Un equipo de científicos atmosféricos de todo el país está llegando al Houston, Texas, área durante los próximos 14 meses para buscar respuestas a una pregunta irritante:hacer pequeñas motas de hollín, polvo, fumar, y otras partículas suspendidas en la atmósfera de la Tierra ayudan a determinar la severidad de las tormentas eléctricas? El conocimiento adquirido puede hacer que los pronósticos meteorológicos sean más precisos y proporcionar datos cruciales para mejorar las predicciones sobre cómo los aerosoles pueden afectar el clima futuro de la Tierra.

El despliegue de Houston también proporcionará datos detallados sobre la calidad del aire local. Como estudio de campo extenso en un área metropolitana, dará a los científicos una oportunidad única de explorar los efectos de la industria, emisiones de vehiculos, y el entorno construido sobre el tiempo y el clima.

"Queremos saber cómo los aerosoles, las diminutas partículas sobre las que se condensa el agua para formar gotas de nubes, influyen en la física de las nubes convectivas profundas, del tipo que a menudo contienen relámpagos y lluvias torrenciales, y luego cómo esas mismas condiciones climáticas afectan las características de los aerosoles locales y la calidad del aire urbano, "dijo Michael Jensen, meteorólogo en el Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) e investigador principal de la campaña de campo TRACER. TRACER es la abreviatura de TRacking Aerosol Convection Interacciones ExpeRiment, un estudio que está llevando a cabo la instalación de usuario de Medición de Radiación Atmosférica (ARM) del DOE.

Trabajando en estrecha colaboración con investigadores de la Universidad de Houston, Científicos de TRACER de Brookhaven, Laboratorio Nacional de Los Alamos, y otras instituciones recopilarán datos sobre aerosoles y características atmosféricas durante un año completo. El equipo desplegará un conjunto de instrumentos suministrados y operados por ARM en cuatro ubicaciones a las afueras de la ciudad. Durante un período de estudio intensivo de junio a septiembre de 2022, socios adicionales de la National Science Foundation, NASA, la Comisión de Calidad Ambiental de Texas, y otras agencias se unirán al equipo para atrapar el pico de la temporada de tormentas de verano de Houston.

Con un clima subtropical húmedo, numerosas tormentas convectivas aisladas, y una gama de fuentes de aerosoles industriales y naturales, Houston es el lugar perfecto para el estudio.

"Somos un entorno costero, por lo que es particularmente difícil pronosticar el clima, "dijo James Flynn, profesor asociado de investigación en el Departamento de Ciencias de la Tierra y Atmosféricas de la Universidad de Houston en la Facultad de Ciencias Naturales y Matemáticas. "Tenemos muchas tormentas eléctricas, tenemos contaminación y algunas fuentes naturales de partículas finas".

Los ejemplos incluyen polvo, sal marina, partículas emitidas por motores diesel, hollín de los procesos de combustión en centrales eléctricas y refinerías, mucho tráfico urbano, e incluso humo de incendios forestales en California y Colorado.

Algunas investigaciones sugieren que tales aerosoles pueden cambiar el ciclo de vida de las nubes, retrasando el inicio de la precipitación. Si eso pasa, a medida que crecen las nubes, las gotas de agua pueden agrandarse. "Y cuando caen, es una arandela de barranco, "Dijo Flynn.

Los datos de TRACER mejorarán la comprensión de estos procesos y nuestra capacidad para predecir cuándo ocurrirán los diluvios.

Implementación ARM

Los instrumentos ARM, alojado en 10 contenedores de envío móviles, se conocen colectivamente como "la primera instalación móvil ARM, "o AMF1. Muchos de estos instrumentos, incluyendo un sistema de observación de aerosoles equipado en Brookhaven Lab, han viajado a lugares de todo el mundo desde el Ártico hasta los trópicos para recopilar datos atmosféricos.

"Este es el primer despliegue de ARM Mobile Facility en un entorno costero urbano, "dijo Sally McFarlane, Gerente de programa DOE para ARM. "La calidez, El aire húmedo del Golfo de México ayuda a impulsar la formación de una gran cantidad de tormentas moderadamente fuertes, las que probablemente estén listas para ser impactadas por aerosoles. Esas condiciones costeras y la combinación de fuentes de aerosoles industriales y naturales de Houston hacen del área un laboratorio ideal para estudiar las interacciones aerosol-nube ".

Un equipo de ARM configurará los contenedores, cada uno de los cuales alberga racks de instrumentos y conductos de ventilación, cerca de la bahía de Galveston, un área con mucha industria, refinerías, y transporte. Varios de los contenedores también albergan radares sofisticados (que usan ondas de radio) y lidars (que usan pulsos de luz láser) para medir la altura. profundidad, y cantidad de agua en las nubes, entre otras variables importantes. Instrumentos meteorológicos adicionales operarán en un campo de instrumentos adyacente. En conjunto, estas herramientas realizarán un seguimiento de las propiedades de la nube; el tamaño, número, y composición química de aerosoles; precipitación; y variables como temperatura y humedad que afectan la estabilidad atmosférica.

