Kampania pomiarowa EUREC4A, czyli jak się bada chmury i klimat

Dobiega końca międzynarodowa kampania pomiarowa EUREC4A, w której uczestniczy grupa badaczy z Polski. To wielkie przedsięwzięcie naukowe ma na celu zbadanie organizacji konwekcji (tworzenia różnych „wzorów” chmur konwekcyjnych) nad oceanem podzwrotnikowym. Od połowy stycznia 2020 roku ponad 400 naukowców z wielu krajów prowadziło pomiary atmosferyczne i oceaniczne, które pozwolą na lepsze zrozumienie tego zjawiska i w efekcie poprawę prognoz pogody i klimatu. Relację z kampanii napisał dla nas uczestniczący w niej prof. Szymon Malinowski.

Rysunek 1: Naukowcy biorący udział w kampanii EUREC4A rozstawiają na Barbados radar meteorologiczny PoldiRad skonstruowany w Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, DLR. Zdjęcie: Anny Lei Albright, za stroną kampanii, na której znajdziesz też relację ze stawiania radaru.

Strefa pasatów – wiatrów wiejących w dolnej części atmosfery od zwrotników w stronę równika, ze składową wschodnią (ze wschodu na zachód) - ma ogromne znaczenie dla klimatu Ziemi. Masy powietrza, przepływając nad oceanem (im bliżej równika, tym cieplejszym) pobierają z niego ciepło i wilgoć.

Rysunek 2: Przykładowy pionowy przekrój przez atmosferę w miejscu eksperymentu, sondaż aerologiczny z Barbados Cloud Observatory (tzw. skew diagram). Na osi pionowej ciśnienie atmosferyczne, na osi poziomej temperatura (izotermy to ukośne szare linie). Czerwona linia – temperatura, zielona linia – temperatura punktu rosy, symbole po prawej stronie oznaczają prędkość i kierunek wiatru, każde „piórko” przy symbolu to 5 m/s. Pasat sięga poziomu 750 hPa, wyżej do ok. 280 hPa antypasat i jeszcze wyżej zwrotnikowy prąd strumieniowy. Na górze trasa sondy, kolejne okręgi oznaczają promienie 20, 40, 60 km od miejsca sondażu, kolorem oznaczono wysokość. Na rysunku pokazano drugą część sondażu – opadanie na spadochronie po osiągnięciu maksymalnej wysokości. Wysokość oznaczono kolorami, sonda wzniosła się do poziomu 100 hPa (żółty kolor) i potem opadła.

W okolicach równika to wilgotne powietrze napływające z północy i południa wznosi się w procesie głębokiej konwekcji do góry, a energia uwolniona podczas kondensacji pary wodnej napędza globalną cyrkulację atmosfery (rysunek 3). Powietrze wypływające górą z chmur równikowych zasila tzw. antypasat, płynący w kierunku północno-wschodnim w wyższych warstwach troposfery.

Jednak ważny jest nie tylko równik (strefa zbieżności, gdzie spotykają cie pasaty z półkul północnej i południowej) i głęboka konwekcja, ale także to, co dzieje się z powietrzem w trakcie wędrówki z pasatem w kierunku równika. W tym obszarze nad oceanem powstają w dolnej części troposfery chmury konwekcyjne, które także produkują deszcz, a oprócz tego odbijają promieniowanie słoneczne. Tę tak zwaną komórkę cyrkulacyjną Hadleya domykają obszary osiadania powietrza w szerokościach ok. 35 stopni, bezchmurne lub pokryte niemal ciągłą warstwa chmur stratocumulus.

Rysunek 3: Animowany obraz satelitarny pokazujący najważniejsze cechy cyrkulacji atmosferycznej w niskich szerokościach geograficznych. Wokół równika, od Zatoki Gwinejskiej przez Amazonię po Pacyfik widać strefę zbieżności z rozwijającymi się chmurami konwekcyjnymi. Nad Wenezuelą możemy zauważyć chmury cirrus w wyższych warstwach atmosfery niesione przez antypasat or równika na północny wschód. Poniżej, nad Atlantykiem i Morzem Karaibskim wyraźnie widać struktury chmur konwekcyjnych w dolnej atmosferze niesione pasatem ze wschodu na zachód z lekkim odchyleniem ku południu. Dalej na północ od Teksasu po Wyspy Brytyjskie rozciąga się układ chmur związany z prądem strumieniowym oddzielającym chłodne masy powietrza na północy od ciepłych na południu. Ogromne obszary chmur konwekcyjnych w strefie pasatowej widzimy i nad Atlantykiem i nad Pacyfikiem. Źródło: NOAA.

