Fizyk buja w obłokach

Gdyby ktoś na początku moich studiów z fizyki powiedział mi, że będę mogła polecieć na środek Atlantyku, poddałabym to w wątpliwość. Gdyby ktoś inny nawet 2 lata później dodał jeszcze, że będę tam latać helikopterem i badać chmury, również by mu nie uwierzyła – choć pewnie krócej zastanawiałabym się nad wyborem specjalizacji z fizyki atmosfery. A jednak w lipcu 2017 r. przez 3 tygodnie uczestniczyłam w helikopterowej kampanii pomiarowej nad Azorami, a w połowie lipca odbył się mój pierwszy w życiu lot śmigłowcem.

Rysunek 1. Autorka artykułu przy helikopterze tuż przed lotem pomiarowym. Azory, 14 lipca 2017 r. Zdjęcie: S. Malinowski.

Polowanie na stratocumulusy

„Wyjazd z uczelni na 3 tygodnie w środku lata, na środek oceanu? Na pewno nie zostało to wybrane przypadkowo” – zdają się nieraz mówić miny osób niezwiązanych z badaniami atmosfery, którym mówię o kampanii (czasem nawet swoje wątpliwości wyrażają głośno). Mają rację: zarówno miejsce, jak i czas na wyjazd były dokładnie przemyślane i przeanalizowane wcześniej.

Rysunek 2. Położenie Archipelagu Azorów na kuli ziemskiej. Źródło: Google Earth.

Po pierwsze, Azory mają kilka atutów lokalizacyjnych. W tym rejonie świata stosunkowo często występuje rodzaj chmur, który szczególnie nas interesował, czyli chmury kłębiasto-warstwowe Stratocumulus.

Rysunek 3. Stratocumulusy podczas kampanii pomiarowej. Zdjęcie S. Malinowski

Ponadto wyspy są na tyle oddalone od wszelkich źródeł zanieczyszczeń (to znaczy od Europy i Ameryki Północnej), że można uznać, że powietrze do 2-3 km nad powierzchnią oceanu (czyli tam, gdzie tworzą się chmury) jest czyste. Co więcej, na Azorach, na wyspie Graciosa od 2013 r. usytuowana jest stacja badawcza Atmospheric Radiation Measurement (ARM) Climate Reasearch Facility, założona przez Departament Energii Stanów Zjednoczonych. Dedykowana jest m.in. właśnie badaniom chmur i wyposażona jest w liczne przyrządy pomiarowe – od radarów przez lidary aż po deszczomierze (więcej o wyposażeniu możecie przeczytać na stronie obserwatorium).

Rysunek 4. Panorama amerykańskiej stacji ARM ENA. Każdy może wybrać się tam na wirtualną wycieczkę. Źródło: arm.gov.

Rysunek 5. a) Średnia roczna pokrycia nieba chmurami stratocumulus (Sc). b) Średnia roczna udziału stratocumulusów w zachmurzeniu chmurami piętra niskiego. Źródło: Wood, R., 2012. Azory są jednym z miejsc z największym zachmurzeniem związanym ze stratocumulusami na świecie.

Jeżeli zaś chodzi o datę, to wybór był prosty z dwóch względów. Chodziło o to, aby na podstawie dotychczasowych obserwacji wybrać okres, w którym najprawdopodobniej stratocumulusy będą pojawiały się najczęściej. Dodatkowo w tym czasie odbywał się również prowadzony przez Amerykanów eksperyment samolotowy ACE-ENA (The Aerosol and Cloud Experiments in the Eastern North Atlantic). Chyba nie muszę mówić, że im więcej niezależnych źródeł danych, tym lepiej? Aby wykorzystać w pełni potencjał dwóch równolegle prowadzonych kampanii pomiarowych, miejsce i czas pomiarów musiały być zbliżone.

Osiemnaście dwugodzinnych lotów helikopterem. Trzynaście z nich z pomiarami w stratocumulusach. Mnóstwo pracy, czasu i pieniędzy włożonych w przygotowanie kampanii, przeprowadzenie jej i analizę wyników (w to ostatnie nadal wkładanych). Po co? Dlaczego ten temat jest taki ważny?

