Ett team av atmosfäriska vetenskapsmän från hela landet är på väg ner till Houston, Texas, område för de kommande 14 månaderna för att söka svar på en irriterande fråga:Gör små sotprickar, damm, rök, och andra partiklar suspenderade i jordens atmosfär hjälper till att bestämma hur allvarliga åskväder är? Kunskapen kan göra väderprognoser mer exakta och ge avgörande data för att förbättra förutsägelser om hur aerosoler kan påverka jordens framtida klimat.

Utbyggnaden i Houston kommer också att tillhandahålla detaljerad information om lokal luftkvalitet. Som en omfattande fältstudie i ett storstadsområde, det kommer att ge forskare en unik möjlighet att utforska effekterna av industrin, fordonsutsläpp, och den byggda miljön på väder och klimat.

"Vi vill veta hur aerosoler, de små partiklarna som vatten kondenserar på för att bilda molndroppar, påverka fysiken hos djupa konvektiva moln – den typ som ofta packar blixtar och ösregn – och sedan hur samma väderförhållanden påverkar de lokala aerosolens egenskaper och stadsluftkvaliteten, sa Michael Jensen, en meteorolog vid det amerikanska energidepartementets (DOE) Brookhaven National Laboratory och huvudutredare för TRACER-fältkampanjen. TRACER är en förkortning för Tracking Aerosol Convection interactions ExeRiment, en studie som utförs av DOE:s användaranläggning för Atmospheric Radiation Measurement (ARM).

Arbetar i nära samarbete med forskare vid University of Houston, TRACER-forskare från Brookhaven, Los Alamos National Laboratory, och andra institutioner kommer att samla in data om aerosoler och atmosfäriska egenskaper under ett helt år. Teamet kommer att distribuera en uppsättning instrument som levereras och drivs av ARM på fyra platser strax utanför staden. Under en intensiv studieperiod från juni till september 2022, ytterligare partners från National Science Foundation, NASA, Texas Commission on Environmental Quality, och andra byråer kommer att ansluta sig till laget för att fånga toppen av Houstons sommarstormsäsong.

Med ett fuktigt subtropiskt klimat, många isolerade konvektiva stormar, och en rad industriella och naturliga aerosolkällor, Houston är den perfekta platsen för studien.

"Vi är en kustnära miljö, så det är särskilt utmanande att förutsäga vädret, sa James Flynn, forskningsdocent vid University of Houston Department of Earth and Atmospheric Sciences vid College of Natural Sciences and Mathematics. "Vi har många åskväder, vi har föroreningar och några naturliga källor till fina partiklar."

Exempel inkluderar damm, havssalt, partiklar som släpps ut av dieselmotorer, sot från förbränningsprocesser vid kraftverk och raffinaderier, mycket stadstrafik, och även rök från skogsbränder i Kalifornien och Colorado.

Viss forskning tyder på att sådana aerosoler kan förändra molns livscykel, fördröja uppkomsten av nederbörd. Om det händer, när molnen växer, vattendroppar kan bli större. "Och när de faller, det är en brunnstvätt, sa Flynn.

TRACER-data kommer att förbättra förståelsen för dessa processer – och vår förmåga att förutsäga när översvämningarna kommer att inträffa.

ARM-distribution

ARM-instrumenten, inrymt i 10 mobila fraktcontainrar, är gemensamt kända som "den första ARM Mobile Facility, " eller AMF1. Många av dessa instrument, inklusive ett Aerosol Observing System utrustat på Brookhaven Lab, har rest till platser runt om i världen från Arktis till tropikerna för att samla in atmosfärisk data.

"Detta är den första utbyggnaden av ARM Mobile Facility i en urban kustmiljö, sa Sally McFarlane, DOE-programledare för ARM. "Den varma, fuktig luft från Mexikanska golfen bidrar till att bilda en hel del isolerade, måttligt starka stormar – de som förmodligen är mogna att påverkas av aerosoler. Dessa kustförhållanden och Houstons blandning av industriella och naturliga aerosolkällor gör området till ett idealiskt laboratorium för att studera aerosol-molninteraktioner."

Ett ARM-team kommer att sätta upp containrarna, varje hölje ställ med instrument och insugningsventiler, nära Galveston Bay – ett område med mycket industri, raffinaderier, och transporter. Flera av containrarna har även sofistikerade radar (som använder radiovågor) och lidar (som använder laserljuspulser) för att mäta höjden, djup, och mängden vatten i molnen – bland andra viktiga variabler. Ytterligare meteorologiska instrument kommer att fungera i ett angränsande instrumentfält. Tillsammans kommer dessa verktyg att spåra molnegenskaper; storleken, siffra, och kemisk sammansättning av aerosoler; nederbörd; och variabler som temperatur och luftfuktighet som påverkar atmosfärens stabilitet.