Organizacja konwekcji – główny temat kampanii

Patrząc na Ziemię z satelity zwracamy uwagę, że chmury pasatowe układają się w różne wzory. To efekt różnej organizacji konwekcji. Od czego ona zależy? To zagadnienie jest jeszcze słabo rozumiane i właśnie dlatego naukowcy z Europy i Ameryki postanowili zorganizować wielką kampanię pomiarową, mającą pogłębić wiedzę na ten temat.

Dawniej, uważano że cykl dobowy nad oceanem jest zaniedbywalny, jednak później zauważono, że struktury konwekcyjne nad morzem zmieniają się nieco w ciągu doby. Celem projektu EUREC4A jest zebranie solidnego zestawu pomiarów in-situ całych zespołów chmur, ich organizacji, zmian w czasie, jednocześnie z pomiarami dobowego cyklu zmienności cienkiej, naskórkowej warstwy powierzchni wody (więcej na ich temat przeczytasz w tekście Jak i po co mierzymy temperaturę oceanu) oraz strumieni wilgoci, ciepła i pędu, czyli wymiany wody, ciepła i pędu między powierzchnią oceanu a atmosferą.

Rysunek 4: Przykłady różnorodnej organizacji konwekcji w obszarze eksperymentu. Na zachód od Małych Antyli (prawy dolny obszar zdjęcia) widzimy kompleksy konwekcyjne (żargonowe określenie flowers – kwiaty) z przestrzeniami bez konwekcji pomiędzy, na zachód nieregularne struktury chmur konwekcyjnych (gravel – żwir), przy lewym skraju obrazu przechodzące w pola małych chmurek (sugar – cukier). Nieco powyżej środka zdjęcia, na wschód od Puerto Rico można zauważyć strukturę przypominającą szkielet ryby (fish). Różnorodność wzorów sugeruje różne cechy mas powietrza, różną wysokość tzw. inwersji pasatowej i/lub różnice w oddziaływaniu atmosfera-ocean. Źródło: NOAA.

Dodatkowo, na to co dzieje się w dolnej warstwie atmosfery wpływa to, co jest powyżej i na odwrót. Antypasat i prądy strumieniowe zwrotnikowe (bliżej równika), wpływają na głębokość warstwy pasatowej z chmurami. Można także udokumentować różnego rodzaju oddziaływania z niżami i wyżami wyższych szerokości geograficznych. Oczywiście, od tego, jak zorganizowana jest konwekcja w strefie pasatowej, jaką powierzchnię zajmują chmury, a jaką obszary bezchmurne, zależy albedo tego obszaru, czyli zdolność odbijania promieniowania słonecznego.

Pisaliśmy wielokrotnie (np. w artykule „Morskie chmury: nowo odkryte sprzężenie zwrotne destabilizujące klimat cieplarnianej Ziemi”), że chmury mogą stanowić kolejne dodatkowe sprzężenie zwrotne wzmacniające nasze wymuszenie gazami cieplarnianymi procesów klimatycznych. Czy w cieplejszym klimacie chmury będą układać się w takie same wzory? Czy zachmurzenie wzrośnie czy zmaleje? Czy te same wzory będą występować w powiększającej się wraz z ociepleniem komórce Hadleya?

Najnowsze symulacje modelami globalnymi pokazują, że chmur w obszarach pasatów może być mniej, przez co wskutek mniejszego albedo globalne ocieplenie będzie silniejsze, niż wydawało nam się do tej pory (patrz Wyższa czułość klimatu w nowym raporcie IPCC?). Jednak nie wiemy tego na pewno. Modele klimatu mają bardzo uproszczony opis chmur. Celem projektu EUREC4A jest lepsze zrozumienie oddziaływania chmur z oceanem w strefie pasatów, cyklu dobowego wzorów konwekcji, zależności organizacji konwekcji od cech oceanu i tego, co się dzieje ponad warstwą pasatową, po to żeby zweryfikować tezę o wyższej, niż nam się do tej pory wydawało, czułości klimatu.

Rysunek 5: Platformy pomiarowe używane w projekcie EUREC4A. Od góry i lewej: francuski ATR-42, niemiecki HALO, amerykański NOAA WP-3D, brytyjski TwinOtter, Metroliner z Barbados, wyspa, Barbados Cloud Observatory, radar POLDIRAD, latawco-balony na uwięzi operujące ze statków, L’Atalante, Maria S. Merian, Meteor, Ronald H. Brown, dron Boreal, automatyczne żaglówki saildrones, boja NTAS, sea-glidery. Żrodło: http://eurec4a.eu/index.php?id=5256.

