Ein Nilpferd geht in die Luft, die Erdatmosphäre zu probieren

Behind the Scenes Artikel wurde LiveScience in Zusammenarbeit mit der National Science Foundation zur Verfügung gestellt.

Nach internationale Abkommen es verlangen, erfordern wirksame und durchsetzbare Treibhausgasreduzierung vertiefte Informationen zu Fluten und Transporte von diesen und anderen atmosphärischen Bestandteile.

Forscher wissen, dass die Konzentrationen von Aerosolen wie Ruß und Gase wie Kohlendioxid, Wasserdampf, Ozon und Lachgas rund um den Globus und Saison variieren. Bis vor kurzem gab es ein feinkörniges Bild der Konzentrationen und Verständnis für die Dynamik dieser atmosphärische Komponenten nicht.

Forscher auf der ganzen Welt startete das 5-Phasen-HIPPO (HIAPER Pol zu Pol Beobachtung)-Projekt um diese Perspektive zu bieten; die erste detaillierte Zuordnung generiert haben – sowohl vertikal als auch in breiten — der globalen Verteilung von Treibhausgasen, schwarz, Carbon und verwandten chemischen Spezies in der Atmosphäre.

"HIPPO, jetzt ganze Segmente der globalen Atmosphäre, die in vielen Fällen anders angezeigt, als wir erwartet hatten, haben wir", sagte Steven Wofsy, HIPPO principal Investigator und atmosphärischen Wissenschaftler an der Harvard University.

Was HIPPO erzählen wird

Wissenschaftler erwarten, dass diese Detailansicht es ihnen ermöglichen wird, realistischer ungefähre chemische Verteilung der globalen Atmosphäre und besseres Verständnis der Interaktion zwischen Land, Meer und Atmosphäre. Neben wissenschaftlichen Grundverständnis Fütterung, bieten HIPPO eine wichtige Quelle von Daten nützlich für die Politik im Zusammenhang mit Klima und Klimawandel zu informieren. Kohlendioxid-Konzentration, Quellen (Bereiche wo mehr Kohlenstoff in die Atmosphäre freigegeben wird, als aufgenommen wird) und senken (wobei Kohlenstoffaufnahme Version größer ist) sind ein Fokus für HIPPO Wissenschaftler.

"Bei der Verfolgung von Kohlendioxid-Austausch, sind wir besonders daran interessiert, den tropischen Wäldern, die nördlichen Wälder und das Meer in der Antarktis,", sagte Britton Stephens, einer atmosphärischen Wissenschaftler am National Center for Atmospheric Research und HIPPO Co-Investigator. "HIPPO bietet eine breite Perspektive, geben uns die Möglichkeit, die verschiedenen regionalen Einflüsse auf Kohlendioxid-Distributionen rund um die Welt zu sehen."

Nilpferd, unterstützt von der National Science Foundation, der National Oceanic und Atmospheric Administration, NASA und einer Reihe von Universitäten, sammelt detaillierte, präzise Messungen der atmosphärischen Bestandteile. Nach dem Start seiner Machbarkeitsstudie im Frühjahr 2008, begann die erste Serie der globalen Flüge im Januar 2009 mit nachfolgenden Flüge tritt zweimal im Jahr 2010 und zweimal im Jahr 2011.

Das HIPPO Flugzeug flog eine Gulfstream V, Forscher und Präzisionsinstrumente messen etwa 150 Gase und atmosphärischen Bestandteile von fast Pol zu Pol über den Pazifischen Ozean, in Höhenlagen zwischen 500 und 47.000 Fuß über Meeresspiegel, abhängig von der täglichen Projektziel fliegen. Die erste Kampagne – typisch für diejenigen zu folgen – begann in Boulder, Colorado, erkundet die Luft über der Arktis, beweglichen Labor leitete neben Christchurch, New Zealand, vor dem Flug über den südlichen Ozean, mit anschließenden Zwischenlandung in Tahiti, Osterinseln und Mittelamerika.