Provtagning i hela atmosfären

Under året har ARM-teamet kommer också att skjuta upp mer än tusen väderballonger med ytterligare batteridrivna sensorer, kallas radiosonder, högt upp. Ballongerna kommer att färdas genom och ovanför molnen, till en höjd upp till 17 kilometer (nästan 56, 000 fot) – tar sig ofta till stratosfären – skickar ytterligare data om temperatur, fuktighet, tryck, och slingrar sig tillbaka till forskningsstationen nedanför.

Vissa ballongburna instrument kommer också att mäta koncentrationen av ozon genom atmosfärens djup.

"Vi kommer att använda dessa ozonmätningar för att lära oss om luftkvaliteten och hur åskväder omfördelar luft mellan ytan och uppåt, " sade Flynn. Yt-ozon genereras när kemikalier som släpps ut som en del av bilavgaser och industriella processer reagerar med solljus. Så, när stormar transporterar luft från ytan uppåt genom atmosfären, föroreningen kan fungera som spårämne för TRACER.

Landa, hav, atmosfäriska interaktioner

Under den intensiva studieperioden nästa sommar, forskare från TRACER och partnerbyråer kommer också att distribuera ytterligare utrustning nära staden Guy, Texas, sydväst om staden. Två bundna ballongsystem, en på platsen i Guy och en vid Smith Point på östra sidan av Galveston Bay, kommer att bära instrument för att mäta vindar, små aerosolpartiklar, och ozon i de lägsta lagren av atmosfären. Mätningarna på stranden av Galveston Bay kommer att ge viktig information om hur viken påverkar den lokala atmosfäriska cirkulationen.

Under tiden, instrumenten i Guy kommer att samla in data på en mer lantlig plats.

"Vi förväntar oss att se lägre aerosolkoncentrationer, så denna plats kommer att fungera som en kontrast till AMF1-platsen och möjliggöra jämförelse av molnets och nederbördsegenskaperna under dessa mycket olika förhållanden, " sa McFarlane.

Mellan de två huvudsakliga landplatserna, en skanande ARM nederbördsradar i Pearland kommer att spåra molnens egenskaper.

"Denna radar kommer att samla in data om molnegenskaper, inklusive hastigheten för vertikala uppströmmar som påverkar hur snabbt molnen växer, bilda is, och producera regn och blixtar. Den kommer att fungera under hela studieperioden, sa Jensen.

Sedan, under den intensiva studietiden, använda unika observationstekniker, radarn kommer att kunna titta på finare detaljer i molnen – inklusive storleken och formen på molndropparna och om de är is eller flytande. "Den kommer att kunna titta på atmosfären över varje plats eftersom de upplever olika aerosolförhållanden, sa Jensen.

Radarn kommer att drivas av mjukvara utvecklad av Brookhaven-forskaren Pavlos Kollias och programmerad med artificiell intelligens (AI) och befintliga datamängder. "Denna programvara låter radarn välja de stormar vi tror kommer att utvecklas och flytta över platserna, och sedan zooma in och skanna med hög upplösning för att utforska detaljer om hur aerosoler påverkar nederbördsfallen där, sa Jensen.

Dela och tillämpa data

All data som samlas in av ARM kommer att vara fritt tillgänglig för alla som vill analysera den.

"Vi hoppas att de saker vi lär oss här, processerna inom konvektiv aktivitet, hur föroreningar påverkar stormar, kommer att tillämpas i andra större stadsområden som har mycket konvektion, " sade Flynn. "Med många projekt, du börjar verkligen komma ner till någon riktig kärnvetenskap. Folk är ibland inte säkra på varför det är viktigt. Det här är ett av de projekt som är väldigt applicerbart i vardagen här i Houston."

Forskningen kommer att kunna tillämpas utanför Houston-området också. DOE:s Atmospheric System Research (ASR)-program har redan förbundit sig att finansiera 10 TRACER-projekt som leds av universitetsbaserade forskare.

"TRACERs vetenskapliga mål är i linje med ASR:s fokus på moln, aerosol, nederbörd, och strålningsprocesser, " sa Jeff Stehr, en DOE-programledare för ASR. "Konvektiva moln förekommer över hela världen, men det finns fortfarande många frågor om hur de påverkas av sin miljö. TRACER kommer att förbättra vår förståelse för hur dessa moln bildas, växa, och förfall i och runt en kustnära stadsmiljö. Den första uppsättningen av ASR-finansierade projekt involverar forskarlag från hela landet, och kommer att lägga till mätningar och modellering till TRACER-kampanjen."

Data som samlas in av TRACER kommer också att vara till hjälp för att förstå processer som är relevanta för hur orkaner bildas och hur länge de varar.

Och medan väder och klimat fungerar på olika tidsskalor, de handlar båda om "fysiken i jordens atmosfär, "Jensen sa. "Att förstå stormar är viktigt för att förstå klimatet eftersom stormar omfördelar värme och fukt genom atmosfären. Och den omfördelningen påverkas av småskaliga processer i atmosfären inklusive interaktioner med aerosoler. Det är vad vi kämpar med i klimat- och vädermodellerna."

"TRACER kommer att fylla i en del av de saknade uppgifterna för att hjälpa oss att förbättra dessa modeller."