Jeśli nie wiadomo, o co chodzi, to chodzi o… klimat

Chmury stratocumulus pokrywają średnio ok. 20% powierzchni kuli ziemskiej, głównie nad oceanami. To więcej niż jakikolwiek inny rodzaj chmur. Kiedy patrzymy na zdjęcie jak na rys. 6, bez żadnego problemu identyfikujemy obszary zachmurzone. Dzieje się tak dlatego, gdyż są one białe, w odróżnieniu od ciemniejszego otoczenia. Biały kolor oznacza, że chmury odbijają dużą część światła, natomiast ciemny, że woda czy rośliny więcej go pochłaniają. Z tego powodu chmury są ważne dla bilansu energetycznego Ziemi.

Rysunek 6. Stratocumulus nad oceanem u zachodniego wybrzeża Stanów Zjednoczonych. Jego obecność drastycznie zwiększa ilość odbijanego promieniowania słonecznego, a przez to wpływa na bilans energetyczny planety. Źródło: NASA.

Co więcej, mają stosunkowo „prosty” kształt: są to niezbyt grube (do 200-300 m) warstwy rozciągające się dość nisko, do kilku kilometrów nad powierzchnią Ziemi, lecz na dużych obszarach. Gołym okiem można łatwo je odróżnić od chmur warstwowych (stratus), gdyż składają się na nie „baranki”. Te z kolei często formują się w charakterystyczne komórki. Szczególne własności mają wierzchołki stratocumulusów: wyglądają jak kalafiory (rys. 7). Mimo tego, że są one najintensywniej badanymi chmurami, nadal słabo rozumiemy procesy, które w nich zachodzą. Z tego powodu, to chmury niskiego piętra nadal pozostają głównym źródłem niepewności w modelach klimatu (rys. 8, Myhre i in., 2013). Czytelnicy Nauki o Klimacie mają świadomość, że chcemy mieć najlepsze modele klimatu, na jakie nas stać.

Rysunek 7. Kalafioropodobne stratocumulusy nad Archipelagiem Azorskim. W tle Mount Pico, najwyższy szczyt Portugalii. Zdjęcie wykonane z helikoptera: D. Czyżewska.

Rysunek 8. Poziom pewności różnych mechanizmów powodujących wymuszenie radiacyjne w czterech ostatnich raportach IPCC. Grubość słupków reprezentuje względny minimalny wkład do obecnego całkowitego wymuszenia radiacyjnego. Ciemnozielony odpowiada ,,wysokiej zgodności i zdecydowanym dowodom”, jasnozielony ,,wysokiej zgodności i umiarkowanym dowodom” lub ,,średniej zgodności i zdecydowanym dowodom”, żółty to ,,wysoka zgodność i ograniczone dowody” lub ,,średnia zgodność i umiarkowane dowody”, lub ,,niska zgodność i zdecydowane dowody”, pomarańczowy ,,średnia zgodność i ograniczone dowody” lub ,,niska zgodność i umiarkowane dowody” i w końcu czerwony to ,,niska zgodność i ograniczone dowody''. „Dowody” ocenia się na podstawie ich typu, liczby, jakości i spójności (np. zrozumienia mechanizmu, teoria, dane, modele, oceny ekspertów. „Zgodność” oznacza poziom jednomyślności w literaturze na temat konkretnego zagadnienia. Elementy związane z chmurami jako jedne z nielicznych, mimo rozwijania wiedzy na ich temat, nadal pozostają na niskim lub bardzo niskim poziomie pewności.

Narzędzia detektywistyczne

Często wspominam tutaj, że „my chcieliśmy”, „my zrobiliśmy”. Przez „my” rozumiem w pierwszej kolejności pięcioosobowy zespół z Instytutu Geofizyki Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego: prof. Szymona Malinowskiego, ponadto doktora i specjalistę technicznego w jednej osobie dr inż. Wojciecha Kumalę, dwoje doktorantów: Katarzynę Karpińska i Jakuba Nowaka i mnie, wtedy studentkę tuż przed obroną pracy licencjackiej. Jednak „my” nie dalibyśmy rady zorganizować sami tak szeroko zakrojonej kampanii pomiarowej, jaką była ACORES (Azores stratoCumulus measurements Of Radiation, turbulEnce and aeroSols). Głównym organizatorem był zespół z Instytutu Badań Troposfery TROPOS w Lipsku w Niemczech oraz z tamtejszego uniwersytetu. Współpracowaliśmy też z naukowcami z Uniwersytetu w Moguncji w Niemczech. Podstawowym tematem badań był obok chmur także aerozol (czyli małe cząstki zanieczyszczeń zawieszone w powietrzu). Nie zawsze przecież na niebie pojawiały się chmury.

Rysunek 9. Zespół ACORES.