Zarys kampanii

Projekt jest ogromny, część europejska jest uzupełniona amerykańską kampanią ATOMIC. W sumie bezpośrednio w pomiarach bierze udział ponad 50 instytucji naukowych. Dalszych 30 instytucji jest zaangażowanych zdalnie, przygotowując specjalne dane satelitarne, modelując pogodę z niespotykaną rozdzielczością, wykonując specjalne symulacje numeryczne cyrkulacji oceanicznych i udzielając różnego rodzaju bezpośredniego wsparcia naukowego.

Na miejscu, na Barbados, najbardziej na wschód wysuniętej wyspie archipelagu Małych Antyli, oraz na statkach badawczych na zachód i południe od tej wyspy pracuje w tej chwili niemal 400 naukowców z 7 krajów (Barbados, Francja, Holandia, Niemcy, Polska, USA, Wielka Brytania). Prowadzą skoordynowane pomiary różnorodnych własności oceanu od głębokości kilkuset metrów, dokładne badania warstwy powierzchniowej, granicy atmosfera-ocean oraz atmosfery, począwszy od warstwy przywodnej po górną troposferę.

Rysunek 6: Stacja pomiarowa na wybrzeżu Barbados.

Pomiary zaplanowane są tak, aby uzupełniały się nawzajem. Oprócz czterech statków badawczych ocean przemierza kilkanaście dronów: część z nich to zanurzające się w głąb morza „szybowce morskie” (sea-glidery), część pływa po powierzchni. Cztery samoloty badawcze wykonują skoordynowane loty, które pozwalają poznać pionową i poziomą strukturę atmosfery, własności chmur, strumienie ciepła i wilgoci oraz aerozole i opad. Specjalne stacje badawcze na brzegu wyspy Barbados oraz specjalnie przywieziony i zamontowany w tym celu radar opadowo-chmurowy śledzi obszar pomiarów. Na samolotach i statkach zainstalowane są nie tylko czujniki in situ ale także radary, lidary oraz balony na uwięzi. Więcej o platformach pomiarowych: ATOMIC, EUREC4A.

Plan badań

To co dzieje się w okolicy Barbados zależy przede wszystkim od transportu ciepła, wilgoci i pędu w atmosferze i oceanie. W ramach kampanii analizujemy dwa obszary, które oddziałują na rejon badań. Po pierwsze, w tak zwanej „alei pasatowej” napływają masy powietrza ze wschodu i północnego wschodu. Po drugie, prąd oceaniczny, tzw. „aleja wielkich wirów”, płynący wzdłuż wybrzeży Ameryki Południowej przynosi ciepłe wody w obszar Antyli i Morza Karaibskiego.

Główny obszar pomiarowy na przecięciu obydwu alei, nieco na wschód od Barbados jest bardzo dobrze zdefiniowany: obejmuje wielkie koło o promieniu 100 km, cały czas obserwowane przez radar chmurowy. Samolot HALO krąży na wysokości 9 km po granicy tego obszaru śledząc go lidarami i radarami z góry, a także spuszczając bardzo precyzyjne sondy, które opadają na spadochronach przez atmosferę. Podczas jednego przelotu po obwodzie obszaru spuszczane jest 8 sond, co pozwala określić napływ i wypływ mas powietrza do obszaru badań na różnych wysokościach.

Rysunek 7: Plan kampanii pomiarowej. Śledzone są zmiany własności powietrza do boi NTAS do Barbados oraz własności oceanu od ujścia Orinoko po Barbados. Najintensywniejsze pomiary samolotami prowadzone są w kole na wschód od Barbados i w kolejnym, jeszcze dalej na wschód. Powietrze napływające na Barbados jest dodatkowo bardzo dokładnie badane w laboratoriach i platformach na wschodnim cyplu wyspy i obserwowane specjalnie zamontowanym radarem meteorologicznym. Źrodło: EUREC4A.

Kolejne samoloty latają niżej, wewnątrz głównego kręgu. Francuski ATR42, wyposażony w radary „patrzące” horyzontalnie oraz w górę i dół, lata na wysokości chmur po dobrze zaplanowanej prostokątnej trajektorii, aby zebrać informacje obszarowe o położeniu chmur. W chmury wlatuje brytyjski TwinOtter, którego podstawowym zadaniem jest badanie mikrofizyki chmur i turbulencji.

Na tym samolocie zamontowany jest, wraz z innymi przyrządami, unikalny termometr UFT wykonany w Instytucie Geofizyki (IGF) na Wydziale Fizyki UW (FUW), pozwalający mierzyć temperaturę wewnątrz chmur z rozdzielczością centymetrów. Poniżej warstwy granicznej atmosfery i tuż nad powierzchnią morza krąży dron Boreal, zbierający informacje o strumieniach ciepła i pary wodnej.

