I årtionden, forskare har diskuterat påverkan av mänskliga gjorda partiklar och miljöpartiklar i atmosfären, kallas aerosoler, vid hårt väder. Klimatstudier tyder på att aerosoler kan hjälpa till att forma och till och med stärka delar av stormar som nederbörd och blixtar.

Dock, Det är svårt att studera aerosoler i atmosfären. Det finns många typer, och partiklarna är små. Deras kemiska och fysikaliska processer kan också vara subtila eller kortlivade. Forskare har uttryckt behovet av mer detaljerad information om aerosoler. Nya data behövs särskilt för att förbättra representationen av moln och stormar i klimatmodeller.

För att tillhandahålla dessa viktiga data för forskare, beslutsfattare, och allmänheten, Department of Energy's Office of Science stödjer ett team av forskare som skannar moln på Texas-himlen i hög upplösning. Genom att spåra aerosoler och moln på detta sätt, teamet hoppas att bättre förstå förhållandet mellan partiklarna, moln, och stormar.

DOE:s mobila atmosfärsobservatorium

Ett nytt projekt kallat TRACER—Tracking Aerosol Convection Interactions Experiment—använder ett DOE-mobilobservatorium från Atmospheric Radiation Measurement (ARM) användaranläggning för att registrera mikroprocesser som sker i moln. Experimentet pågår från oktober 2021 till september 2022 i Houston-området.

ARM-observatoriet består av bärbara skyddsrum utrustade med instrument och kommunikationsutrustning. Observatoriets plats kan se oansenlig ut – men det är en av världens mest avancerade anläggningar för att samla in atmosfäriska data.

Office of Sciences program för biologisk och miljöforskning (BER) hanterar flera ARM-observatorier som en användaranläggning med flera laboratorier. I över 30 år, forskningskampanjer har tagit dessa mobilstationer till gränserna för klimat- och atmosfärsvetenskap – från sydpolen till nordpolen till tropikerna. Data som samlats in från dessa fältexpeditioner hjälper till att förbättra klimatmodellernas förutsägelser.

Förbättra vår förståelse av aerosoler

Aerosoler är mänskliga gjorda och naturliga partiklar som tar sig in i atmosfären. Människotillverkade aerosoler kan innefatta föroreningar som släpps ut från bilar eller industrianläggningar. Naturliga aerosoler kan innehålla havssalt, damm, rök vid skogsbrand, och andra partiklar från miljön, antingen i närheten eller transporteras hundratals mil av vind och väder.

"En av de viktigaste frågorna i TRACER-kampanjen är i vilken utsträckning atmosfäriska aerosoler kan göra stormar svårare, sa Shaima Nasiri, BER Atmospheric System Research programledare.

Att koppla ihop prickarna mellan små partiklar och stormar är ett komplext problem. Lyckligtvis, lösa flerskaliga problem som detta, spänner över grundläggande kemi till global klimatmodellering, är en specialitet från Office of Science.

TRACER leds av DOE:s Brookhaven National Laboratory huvudutredare Michael Jensen, med många medutredare över andra DOE nationella laboratorier, University of Houston, och forskare runt om i världen. Den ettåriga kampanjen kommer att fokusera på aerosoler som finns i djupa konvektiva moln - en vanlig typ av stormmoln.

"Konvektiva moln fungerar som hissar av atmosfären, " sa Jensen. "De är vertikalt utvecklade och tenderar att transportera vattenånga, värme, Momentum, och partiklar från ytan upp till atmosfären."

För att bättre observera aerosol- och molninteraktioner över tid (minuter till månader) och rymden (små partiklar till stormmoln), TRACER-teamet lade till nya verktyg till ARMs svit av sensorer, väderballonger, och radar.

Nya skannings- och artificiell intelligenstekniker kommer automatiskt att spåra moln när de utvecklas. Sedan, specialiserade radarsystem kommer att göra detaljerade mätningar av moln och partiklar.

"Vi kommer också att samla in aerosoler på ytan för att mäta deras storlek och antal, sa Jensen.

Dessa verktyg kommer att ge precisionstekniker från laboratoriet till fältobservationer.

Houston – ett verkligt molnlaboratorium

Om du är en vetenskapsman som studerar aerosoler i konvektiva moln, Houston är ett bra ställe att göra ditt arbete. Regionens subtropiska klimat vid Mexikanska golfen upplever förutsägbara kraftiga regn, stormar, översvämning, och till och med orkaner. Konvektiva moln svävar över staden halva året och är vanligare i blöta, sommarmånaderna.

Houston är också en blomstrande stad med sjöfart och industri – och de aerosoler som följer med. Storstadsområdet rankas högt bland amerikanska städer för dålig luftkvalitet, inklusive partikelföroreningar. Men det vidsträckta Texas-landskapet runt staden har klarare luft, tillhandahålla en laboratorieliknande kontrollmiljö för jämförelse.

Houston är också en typisk amerikansk stad. Cirka 80 procent av amerikanerna bor i stadsområden och cirka 40 procent bor vid kusten.

"Majoriteten av människorna i USA bor i städer som Houston, " sa Nasiri.

Medan många mobila ARM-observatorier har utplacerats i avlägsna miljöer som är sårbara för klimatförändringar, TRACER kan fungera som en modell för framtida ARM urbana kampanjer.

"Jag tror att tekniken har avancerat till den grad att forskare känner att de kan göra framsteg i de pressande frågorna inom atmosfärsvetenskap relaterade till stadspåverkan, " sa Nasiri.

Som städer som Houston kan intyga, klimatförändringarna drabbar närmare hemmet än någonsin. Förödande stormar kan leda till dödsfall, farliga strömavbrott, och kostsamma egendomsskador.

"Detta är vår första stora stadsfältskampanj i sitt slag, och framåt, vi är intresserade av att närmare studera utsläpp i städer, " sa Jeff Stehr, BER Atmospheric System Research programledare.

Långlivade data för framtida klimatstudier

Tillgänglig för alla att använda, TRACER-data kommer att vara en viktig resurs för forskare och samhällen under många år framöver. Även om kampanjen är baserad på grundläggande vetenskapliga frågor om aerosolinteraktioner, BER-programmet förväntar sig att TRACER-data kommer att informera andra studier. Forskare kan använda uppgifterna i forskning som sträcker sig från grundläggande vetenskap om aerosolkemi till föroreningar, extremt väder, och klimatförändringar och motståndskraft. Programmet i sig kommer att finansiera grundläggande vetenskaplig forskning med hjälp av TRACER-data efter att kampanjen är klar.

"Vi har också haft ett stort intresse från andra byråer, med en mångfald av människor som deltar, ", sa Jensen. "Det första vetenskapsteamet inkluderade 35 medutredare, men det har vuxit till ett mycket större partnerskap med byråer och internationella samarbetspartners."

För att maximera insamlad data och slå samman resultaten, andra amerikanska vetenskapsorgan, inklusive NASA, NOAA, och National Science Foundation, kommer att genomföra sina egna atmosfäriska experiment under TRACER-kampanjen. Regionala organisationer, såsom Texas Commission on Environmental Quality, samarbetar också med projektet.

Med många potentiella användningsområden för TRACERS högupplösta klimatdata, forskningsresultat kan gå längre än studiet av aerosol- och molninteraktioner.

"Vi kanske inte ens vet vad det största resultatet av kampanjen kommer att bli, " Sa Nasiri. "Den största takeaway kan vara något vi inte ens tänker på."