Jeżeli jednak już występowały, nie marnowaliśmy okazji. Nasza grupa z UW zajmowała się ultraszybkim termometrem UFT-2. Określenie „ultraszybki” nie jest nadane na wyrost; on jest naprawdę szybki: termometr mierzył temperaturę ok. 2000 razy na sekundę, co znaczy, że przy prędkości helikoptera 20 m/s mierzyliśmy temperaturę co 1 cm! To nawet 5 razy gęściej niż poprzednie tego typu badania w chmurach. Aby lepiej zrozumieć, dlaczego to takie ważne, aby mieć dane co kilka, a nie kilkadziesiąt cm, polecam obejrzenie eksperymentu w komorze chmurowej w Instytucie Geofizyki Wydziału Fizyki UW. Pokazy odbywają się zawsze podczas Festiwalu Nauki w Warszawie pod koniec września. W skrócie, chodzi o zjawiska, które zachodzą właśnie na takich niewielkich odległościach.

Rysunek 10. Komora chmurowa w Instytucie Geofizyki Wydziału Fizyki UW. Pomiary co kilka centymetrów są niezbędne, aby zrozumieć procesy w powstałych strukturach. Zdjęcie: K. Nurowska.

Termometr UFT-2 nie powstał za pstryknięciem palców. Konstrukcja jest ulepszana na UW od ponad 20 lat. Prototyp skonstruował przed laty prof. Krzysztof Haman. Obecna wersja jest modyfikacją UFT-M. Różni się od poprzedniej tym, że nie ma już żadnych elementów ruchomych. Wcześniej, na samolocie, pojawiały się ogromne problemy z certyfikacją tego typu części. „Sercem” termometru jest wyjątkowo cienki wolframowy drucik (o grubości 2,5 μm, czyli ok. 30 razy cieńszy od średniej grubości ludzkiego włosa). Jest on bardzo wrażliwy na uszkodzenia, więc potrzeba 100 razy grubszego drucika, aby osłaniał sensor przed ziarnami piasku czy kryształkami lodu. Mimo że uważaliśmy, raz, zapewne w trakcie lądowania, drucik pękł. Musieliśmy go wymienić w warunkach polowych, co było wyzwaniem, ale się udało. Z drugiej strony, tak niewielka grubość sensorów pozwala na wysoką czułość i szybkość reakcji na zmiany temperatury otoczenia. Pomaga w tym również specjalnie zaprojektowany wzmacniacz. Co roku również na Festiwalu Nauki, a także podczas Dni Otwartych Kampusu Ochota (w kwietniu) można osobiście przekonać się o czułości termometru. Wystarczy zbliżyć ciepłą rękę pod przyrząd, procesy konwekcyjne przetransportują ciepło, a na żywo na ekranie komputera obok będzie można zobaczyć wzrost temperatury.

Rysunek 11. Czujniki termometru UFT-2. Druciki odpowiedzialne za pomiar są umieszczone pomiędzy trójzębnymi podporami. Są tak cienkie, że trudno je dostrzec.

Mamy helikopter, mamy termometr. Pozostaje pytanie, jak termometr (a także inne instrumenty pomiarowe) zainstalować na helikopterze. Potrzebowaliśmy specjalnej platformy pomiarowej. Na szczęście, nasi koledzy z Niemiec mieli już rozwiązanie tego problemu: ACTOS (rys. 12).

Rysunek 12. Platforma pomiarowa ACTOS. Znajduje się na niej mnóstwo przyrządów pomiarowych, wśród nich ultraszybki termometr UFT-2 z UW. Zdjęcie: D. Czyżewska.

ACTOS to skrót od Airborne Cloud Turbulence Observation System. Można na nim zainstalować naprawdę dużo różnych przyrządów. Następnie ACTOS-a zaczepia się na mocnej i długiej na ok. 150 m linie pod śmigłowcem – dzięki temu zmniejsza się prawdopodobieństwo, że pomiary będą zakłócone ruchami śmigieł. Chyba jeszcze nie wspomniałam o tym, dlaczego akurat helikopter. Otóż, ma on tę zaletę, że może lecieć stabilnie o wiele wolniej od samolotu, nawet niedużego. Im wolniej leci platforma, tym odległości pomiędzy kolejnymi pomiarami są mniejsze.

Pomiary czas zacząć

Mamy helikopter, załogę i sprzęt; możemy lecieć!

