Investigadores de la división de Ciencias Ambientales de Argonne participaron en una de las mayores campañas colaborativas de medición atmosférica en la Antártida en las últimas décadas.

El 13 de mayo 1887, el periódico Ciencias publicó una breve historia de la exploración antártica en la que esboza los logros científicos hasta el momento y expresa la esperanza de que pronto se emprendan nuevas exploraciones. El artículo hace evidente que, a finales del siglo XIX, Los científicos ya entendieron la importancia de la geografía de la región en la meteorología y la regulación de las corrientes oceánicas.

"... los fenómenos meteorológicos del hemisferio sur dependen de los de la región antártica, y nuestro conocimiento de la meteorología de la Tierra será incompleto hasta que se estudien a fondo tales fenómenos de la región del polo sur ".

Si bien la esperanza de una mayor exploración de la Antártida se ha hecho realidad, tal exploración ha venido a trompicones, debido en parte a la enorme inversión de tiempo y dinero necesarios para transportar, instalar y mantener delicada instrumentación y una pequeña cantidad de científicos. La razón principal quizás, es lo que la ingeniera de investigación atmosférica Maria Cadeddu llama delicadamente las "condiciones prohibitivas" de la región.

Es un lugar dificil.

En 2015, Cadeddu y sus colegas del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) participaron en una campaña colaborativa de medición atmosférica para comprender el impacto de los eventos regionales y a gran escala en el calentamiento antártico. El equipo estaba compuesto por varias instituciones académicas y laboratorios nacionales, incluyendo Argonne, Los Alamos y Brookhaven. La investigación se centró en las propiedades micro y macrofísicas de las nubes antárticas, como el tamaño medio de las gotas o la cantidad total de líquido o hielo contenido en una nube. El objetivo era determinar la cantidad de radiación que transmitirán las nubes en función de dichos parámetros.

Con base en la estación McMurdo y en la capa de hielo de la Antártida occidental (WAIS), la campaña fue parte del Experimento de Radiación de la Antártida Occidental (AWARE) de Medición de Radiación Atmosférica (ARM) del DOE, dirigido por el investigador principal Dan Lubin de la Institución de Oceanografía Scripps. El estudio de un año desplegó el mayor conjunto de instrumentación para mediciones atmosféricas antárticas terrestres desde 1957. y los detalles de ese estudio están surgiendo en varias revistas científicas, incluyendo Nature Communications y el Journal of Geophysical Research:Atmospheres.

"La idea era tratar de averiguar cómo la dinámica atmosférica, como masas de aire que vienen del mar, por ejemplo, puede afectar las propiedades de la nube y cómo los cambios en las propiedades de la nube afectan el balance energético de la región, "dijo Cadeddu, que trabaja en la división de Ciencias Ambientales de Argonne. "Y comprender cómo las nubes afectan un sistema puede ayudar con las proyecciones climáticas futuras".

La Antártida es una región importante para los modelos climáticos, ella notó, pero los modelos se basan en datos, cuanto más preciso, mejor. Hasta la fecha, Los modelos climáticos antárticos han sido menos precisos porque la ciencia carece de observaciones cuantitativas de la región; las observaciones que están disponibles provienen de satélites, que tienen problemas en latitudes muy altas y bajas. Pero dado el tiempo y la instrumentación proporcionados por AWARE, Los investigadores han comenzado a completar muchas piezas faltantes en el rompecabezas climático general de la Antártida.

En casa, donde las temperaturas son menos frías, Cadeddu es parte del equipo de investigación de radiación y nubes de Argonne que incluye a Virendra Ghate, un meteorólogo de radar, y Donna Holdridge, el mentor ARM para los sistemas de radio-sondeo. El equipo de investigación sobre la nube y la radiación contribuyó con su experiencia en equipos de teledetección, incluidos LiDAR (detección de luz y alcance) y dispositivos de radar, espectrómetros de onda corta y radiómetros de microondas para medir la radiación, y radiosondas (aparatos elevados con globos que miden las condiciones atmosféricas superiores).

