En ny analys har avslöjat att avancerade satellitbaserade instrumentfunktioner behövs för global övervakning av mikroskopiska partiklar, eller aerosoler, i atmosfärens stratosfäriska skikt. Aerosoler i stratosfären - belägna över cirka 12 kilometer - ökar drastiskt efter ett vulkanutbrott, vilket leder till förändringar i jordens klimat och ger en kritisk möjlighet att testa vetenskapliga modeller som är utformade för att förutsäga klimatvariationer på kort och lång sikt.

Forskare från NASA Goddard Institute for Space Studies i New York och National Academy of Sciences i Kiev, Ukraina, rapportera de nya resultaten i tidskriften The Optical Society (OSA) Optik Express .

När en vulkan bryter ut, stora mängder aska och svavelsyrapartiklar kan täcka hela planeten, blockera mycket av solljuset och tillfälligt orsaka global kylning. Forskare undersöker nu om denna täckande effekt kan användas för att motverka den globala uppvärmningen genom att injicera konstgjorda aerosoler i stratosfären. Sådana geoengineering -projekt skulle också kräva ett sätt att övervaka mängden och storleken på artificiella partiklar i stratosfären och den resulterande klimateffekten.

"Den globala naturen hos naturliga och konstgjorda stratosfäriska aerosoler innebär att ett specialiserat jordbana-instrument är nödvändigt för att få omfattande information om deras egenskaper och distribution, "sa Janna Dlugach, medlem i forskargruppen från Ukrainas nationella vetenskapsakademi. "Denna information är kritisk för att testa klimatmodeller och för att övervaka klimateffekter från potentiella geoingenjörsprojekt och stora vulkanutbrott, som kan påverka försörjningen för hela befolkningen. "

Övervakning av aerosoler från rymden

Under det kommande decenniet planerar NASA att utföra ett specialiserat uppdrag för att övervaka aerosoler och moln på jorden. Detta uppdrag skulle omfatta ett instrument som mäter inte bara ljusstyrkan i solljus som reflekteras av atmosfären och jordens yta utan även ljusets polarisering, som innehåller rik information om storleken, sammansättning och mängd aerosolpartiklar.

"De tekniska egenskaperna hos denna framtida polarimeter är för närvarande föremål för aktiv debatt bland det vetenskapliga samfundet, "sa Michael Mishchenko, medlem i forskargruppen från NASA. "Vårt papper för in i denna diskussion nödvändigheten av att övervaka inte bara aerosoler i den lägre atmosfären, men också stratosfäriska aerosoler som kan bli en stor del av klimatsystemet vid ett stort vulkanutbrott eller genomförandet av ett massivt geoingenjörsprogram. "

Mätningar av reflekterat solljus av orbitalinstrument domineras vanligtvis av ljusa vattenmoln, landytan och aerosoler som finns i troposfären - det atmosfäriska skiktet närmast marken. "Detta är inte problematiskt när stratosfäriska aerosoler är minimala och därmed oviktiga i förhållande till troposfäriska aerosoler, "förklarade Dlugach." Men det blir viktigt att skilja ut ljuset från stratosfäriska aerosoler vid vulkanutbrott eller geoingenjörsaktiviteter. "

Separera stratosfäriska aerosoler

I den nya studien, forskarna hävdar att varje framtida aerosolövervakande orbitalinstrument bör ge mätningar inom en smal spektral kanal centrerad på 1,378 mikrometer. "Vid denna våglängd kan vattenånga i troposfären nästan helt absorbera solljuset som sprids av moln, markytor och troposfäriska aerosoler, "sa Mishchenko." Detta gör att vi kan utläsa egenskaperna hos stratosfäriska aerosoler separat från egenskaperna hos troposfäriska aerosoler. "

Forskarna använde simulerade mätningar för att bestämma det bästa sättet att mäta stratosfäriska aerosoler. De började med att använda en realistisk modell av stratosfäriska aerosoler för att beräkna den teoretiska ljusstyrkan och polarisationen av solljus som dessa aerosoler skulle reflektera ut i rymden. De lade sedan till mätfel som efterliknar de som finns i faktiska satellitdata. Med den resulterande informationen, de simulerade flera typer av realistiska mätningar för att avgöra vilken som ger tillräckligt med information för att bestämma mängden, storlek och sammansättning av stratosfäriska aerosoler.

"Vi fann att mätning av ljusets ljusstyrka ensam inte tillåter slutsatser av stratosfäriska aerosoler, "sa Dlugach." Vår analys tyder på att framtida aerosolövervakande rymduppdrag bör innehålla ett instrument som kan erhålla exakta polarisationsmätningar av en terrestrisk scen från flera vinklar vid 1,378 mikrometer våglängden. "

Den starka vattenånga-absorptionskanalen är nödvändig för att avbryta ljus från den nedre atmosfären och ytan medan exakta polarisationsmätningar från flera vinklar ger detaljerad information om stratosfäriska aerosoler.

Nästa, forskarna planerar att analysera mer utmanande observationsförhållanden som skulle ställa ytterligare krav på instrumentets design. De vill också avgöra om en kombination av polarimetriska och lidarobservationer från samma orbitalplattform skulle vara fördelaktig för vissa förhållanden.