14 lipca 2017 r. był niewyróżniającym się dniem na wyspie Graciosa w Archipelagu Azorskim. Rano pojawiła się mżawka. Po jej przejściu niebo nadal było całkowicie zachmurzone. Według prognoz pogody chmury miały jednak w niedługim czasie ustąpić. Dla mnie wszystko się zmieniło, kiedy Holger, a właściwie dr Holger Siebert, szef kampanii pomiarowej ACORES, zaproponował, abym to ja tego dnia poleciała helikopterem. Byłam podekscytowana. Lot był zaplanowany na 11:00 (UTC; na Azorach czas lokalny jest czasem uniwersalnym), więc wszystko musiało być gotowe o 10:30. I było, z wyjątkiem zachmurzenia. Podstawa chmur była zbyt nisko, aby wystartować śmigłowcem.

Ciekawa rzecz z tym badaniem chmur. Z jednej strony, aby wykonywać w nich jakiekolwiek pomiary, obłoki muszą się po prostu pojawić. Z drugiej, nie może ich być za dużo, czy też muszą być odpowiednio wysoko. Mam tutaj na myśli możliwość lotu helikopterem. Dlaczego? Chyba żaden kierowca nie przepada za jazdą w naprawdę gęstej mgle. Widoczność jest słaba. Nie wiadomo, co znajduje się przed nim. Tak samo jest w chmurze. Dodatkowo, helikopter ma jeszcze możliwości obrotów, przez co łatwo byłoby pilotom stracić orientację.

Tak więc lot musiał zostać przełożony. Godzinę zero ustalono na 13:30. Wtedy według prognoz naszych „pokładowych” synoptyków miało się przejaśnić. I faktycznie, z godziny na godzinę sytuacja się poprawiała. Na kilkanaście minut przed odlotem byłam już gotowa. Zabrałam notes i długopis, telefon i aparat. Założyłam kamizelkę ratunkową i słuchawki. Ostatecznie od ziemi oderwaliśmy się o 13:39.

Przez „my” rozumiem tutaj mnie, dwóch pilotów: Alwina i Jürgena oraz dr Birgit Wehner. Każdy lot był wstępnie planowany, ale w powietrzu sytuacja jest dynamiczna. Wtedy bardziej doświadczona osoba z załogi, czyli w moim przypadku Birgit, mówiła pilotom, czy lecieć za tamtą chmurą, czy jednak zostać przy obecnej, również na podstawie danych na żywo z platformy pomiarowej poniżej. Druga osoba miała robić dokładne notatki i zdjęcia oraz się uczyć, a po wylądowaniu zreferować pozostałym cały lot.

Rysunek 13. Robienie zdjęć bez odbicia w szybie helikoptera nie było takie łatwe. Zdjęcie: D. Czyżewska.

Na początek nauczyłam się, że w śmigłowcu jest naprawdę głośno. Cieszyłam się, że miałam specjalne wygłuszające słuchawki. Po starcie i procedurze zaczepienia ACTOS-a, wznieśliśmy się na wysokość 7000 stóp (w lotnictwie często takimi jednostkami określa się wysokość n.p.m.), czyli ponad 2 km. Zrobiliśmy pionowy profil parametrów atmosfery i jednocześnie oddaliliśmy się od wyspy. Natomiast nieco poniżej 1200 m pojawił się nasz upragniony stratocumulus. Wykonaliśmy trzy „morświnowania” (ang. porpoising), polegające na lotach w górę ponad chmurę i w dół pod nią. Dzięki temu wiedzieliśmy, że wierzchołek chmury był bardzo wyraźnie zaznaczony nie tylko „na oko”, ale też w zebranych danych. Mieliśmy jeszcze zapas paliwa, więc zdecydowaliśmy się na cztery poziome loty: jeden tuż nad chmurą (tj. to ACTOS miał lecieć ponad nią, nie helikopter), dwa wewnątrz niej i jeden poniżej. Kojarzycie tę sytuację, kiedy stoicie przed półką sklepową, na której leży książka Waszego ulubionego autora/przepyszne słodycze/piękne buty (niepotrzebne skreślić)? Są na wyciągnięcie ręki, ale przecież obiecywaliście sobie, że w tym miesiącu już dość podobnych zakupów… Tak kuszeni byliśmy przez rozwijającego się cumulusa w oddali. Mieliśmy przecież mierzyć stratocumulusa! Wytrzymaliśmy przy swoim postanowieniu. Prawie 2 godziny lotu minęły w okamgnieniu. Musieliśmy już lądować. Tym razem obyło się bez dodatkowych komplikacji.