Rysunek 8: Przyrządy na samolocie TwinOtter. Okręgiem znaczono czujnik UFT.

Podobne koło, dalej na wschód, jest badane głównie przez Amerykanów z samolotu NOAA WP-3D. Dalej jeszcze są dwie super boje zbudowane już kilkanaście lat temu, śledzące stan oceanu. Badania prowadzone na wschód od podstawowego obszaru pozwalają określić, jak zmieniło się powietrze podczas wędrówki z pasatem w kierunku zachodnim.

Laboratoria na statkach pływających wewnątrz obu okręgów (amerykański Ron Brown na wschodzie i niemiecki Meteor wewnątrz głównego kręgu) mierzą pionowe profile temperatury, zasolenie oceanu oraz pewne własności biologiczne warstw powierzchniowych. Na Meteorze jest specjalny balon-latawiec na uwięzi, który może wznieść się na wysokość 1500 m i wykonywać pomiary w chmurach. Obok innych przyrządów na statkach zainstalowane są kolejne termometry z IGF. Są tam też cztery proste drony-śmigłowce, które precyzyjnie profilują najniższe 300 m atmosfery, a także dokonują pomiarów naskórkowej temperatury powierzchni oceanu. Poza tym: lidary, radar, przyrządy do pomiaru aerozolu, natężenia promieniowania słonecznego i długofalowego. Ze statków wypuszczane są drony morskie.

Rysunek 9: Po lewej: Cloudkite, czyli badawczy latawco-balon Instytutu Maxa Plancka z Gottingen (zdjęcie Markusa Ritsche za blogiem statku badawczego Maria S. Merian). Po prawej „morski szybowiec”, czyli nurkujący pojazd autonomiczny (zdjęcie Meliny Mehlmann za tym samym blogiem) .

Dwa kolejne statki, niemiecki Maria Meriam i francuski Atalante, pracują w „alei wielkich wirów” na południowy wschód od głównego obszaru badań, aby zbadać masy wody, które potem do niego dopływają. Na statku niemieckim jest kolejny balon-latawiec na uwięzi, który unosi do chmur specjalne oprzyrządowanie do pomiaru turbulencji i mikrofizyki, łącznie z laserowym systemem holografii kropelek chmurowych i kolejnymi termometrami z IGF.

Wszystkie badania, loty, pozycje statków i zadania koordynowane są w centrum operacyjnym, znajdującym się w budynkach Karaibskiej Służby Meteorologicznej oraz centrum Lotnictwa Cywilnego przy lotnisku na Barbados. Co dzień rano mamy odprawy, omówienie poprzedniego dnia, łącznie z raportami ze statków-laboratoriów i planowanie dnia następnego. Wszystko zależy od zmieniającej się sytuacji meteorologicznej.

Rysunek 10: Przykład opracowanych wstępnie wyników pomiarów termometrem UFT w chmurze. Górny panel – przelot przez całą chmurę, kolejne panele – coraz większe powiększenia fragmentów. Sekunda lotu to odległość ok 60 m.

Dane pomiarowe zbierane podczas eksperymentu będą dostępne publicznie. W tej chwili ustaliliśmy szczegóły tego, jak będziemy pisać podstawowe artykuły na temat badań i ich wyników. Mogę pochwalić się, że nasz przyrząd z IGF FUW na samolocie TwinOtter, mimo wielu trudności z przygotowaniem, działał całkiem dobrze – udało nam się zebrać sporo nieznanych do tej pory informacji o strukturze termicznej chmur w skali centymetrów.

Wszystko to jest bardzo ważne dla zrozumienia, jak chmury zanikają, mieszając się z otoczeniem, jak wyparowują, w jaki sposób tworzą się prądy zstępujące na ich brzegach. Prawdę powiedziawszy, nasze pomiary to tylko jeden drobny element całego wielkiego przedsięwzięcia, i choć ważny, to nie kluczowy. Na kilkuset zaangażowanych naukowców, z Polski pracuje przy eksperymencie tylko 9 osób, reprezentujących trzy instytucje: Uniwersytet Warszawski (5 osób), Instytut Geofizyki PAN (3 osoby) oraz Instytut Oceanologii PAN (1 osoba). Zebrane dane będziemy przetwarzać latami. Będą wykorzystane w modelach prognozy pogody i klimatu, które dopiero powstają.

Prof. dr hab. Szymon Malinowski IGF FUW

Opublikowano: 2020-02-19 10:14
Korzystanie z witryny bez zmiany ustawień przeglądarki oznacza akceptację polityki cookies.