Jak się to robi: pomiary atmosferyczne z pokładu samolotu

Pomiary lotnicze to jedna ze standardowych metod badania atmosfery. Jak się je prowadzi? O tym napisał dla nas profesor Szymon Malinowski, na przykładzie szkoleniowej kampanii pomiarowej zorganizowanej przez EUFAR – europejską sieć pomiarów lotniczych.

Naukowcy badający zachodzące w atmosferze zjawiska korzystają ze wszystkich możliwych metod pozwalających na zmierzenie bądź obserwowanie zachodzących w powietrzu procesów: począwszy od pomiarów na powierzchni ziemi, przez balony meteorologiczne, po pomiary zdalne i aktywne obserwacje satelitarne. Korzystają także z możliwości, jakie daje współczesna technika lotnicza i prowadzą specjalistyczne pomiary, wykorzystując do tego różnego rodzaju samoloty: od malutkich dronów, przez motoszybowce i motolotnie, lekkie samoloty i śmigłowce (patrz też Fizyk buja w obłokach, po specjalnie przystosowane do badań samoloty transportowe lub komunikacyjne, a nawet dawne samoloty szpiegowskie, które dziś używane są do unikalnych badań w stratosferze (więcej tu czy tu). Do badań wykorzystuje się też dane dostarczane przez liniowe samoloty pasażerskie z przyrządów nawigacyjnych (AMDAR), a niektóre z nich wyposaża nawet w specjalne zestawy aparatury badawczej (np. IAGOS).

Badania atmosfery z użyciem samolotów są bardzo drogie. Aby jak najlepiej wykorzystać istniejącą infrastrukturę, instytucje dysponujące samolotami badawczymi organizują zrzeszenia umożliwiające korzystanie z urządzeń także naukowcom z instytucji, które własnych samolotów nie mają. W Europie takim zrzeszeniem jest EUFAR – European Facility For Airbone Research. Oprócz udostępniania infrastruktury, EUFAR zajmuje się organizacją wspólnych kampanii pomiarowych, a nawet treningiem młodych naukowców w prowadzeniu badań z pokładu samolotu.

Szkoła pomiarów lotniczych EASI

Przykładem takiego treningu jest właśnie zakończona szkoła EASI, w ramach której, wraz z kilkoma doświadczonymi w badaniach lotniczych kolegami, szkoliliśmy grupę 20 naukowców – doktorantów i postdoków europejskich instytucji badawczych. Ponieważ, jak wspomniałem, badania lotnicze są niezwykle drogie (godzina kotu może kosztować nawet kilkadziesiąt tysięcy euro) naszym celem było nie tylko szkolenie, ale także zebranie użytecznych naukowo danych pomiarowych. Badania prowadziliśmy w Irlandii, latając z lotniska Shannon nad Atlantykiem, po nawietrznej stronie znanej stacji pomiarowej Mace Head. Stacja ta prowadzi systematyczne pomiary fizyczne i chemiczne aerozolu atmosferycznego napływającego znad Atlantyku oraz stowarzyszone z nimi zdalne (radarowe i lidarowe) badania mikrofizycznych i optycznych własności chmur. Naszym celem było przeprowadzenie pomiarów własności aerozolu i chmur na różnych wysokościach w atmosferze, aby zweryfikować rozwijane w Mace Head techniki analizy danych radarowych i lidarowych, a także żeby zobaczyć pionowy rozkład aerozoli, które w Mace Head mierzone są przy powierzchni oceanu.

Czym lataliśmy?

Laboratorium pomiarowym był specjalnie przystosowany do badań samolot turbośmigłowy ATR-42 którego operatorem jest zrzeszona z EUFAR francuska organizacja SAFIRE. Szefem kampanii i jednym z trenerów był Francesco Cairo z Włoch (CNR i uniwersytet La Sapienza w Rzymie), trenerami Ian Faloona z University of California Davis (USA), Bruno Piguet z Meteo-France i autor niniejszego tekstu. Uczestnicy to wyselekcjonowana w wyniku otwartego konkursu grupa badaczy z instytucji europejskich reprezentujących 7 krajów (Bułgaria, Norwegia, Niemcy, Polska, Szwajcaria, Włochy, Litwa) wielu narodowości (spoza Europy mieliśmy Indonezyjczyka, Brazylijkę, Pakistankę i Peruwiankę). Do dyspozycji mieliśmy 10 godzin lotu do wykorzystania w ciągu 6 dni i 7 miejsc na pokładzie samolotu badawczego (3 miejsca z 10 w kabinie pasażerskiej zajmowali specjaliści z SAFIRE).

Samolot był wyposażony w przyrządy do pomiarów standardowych (wszystkie parametry lotu, pomiary ciśnienia, temperatury, wilgotności, 3 składowe ruchu powietrza, wiele z nich duplikowanych lub nawet potrojonych, przyrządy działające na rożnych zasadach fizycznych), oraz bardzo wyspecjalizowaną aparaturę do pomiaru rozkładu wielkości cząstek aerozolu, kropel chmurowych, wodności (czyli zawartości wody w stanie ciekłym w jednostce objętości powietrza chmurowego), promienia efektywnego, metanu, ozonu, CO₂, związków organicznych tzw. DMS uwalnianych przez fitoplankton obecny w morzu, fotometry do pomiarów strumieni promieniowania słonecznego i podczerwonego docierającego sponad i spod samolotu oraz lidar aerozolowy, który może „patrzeć” w górę lub w dół.