Dem großen ausatmen: Kohlendioxid

Mit dem letzten der fünf Missionen, die vor kurzem abgeschlossen bringt Stephens Aufmerksamkeit, wie er es nennt, dem nördlichen Hemisphäre "ausatmen." Experimentelles Design Nilpferd genannt für saisonale Datenerfassung, eine komplette, das ganze Jahr über Perspektive auf globale atmosphärische Prozesse zu erhalten. In den ersten drei Missionen, während der nördlichen Hemisphäre Herbst, Winter und Frühjahr vermerkt die Wissenschaftler deutliche Veränderungen bei Kohlendioxid (CO₂) Verteilung und Konzentration.

"Durch Aneinanderreihung der gleichen Scheibe Atmosphäre saisonale nacheinander im Laufe der ersten drei Missionen, ist es möglich, Ansammlung von Kohlendioxid-Konzentrationen in der Atmosphäre über Herbst, Winter und Frühling, zu sehen", sagte Stephens. "Ein riesiger Pool von CO₂ wächst in der nördlichen Hemisphäre, wie Photosynthese verlangsamt und fossilen CO₂ Emissionen und Pflanzen- und Bodenproben Atmung weiter."

Insbesondere, zog in den nördlichsten Regionen der Arktis, die Forscher fanden rasche Füllung der Atmosphäre mit CO₂ im Hochgebirge im Winter und Frühjahr, wahrscheinlich durch das warme Förderband, das bestehende Wahrnehmung der atmosphärischen Prozessen herausfordert.

Die letzten beiden HIPPO Missionen geholfen einen klareren Blick auf die ganzjährige, große Bild Perspektive auf Kohlendioxid Dynamik zur Verfügung zu stellen. Die vierte Mission erfolgte im Juni und Juli 2011 und die fünfte im August und September; in diesen Zeiträumen Nordhalbkugel CO₂ -Konzentrationen wurden am niedrigsten als Vegetationswachstum und photosynthetische Prozesse erreichte. Wie erwartet, sah während dieser Zeit die Forscher eine massive Einatmen von CO₂ über der Nordhalbkugel als die wachsenden Pflanzen atmete in CO₂.

Measuring CO₂in die unterschiedlichsten Höhen und breiten gibt Wissenschaftlern viel strengeren Einschränkungen – und daher mehr Verständnis – auf den Gesamtbetrag der CO₂-Version (oder Aufnahme) für die Hemisphäre. Ältere Schätzungen der hemisphärischen Austausch, die auf Informationen, die an der Oberfläche, entpuppen abgeschaltet um etwa 30 Prozent, sagte Stephens: "Looking up durch die Grenzschicht mit unvollkommenen atmosphärische Transportmodelle wurde wie durch Nebel Schwimmbrillen starrte – schließlich HIPPO gibt uns eine klare Sicht."

Weitere wichtigen atmosphärische Komponenten: Black Carbon und Lachgas

Andere Messungen Aufregung aus den drei abgeschlossenen Kampagnen generieren, sagte Wofsy. Nilpferd-Beobachtungen zeigen eine weiter verbreitete, gleichmäßige Verteilung der Ruß als erwartet, mit mehr als erwarteten Häufigkeiten in hohen breiten der nördlichen Hemisphäre auftreten.

Darüber hinaus sind Konzentrationen von Lachgas (N₂O), das drittwichtigste langlebigen anthropogenen Treibhausgas (die anderen zwei zu CO₂ und Methan), höher als in der Mitte und obere tropischen Troposphäre als an der Oberfläche erwartet; ohne die Instrumentierung und Mess-Funktionen von HIPPO könnte Wissenschaftler nicht dies gewusst haben. Details über einige der unerwarteten – und unberechenbar – Erkenntnisse im Zusammenhang mit diesen atmosphärischen Komponenten werden unten umrissen.