Rysunek 14. Po spisaniu wszystkich niezbędnych notatek w helikopterze znalazła się chwila, aby podziwiać wyspę. Fot. D. Czyżewska.

Pomiary to tylko mała część badań…

Tutaj opisałam tylko jeden lot z całej kampanii. Mimo to, i tak pojawiły się niuanse, które wymagały wcześniejszego przemyślenia. O wiele wcześniejszego. Przykładowo, cały sprzęt popłynął promem w kontenerze już w marcu. To znaczy, że do lutego, na 4 miesiące przed pomiarami, musieliśmy dokładnie wiedzieć, czego będziemy potrzebować. Ponieważ chcieliśmy poruszać się na płycie lotniska, musieliśmy najpierw przejść odpowiednie szkolenie i zdobyć certyfikaty – do końca kwietnia. Już nie mówię nawet o tym, ile przygotowań wymagało w ogóle wprowadzenie samego pomysłu o pomiarach w czyn.

Samo ustalenie godziny lotów również nie było łatwe. Oprócz oczywistej kwestii, która nas ograniczała, czyli pogody, było jeszcze kilka czynników wpływających na decyzje, np.:

  • • lotnisko było otwarte tylko od 8 do 17; • nie mogliśmy latać, kiedy w powietrzu równocześnie był inny samolot, a więc zarówno pasażerski, jak i amerykański G-1 z innego eksperymentu; 
  • piloci po lataniu 5 dni z rzędu po 2 h lotu, musieli mieć przerwę 48 h; 
  • przy każdym locie na lotnisku musieli być obecni strażacy. Jednak ci około 12-13 udawali się na lunch, który trwał co najmniej 1,5 h, a zwykle 2 h…

Po tak niełatwych bojach, udało się nam uzyskać unikalne dane. Na rys. 15 są pokazane przykładowe wyniki pomiarów.

Rysunek 15. Dane z lotu z 21 lipca. a) Wykres wysokości ACTOS-a nad poziomem morza w ciągu całego lotu. Można wyróżnić kilka faz lotu: start, wznoszenie się, lot „rozpoznawczy”, czyli określający, jakie ogólnie warunki panowały tego dnia w chmurach, morświnowanie przy wierzchołku chmury, 3 loty poziome na różnych wysokościach i lądowanie. Cały lot trwał około 2 godzin. b) Wielkości fizyczne mierzone w tym samym czasie co na (a). Czerwoną i żółtą linią oznaczono temperaturę z naszych termometrów UFT-2 (odpowiednio górnego i dolnego), fioletową temperaturę ze znacznie wolniejszego termometru odniesienia PT100. Niebieskie „szpilki” określają ilość wody ciekłej (LWC, ang. liquid water content). Prezentowane wartości są typowe dla stratocumulusa. c) Powiększony fragment z (b). Można zauważyć duże spadki temperatury o 1-1,5 ⁰C przy wlocie w chmurę. d) Powiększony fragment z (c). Podziałka na osi czasu wynosi 0,02 s, czyli przy typowej prędkości helikoptera 20 m/s jest to odpowiednik 40 cm. W zaznaczonym prostokącie temperatura spada o ponad 0,5 ⁰C właśnie na takim dystansie. Co więcej, spadek temperatury występuje wcześniej niż pojawienie się kropel chmurowych. Pomiary z taką rozdzielczością nie były wcześniej możliwe.

To tylko jeden wykres, a przecież już tutaj można by przeprowadzić studium przypadku. Teraz wyobraźcie sobie analizowanie kilkunastu takich lotów z gigabajtami danych. To musi zajmować czas. Opracowywanie rezultatów zajmie pewnie jeszcze 2-3 lata. Dodatkowo, po kampanii okazało się, że czujnik prędkości wiatru na platformie był niestety niesprawny, co dla naszych pomiarów temperatury jest znaczną komplikacją. Mimo to, nie poddajemy się. Wiemy już, co możemy ulepszyć podczas kolejnych kampanii (najbliższa planowana jest w 2020 r. nad Barbados). Natomiast w przyszłym roku mamy nadzieję na pierwszą (zapewne z wielu) publikację naukową z kampanii ACORES. Liczymy na to, że chmury zdradzą nam kilka swoich kolejnych sekretów.

Dominika Czyżewska, konsultacja merytoryczna prof. Szymon Malinowski

Opublikowano: 2018-12-27 14:21
Korzystanie z witryny bez zmiany ustawień przeglądarki oznacza akceptację polityki cookies.