Muestreo en toda la atmósfera

A lo largo del año, El equipo de ARM también lanzará más de mil globos meteorológicos con sensores adicionales alimentados por baterías, llamadas radiosondas, en alto. Los globos viajarán a través y por encima de las nubes, a una altitud de hasta 17 kilómetros (casi 56, 000 pies), que a menudo llega a la estratosfera, enviando datos adicionales sobre la temperatura, humedad, presión, y regresa a la estación de investigación de abajo.

Algunos instrumentos transportados por globos también medirán la concentración de ozono a través de la profundidad de la atmósfera.

"Usaremos estas mediciones de ozono para aprender sobre la calidad del aire y cómo las tormentas eléctricas redistribuyen el aire entre la superficie y en el aire, ", Dijo Flynn. El ozono superficial se genera cuando los productos químicos emitidos como parte de los gases de escape de los automóviles y los procesos industriales reaccionan con la luz solar. Entonces, cuando las tormentas transportan aire desde la superficie hacia arriba a través de la atmósfera, el contaminante puede servir como trazador para TRACER.

Tierra, mar, interacciones atmosféricas

Durante el período de estudio intensivo del próximo verano, Los científicos de TRACER y agencias asociadas también desplegarán equipos adicionales cerca de la ciudad de Guy, Texas, al suroeste de la ciudad. Dos sistemas de globos atados, uno en el sitio en Guy y uno en Smith Point en el lado este de la Bahía de Galveston, Llevará instrumentos para medir los vientos, pequeñas partículas de aerosol, y ozono en las capas más bajas de la atmósfera. Las mediciones en la costa de la Bahía de Galveston proporcionarán información importante sobre cómo la bahía influye en la circulación atmosférica local.

Mientras tanto, los instrumentos de Guy recopilarán datos en una ubicación más rural.

"Esperamos ver concentraciones de aerosoles más bajas, por lo que este sitio servirá como contraste con el sitio AMF1 y permitirá la comparación de las características de las nubes y las precipitaciones en estas condiciones tan diferentes, "Dijo McFarlane.

Entre los dos sitios terrestres principales, un radar de precipitación ARM de exploración en Pearland rastreará las propiedades de las nubes.

"Este radar recopilará datos sobre las propiedades de la nube, incluida la velocidad de las corrientes ascendentes verticales que afectan la rapidez con que crecen las nubes, para ratones, y producirá lluvia y relámpagos. Funcionará durante todo el período de estudio, "Dijo Jensen.

Luego, durante el período de estudio intensivo, utilizando técnicas de observación únicas, el radar podrá observar detalles más finos en las nubes, incluido el tamaño y la forma de las gotas de las nubes y si son hielo o líquido. "Podrá observar la atmósfera de cada sitio a medida que experimentan diferentes condiciones de aerosol, "Dijo Jensen.

El radar será impulsado por un software desarrollado por el científico de Brookhaven Pavlos Kollias y programado utilizando inteligencia artificial (IA) y conjuntos de datos existentes. "Este software permite que el radar seleccione las tormentas que creemos que se van a desarrollar y se mueven sobre los sitios, y luego acerque y escanee en alta resolución para explorar los detalles de cómo los aerosoles están impactando las gotas de precipitación allí, "Dijo Jensen.

Compartir y aplicar datos

Todos los datos recopilados por ARM estarán disponibles gratuitamente para cualquier persona que quiera analizarlos.

"Esperamos que las cosas que aprendamos aquí, los procesos dentro de la actividad convectiva, cómo la contaminación impacta en las tormentas, será aplicable en otras áreas urbanas importantes que tienen mucha convección, ", Dijo Flynn." Con muchos proyectos, realmente estás entrando en una ciencia fundamental real. La gente a veces no está segura de por qué es importante. Este es uno de esos proyectos que es muy aplicable a la vida cotidiana aquí en Houston ".

La investigación también será aplicable más allá del área de Houston. El programa de Investigación del Sistema Atmosférico (ASR) del DOE ya se ha comprometido a financiar 10 proyectos TRACER dirigidos por investigadores universitarios.

"Los objetivos científicos de TRACER están alineados con el enfoque de ASR en la nube, aerosol, precipitación, y procesos de radiación, "dijo Jeff Stehr, un gerente de programa del DOE para ASR. "Las nubes convectivas ocurren en todo el mundo, pero aún quedan muchas preguntas sobre cómo se ven afectados por su entorno. TRACER mejorará nuestra comprensión de cómo se forman estas nubes, crecer, y decadencia en y alrededor de un entorno urbano costero. El conjunto inicial de proyectos financiados por ASR involucra a equipos de investigación de todo el país, y agregará medidas y modelos a la campaña TRACER ".

Los datos recopilados por TRACER también serán útiles para comprender los procesos relevantes sobre cómo se forman los huracanes y cuánto duran.

Y aunque el tiempo y el clima operan en diferentes escalas de tiempo, ambos tratan sobre "la física de la atmósfera de la Tierra, ", Dijo Jensen." Comprender las tormentas es importante para comprender el clima porque las tormentas redistribuyen el calor y la humedad a través de la atmósfera. Y esa redistribución se ve afectada por procesos a pequeña escala en la atmósfera, incluidas las interacciones con aerosoles. Eso es con lo que luchamos en los modelos climáticos y meteorológicos ".

"TRACER completará algunos de los datos que faltan para ayudarnos a mejorar esos modelos".