Ruß

Ruß beeinflusst Klima, also beides direkt (durch Absorption solaren Strahlung) und indirekt (durch die Bildung von Wolken, die entweder zu reflektieren oder Strahlung, je nach ihren Eigenschaften und Lage absorbieren). Ruß abgelagert auf Schnee oder Eis verbessert auch die Schmelze führt der Erdoberfläche mehr Sonnenlicht absorbieren. Diese dunkle Aerosole haben eine Vielzahl von Quellen, Diesel Kraftstoff oder Kohle Verbrennung, brennenden Pflanzen in Waldbrände und verschiedenen industriellen Prozessen aus.

Die meisten Ruß bleibt in der Atmosphäre nur für Tage, Wochen, aber es kann immer noch einen dramatischen Einfluss auf die globale Erwärmung. Nilpferd von Pol zu Pol Messungen von Ruß können politische Entscheidungsträger bei der Entwicklung von Strategien zur Verringerung der Auswirkungen des Klimawandels unterstützen.

Unter anderem lieferten die HIPPO-Messungen neues Wissen über den gesamten Lebenszyklus eines Teilchens Ruß Weg von der Quelle (Emission) (Entfernung) in der Atmosphäre zu versenken. Zusammen mit global Aerosol Modellen verwendet, HIPPO von Pol zu Pol Messungen der Ruß in den verschiedenen Jahreszeiten eingefangen lässt sich verfeinern unser Wissen wie schwarzer Kohlenstoff Aerosole beeinflussen Klima, sagte Ryan Spackman, ein atmosphärischer Chemiker in der NOAA Earth System Research Laboratory.

Vor HIPPO wurden eine begrenzte Anzahl von luftgestützten Messungen der Ruß durchgeführt. Der vorliegenden Studien fehlen alle HIPPOS Kombination von vertikalen und Breitengrad Detail. Da globale Aerosol Modelle in projizierten Ruß Konzentrationen sehr unterschiedlich sind, werden HIPPO Daten für viele Aspekte der Klimaforschung von unschätzbarem Wert. Da die meisten Ruß-Emissionen an der Oberfläche auftreten, in der Regel verringert die Menge an Kohlenstoff in der Atmosphäre mit der Höhe. In der südlichen Hemisphäre, die weniger Verschmutzungsquellen als der nördlichen Hemisphäre hat, jedoch ist dies nicht der Fall.

"In unserer ersten Flüge in der Nähe der südlichen Pol, sahen wir die Menge an Kohlenstoff in der Atmosphäre steigt mit Höhe,", sagte Joshua Schwarz, ein Physiker an der NOAA Earth System Research Laboratory. "Dies zeigt, dass der Ruß in die Region von weit weg transportiert wurde, mit Regen-Out an den niedrigeren Höhen auftreten. Diese Schlussfolgerung bietet Einblicke in das Zusammenspiel von Transport- und Entfernung Mechanismen, die bei der Validierung des globalen Modellergebnisse helfen können."

Nilpferd deckt ein breites Spektrum der breiten über einen kurzen Zeitraum, wodurch die Wahrscheinlichkeit, dass die Wissenschaftler über den Pazifik Transport von Ruß vermissen würde. Diese Perspektive half ihnen die Nuancen der Transport Dynamik aus Entfernung Prozessen zu entwirren, die Auswirkungen ihrer Ergebnisse gestärkt.

In der ersten HIPPO-Mission, die im nördlichen Hemisphäre Winter aufgetreten ist, analysiert die Ruß-Team Pol zu Pol Verteilungen von Ruß, dabei lernen, dass globale Aerosol Modellen oft Ruß in die Atmosphäre überschätzen. "Für Ruß, diese Beobachtungen, die Auswirkungen von Fehlern bei der Modellierung von Entfernung und Fehler bei der Modellierung von Verkehr und Emissionen, leichter zu trennen geholfen haben", sagte Schwarz.

Während der zweiten und dritten HIPPO-Missionen, die in der nördlichen Hemisphäre Herbst und Frühling aufgetreten ist, beobachtet die Wissenschaftler große Ruß Verschmutzung Ereignisse im Zusammenhang mit den interkontinentalen Transport von Unmengen an Verschmutzung aus Asien. Ermittler beobachteten erhöhten Verschmutzung in fast allen Höhenlagen in der Arktis, aber vor allem in höheren Lagen, wo man die Luft relativ zu erwarten könnte, klar und sauber. Die Wissenschaftler entdeckten, dass Schadstoffe leicht in die Arktis als dünne Bleche aus Luft zu fast jeder Jahreszeit transportiert werden können.

