyga på vår radar. Vad fan gör du?"

Kanske borde det inte komma som en överraskning att NASA skulle notera ett ryskt plan på hög höjd.

I alla fall, detta utbyte har lett till nästa fas av prof. Borrmanns arbete. Planen, i samarbete med NASA, är att räkna ut vilken typ av kemi som händer i aerosolskiktet härnäst och hur detta kan påverka vårt klimat. Några veckor efter slutet av sommarmonsunen, aerosolskiktet borde ha hunnit genomgå kemi och börja spridas och driva iväg. Prof. Borrmann och teamet planerade en kampanj med flygningar med ett amerikanskt forskningsflygplan ovanför Japan vid rätt tid på året 2020 för att göra några fler mätningar. Det har avbrutits som ett resultat av coronavirus-pandemin och liknande flygningar från Sydkorea är nu planerade till 2021. "Vi vill se vad som händer med dessa partiklar när de blir äldre, sade prof. Borrmann.