Jak planowaliśmy loty?

Jeszcze przed kursem zaplanowaliśmy 4 loty po 2,5 godziny, ustalając priorytety badawcze podczas każdego lotu (kontrasty ląd-ocean na różnych wysokościach, lot nastawiony na badanie chmur warstwy granicznej oraz 2 loty nastawione na badanie struktury pionowej aerozolu przy różnym trybie pomiarów. Do każdego z zadań każdego z lotów zaplanowaliśmy, co do minuty i uwzględniając wymagania kontroli lotów (które, na szczęście, w tym przypadku były mało ograniczające), przykładowe trajektorie pomiarów, pozwalające na zebranie pożądanych danych. To wszystko zostało udostępnione, jeszcze przed kampanią, uczestnikom kursu.

Zadaniem uczestników było podzielenie się, według własnych preferencji, na cztery pięcioosobowe zespoły, każdy pod przewodnictwem trenera przypisanego (na podstawie kompetencji) do zadania badawczego i lotu. Kursanci w każdej grupie wyłonili spośród siebie kierownika lotu odpowiedzialnego za jego realizację oraz osoby obsługujące odpowiednie przyrządy i odpowiedzialne za analizę pochodzących z nich danych.

W praktyce czas, którym dysponowaliśmy, ograniczał się do 4 dni pomiarowych (z 6 dni jeden był przeznaczony na obowiązkowy odpoczynek załogi, a jeden na szkolenie w stojącym w hangarze samolocie na temat bezpieczeństwa, zasad komunikacji z pilotami i załogą SAFIRE, oprogramowania i operacji przyrządami) a w planie mieliśmy aż 4 loty. W związku z tym krytyczną kwestią była bardzo precyzyjna prognoza pogody, uwzględniająca priorytety badawcze i ograniczenia pomiarowe (np. kluczowe były okresy bez deszczu z możliwością zejścia nisko nad ocean, co możliwe było tylko w miejscach, gdzie podstawa chmur była wyższa niż 500 metrów). Ze względu na fakt, że decyzje o lotach następnego dnia trzeba było podejmować do godziny 20:00 dnia poprzedniego, zajęcia każdego dnia kończyły się odprawą meteo i dyskusją na temat perspektywy lotów na dzień następny i kolejne. Obrady były burzliwe, ale dzięki analizie informacji z wielu źródeł udało nam się zrealizować plan i wykonać wszystkie loty w optymalnych (z dostępnych) warunkach.

Po odprawie meteo była odprawa z załogą, piloci dostawali odpowiednio zmodyfikowany plan lotu, dyskutowaliśmy możliwe odstępstwa, warianty i punkty decyzji. Wszystko trzeba było ustalić wcześniej, w trakcie lotu tylko kierownik lotu ma prawo komunikować się z pilotem i uzgadniać możliwości zmiany planów.

Wykłady i loty

Oprócz uczestniczenia w planowaniu uczestnicy kursu słuchali wykładów instruktorów i zaproszonych wykładowców, zapoznawali się z oprogramowaniem i pisali skrypty do wstępnej analizy wyników po locie. W sumie słuchacze byli bardzo zajęci – plan obejmował 8 godzin zajęć zorganizowanych dziennie, do tego dochodziła praca w grupach i samodzielna, oraz, w wypadku udziału w locie, dodatkowych 6 godzin – na 60 minut przed startem trzeba było siedzieć w samolocie (po dostaniu się na lotnisko, odprawie bezpieczeństwa i briefingu z pilotami), a po locie trzeba było zabezpieczyć dane i wziąć udział w kolejnej odprawie, zgłaszając wszystkie uwagi dotyczące lotu i działania przyrządów, które miało się pod opieką.

W sumie dla większości uczestników najmniej pracowitą częścią zajęć był sam lot: wystarczyło siedzieć w swoim fotelu, śledzić zapisy swoich przyrządów, przełączając je i regulując zależnie od aktualnych wymagań. Nie dotyczyło to kierownika lotu, który miał nadzór nad wszystkim i komunikował się z pilotami, oraz trenera, którego kierownik mógł pytać o rady, i który w trakcie lotu musiał doradzać i jemu i wszystkim pozostałym na pokładzie.

Po locie kierownik zbierał informacje od obsługujących przyrządy, rozdzielał prace nad wstępnymi analizami i był odpowiedzialny za napisanie raportu z lotu.

Wszystkie grupy spisały się znakomicie. Wstępne raporty pokazują, że zebraliśmy wartościowy materiał, który wykorzysta załoga stacji Mace Head oraz uczestnicy badań. Po kilkunastu miesiącach prac nad weryfikacją i analizą danych, zostaną one umieszczone, wraz z bardzo szczegółowymi opisami, w otwartym repozytorium dostępnym nie tylko dla uczestników projektu, ale dla wszystkich badaczy na całym świecie. Spodziewamy się też, że po roku lub więcej ukażą się publikacje naukowe, które pozwolą zrozumieć nieco lepiej emisje aerozolu z powierzchni morza, jego transport (tak nazywamy w skrócie unoszenie przez wiatr i zawirowania powietrza) nad ląd, zmiany zachodzące w trakcie tego transportu, oddziaływanie aerozolu z chmurami i promieniowaniem słonecznym oraz termicznym Ziemi (podczerwonym). To pozwoli dołożyć małą cegiełkę do gmachu wiedzy na temat działania naszego systemu klimatycznego.

Szymon P. Malinowski