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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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