Eine weitere Überraschung für die Wissenschaftler war der Saisonalität der Federn schwarz Carbon-beladenen Verschmutzung in mittleren Breiten (zwischen Hawaii und Alaska). Im Frühling, die Wissenschaftler identifiziert Verschmutzung Beiträge aus zwei Hauptquellen – Menschen verursachten Umweltverschmutzung aus Asien und Biomasse Verbrennung aus Südost-Asien.

"Die Ruß Masse Belastungen in Verunreinigung Federn im abgelegenen Pazifik waren vergleichbar mit was wir in großen amerikanischen Städten beobachtet haben", sagte Spackman. "Umso erstaunlicher, entdeckten wir, dass diese Belastung über die gesamte Tiefe der Troposphäre erweitert – von in der Nähe von der Oberfläche des Ozeans bis 28.000 Fuß."

Lachgas

Auf jedem Flug HIPPO sah die Wissenschaftler häufig höhere N₂O in höheren Lagen als an der Oberfläche. N₂O ist nicht nur ein starkes Treibhausgas, es kann sein, dass die wichtigsten stratosphärischen Ozon abbauenden Substanz in der Atmosphäre. Folglich, mehr als einfach als wissenschaftlich interessant, ein besseres Verständnis von wo es sich befindet und in welchen Konzentrationen wichtige Informationen für Wissenschaftler und Entscheidungsträger ist.

Primäre N₂O-Emissionen stammen aus Böden und das Meer; eine große Menschen erzeugte Komponente entsteht durch Verwendung von Dünger für die Landwirtschaft. Diese anthropogenen Emissionen sind eine relativ neue Quelle, und seit der Mitte der 1800er zugenommen haben – von 260 Teile pro Milliarde (ppb) bis 320 ppb, sagte Eric Kort, der vor kurzem seinen Doktortitel mit Wofsy an der Harvard University abgeschlossen. Zwar nicht der einzige Fahrer der N₂O bezogene Forschung auf HIPPO, der rapide Anstieg der Mensch erzeugt N₂O-Konzentration in der Atmosphäre der N₂O Untersuchung dringend hinzufügt.

Zur Überraschung der HIPPO Ermittler oft fanden erhöhte Konzentrationen von N₂O hoch in der Atmosphäre – auch über Bereiche wo bodengebundenen Monitore keinen Hinweis auf Vorhandensein des Gases an die Oberfläche. Die höher als erwartet Niveaus von N₂O in Höhe zeigen mehr Dynamik bei der Arbeit als zuvor angenommen, erklärt Kort.

Einige Analyse zeigt, dass groß angelegte konvektive Aktivität (z. B. Stürme) und eine Menge von Niederschlag, die erhöhte mikrobielle Aktivität führen könnte, eine Hand hätte bei der Erreichung dieser Realität. Konvektion weht N₂O bis in die Atmosphäre, wo der Wind fängt das Gas weiter Empordringen und mischen Sie es in den höheren Lagen.

"Viele N₂O ist aus tropischen Regionen, ausgeformte", sagte Kort. "HIPPO Sensoren zeigen erhöhte Emissionen in den Tropen, aber wir wissen nicht, in diesem Fall natürlich aus tropischen Böden Quellen, oder wenn andere Prozesse oder Störungen, wie z. B. erhöhte Einsatz von Düngemitteln gegen den Wind aus den Wäldern verursacht dies."

Wieder, haben direkte Beobachtungen fehlen, Modelle dieser Dynamik historisch spielte eine große Rolle bessere Vorhersagen der wahrscheinlich N₂O Verhalten zu erlangen. Während einige Modelle genau oberflächennahe N₂O Häufigkeiten erwartet, vorhergesagt keiner die anhaltend erhöhten gesehen in der Höhe in den Tropen.