Debido a que los sensores remotos transmiten datos sin procesar, los investigadores deben procesar e interpretar la información para obtener medidas directas o cantidades físicas. Por ejemplo, las señales enviadas desde LiDAR y dispositivos de radar regresan como señales dispersas que se correlacionan con mecanismos que alteran las nubes, como la radiación.

"Estos sensores utilizan el conocimiento de cómo se propaga la radiación a través de un medio, así como cómo las nubes y las gotas de lluvia interactúan con la radiación. Cuando examinamos estas señales, podemos estimar propiedades específicas de la nube, como el tamaño de las partículas o la cantidad de vapor, agua líquida o hielo que contengan, "explicó Cadeddu.

Las fases de las nubes son relevantes para la propiedad radiativa, o cuánta radiación transmiten las nubes, absorber o esparcir. Los investigadores de Argonne utilizaron esta información, en parte, comprender las diferencias entre las condiciones de las nubes en el Ártico y la Antártida y su efecto en el clima regional.

Entre las principales diferencias, La Antártida exhibe mucha menos contaminación antropogénica que el Ártico. Si bien esto ofrece condiciones más prístinas para estudiar las nubes, los niveles más bajos de contaminación también afectan la cantidad de agua líquida presente en las nubes a temperaturas muy bajas.

Los modelos convierten todo el líquido en hielo cuando las nubes alcanzan temperaturas cercanas a los -20 grados C. Pero el equipo descubrió que la capa líquida persiste en temperaturas tan bajas como -35 grados C en las nubes sobre McMurdo. Incluso pequeñas cantidades de líquido pueden tener un efecto de calentamiento en la superficie del Ártico, por lo que el equipo está tratando de determinar qué efectos relacionados con el clima podrían tener estas nubes saturadas de líquido en el sur.

La campaña AWARE fue noticia en 2016, cuando los científicos que realizaban mediciones a lo largo de la división de la capa de hielo de la Antártida occidental capturaron uno de los eventos de derretimiento de la superficie más grandes que se hayan registrado. Tradicionalmente, Los eventos de derretimiento de la superficie en la capa de hielo se atribuyen al agua cálida del océano debajo de las plataformas de hielo costeras. pero extensas observaciones mostraron factores externos en el trabajo, así como. Los científicos atribuyen parte del deshielo a un fuerte evento de El Niño combinado con condiciones regionales, algunos de los cuales se relacionaron con nubes portadoras de líquido.

"Las nubes ejercen una influencia importante en el equilibrio de la energía entrante y saliente en la superficie, y estas nubes ópticamente delgadas de bajo nivel pueden tener un papel determinante al provocar o prolongar las condiciones de fusión sobre las capas de hielo, "dijo Cadeddu.

Es posible que las características de las nubes no hayan formado parte de la consideración más amplia de los "fenómenos meteorológicos del hemisferio sur" cuando el Ciencias artículo apareció en 1887. Cualesquiera que sean los factores, el autor dejó en claro que la ciencia del siglo XIX buscaba una perspectiva más amplia, Una imagen más progresista que dejó espacio para el papel potencial de las nubes cuando escribieron lo siguiente:

"... No se puede sobrestimar la importancia de estos problemas en cuestiones prácticas. El marinero no puede prescindir del conocimiento de las corrientes, vientos y elementos magnéticos, y difícilmente hay una clase de personas que no se beneficie del progreso de la meteorología ".

Los trabajos de investigación utilizados para este artículo incluyen, "Nube antártica macrofísica, fase termodinámica, y propiedades de acoplamiento de inversión atmosférica en la estación McMurdo. Parte I:Tratamiento principal de datos y climatología. "y" Propiedades ópticas de la nube sobre la Antártida occidental a partir de mediciones del espectrorradiómetro de onda corta durante AWARE, " en el Journal of Geophysical Research:Atmósferas , 22 de mayo 2018, y el 3 de septiembre 2018, respectivamente; y "en enero de 2016, el extenso deshielo del verano en la Antártida occidental, favorecido por el fuerte El Niño, " en Comunicaciones de la naturaleza , 15 de Junio, 2017.