Erreichen, besser modellieren Ergebnisse werden besonders wichtig im Falle von atmosphärischen N₂O, Jahr für Jahr zu einem Preis nähert sich 1 Teil pro Milliarde gestiegen. Gesellschaft bewegt sich in Richtung zur Anwendung und Herstellung von Biokraftstoffen, Verwendung von Düngemitteln werden wahrscheinlich zunehmen, die verstärken wiederum N₂O-Emissionen. An einem gewissen Punkt konnten N₂O profitiert von CO₂ -Reduktion ausgleichen. Aus diesem Grund, und wegen seiner Bedeutung als ein Treibhausgas wollen Wissenschaftler und politische Entscheidungsträger ein gut geschärften Bewusstsein für Transport, Fluten und Abbau-Prozesse, die die N₂O.

"Lachgas-Emissionen sind sicherlich etwas, was wir brauchen in Bezug auf zukünftige regulatorische Staatsverträge besorgt werden, weil solche nicht-CO₂ -Ausstoß wichtig sein werden. Derzeit ist unser Wissen über diese Emissionen weit geringer als bei CO₂, der Fall ist", sagte Kort.

Verbesserung der globalen Modelle

Zuordnung von beobachteten und modellierten N₂O Daten besser vorherzusagen, dass Verhalten der atmosphärischen Bestandteile ist ein wesentlicher Grund Nilpferd existiert. Die Komplexität, Zeit- und Kostenaufwand für Missionen wie HIPPO machen Modellierung eine wichtige Möglichkeit zur Nutzung der HIPPO Daten erweitern und entwickeln Modelle, die besser beobachtete atmosphärische Eigenschaften replizieren.

Allein, können Beobachtungen weder Modelle realer Prozesse vollständig aufzulösen. Verbesserte Beobachtungen, die dann in Modelle einfließen können aber enthüllt neue Einblicke auf Klimadynamik. Die große Modell-Herausforderung aus Sicht der CO₂, sagte Stephens, Darstellungen der atmosphärische Mischung ist. Die verwendeten Modelle haben oft Gitterstrukturen, die gröber als die Feinskaligen Prozesse verantwortlich für das Mischen.

"Also, wenn Vermischung durch Konvektionszellen geschieht oder Transport hinauf und über eine kalte Luftmasse, z. B. die Transportmodelle verwendet, um CO₂ in der Atmosphäre verfolgen repräsentieren diese Dynamik nicht gut," sagte Stephens.

Erhöhung der Modellauflösung kann diese Fragen etwas verbessern, aber geht es nicht um die Notwendigkeit einer robusten Beobachtungen, die die Merkmale der breiten Schwaden von Atmosphäre, aus dem Boden in großen Höhen zu erfassen. Nilpferd Profile erstrecken sich durch die Troposphäre, Ausbau der vorhandenen Beobachtungsdaten Datensätzen – und wissen – darüber hinaus durch aktuellen Boden-basierten Funktionen erlaubt.

Forscher werden anhand der HIPPO, testen die Genauigkeit der vorhandenen Atmosphärenmodellen besser identifizieren, die am genauesten beobachteten Prozesse darstellen können. Darüber hinaus hilft diese Beobachtungen das Design mehr innovative Modelle und Datenassimilation Systeme – Modelle und Systeme in der Lage, HIPPO Beobachtungen nutzen. Solche Verbesserungen werden push-Verständnis der Prozesse verantwortlich für die Aufnahme von Menschen emittierten CO₂ während und zwischen den Messkampagnen weiterleiten – und darüber hinaus.

Anmerkung der Redaktion: Dieser Forschung wurde unterstützt von der National Science Foundation (NSF), die Bundesagentur mit der Finanzierung von Grundlagenforschung und Ausbildung in allen Bereichen der Wissenschaft und Technik beauftragt. Meinungen, Erkenntnisse und Schlussfolgerungen oder Empfehlungen ausgedrückt in diesem Material sind die des Autors und spiegeln nicht unbedingt die Ansichten von der National Science Foundation. Siehe die hinter die Kulissen-Archiv.