Исключительные вторжения теплого воздуха и вездесущие аэрозольные потоки в стратосфере.

Южное сияние над контейнером OCEANET на немецкой исследовательской станции Ноймайер III в Антарктиде. Автор: Мартин Раденц, TROPOS

Чрезвычайно чистый воздух на земле, проникновение теплого воздуха и сульфатный аэрозоль на больших высотах — исследовательский проект в Лейпциге позволил по-новому взглянуть на облака в Антарктиде. С января по декабрь 2023 года впервые с земли было исследовано вертикальное распределение аэрозольных частиц и облаков в атмосфере над немецкой станцией Ноймайер III Института Альфреда Вегенера, Центра полярных и морских исследований имени Гельмгольца (AWI).

Институт Лейбница по тропосфере e. В.

Чрезвычайно чистый воздух на земле, вторжения теплого воздуха и сульфатный аэрозоль на больших высотах — исследовательский проект в Лейпциге получил новое представление об облаках в Антарктиде. С января по декабрь 2023 года вертикальное распределение аэрозольных частиц и облаков в атмосфере над немецкой станцией Ноймайер III Института Альфреда Вегенера, Центра полярных и морских исследований имени Гельмгольца (AWI) впервые исследовалось с земли.

Измерения с разрешением по высоте были первыми в своем роде на Земле Королевы Мод — районе Антарктиды, граничащем с Атлантикой и занимающем площадь, превышающую площадь Гренландии.

Наблюдения проводились с помощью платформы OCEANET-Atmosphere Института тропосферных исследований имени Лейбница (TROPOS). OCEANET-Atmosphere продемонстрировала свою надежность уже во время дрейфа в Арктике в течение целого года на исследовательском судне Polarstern во время международной экспедиции MOSAiC 2019/20.

В течение 12 месяцев работы в Антарктиде платформа находилась под непосредственным наблюдением ученого TROPOS Мартина Раденца. Первые результаты были опубликованы в Бюллетене Американского метеорологического общества. Измерения проводились в тесном сотрудничестве с AWI.

Антарктический континент и Южный океан являются важными компонентами глобальной климатической системы. Хотя климат Антарктиды считался относительно стабильным в прошлом веке, сейчас наблюдаются значительные изменения. Климатические прогнозы указывают на то, что внутренняя часть Антарктиды потеплеет более чем на 3 градуса Кельвина, площадь морского льда сократится примерно на 30%, а количество осадков увеличится в 21 веке.

Однако такие прогнозы подвержены значительным неопределенностям, а глобальные модели циркуляции атмосферы пока не способны правильно воспроизводить облачный покров и радиационное воздействие над Южным океаном. Это неправильное представление облаков приводит к искаженным оценкам теплового излучения и температуры поверхности моря , которые являются предпосылкой для оценки потоков энергии между океаном и атмосферой. Кроме того, для того, чтобы иметь возможность документировать любые изменения в окружающей среде, такой как Антарктида, ее текущее состояние должно быть документировано как можно лучше.

Получение знаний о формировании облаков в Антарктиде является насущной необходимостью, поскольку в чистом воздухе южного полушария это происходит иначе, чем в северном полушарии с более обильными поверхностями суши. Вторым основным источником неопределенности является перенос влаги и частиц из средних широт и субтропиков на полюс. Относительно ровная поверхность между морем Уэдделла и Южным полюсом может быть своего рода шоссе для теплых и влажных воздушных масс. Чтобы узнать больше об облаках в Антарктиде, приборы на немецкой исследовательской станции Ноймайер III AWI были дополнены измерениями дистанционного зондирования, такими как атмосферный лидар и облачный радар, в течение примерно целого года в рамках проекта COALA (Непрерывные наблюдения за взаимодействием аэрозолей и облаков в Антарктиде).

Важность проекта была признана приоритетной программой «Исследования Антарктики» Немецкого научного фонда (Deutsche Forschungsgemeinschaft, DFG). Носителем аппаратуры был контейнер TROPOS OCEANET-Atmosphere. Ранее платформа дрейфовала через Арктику в течение года на RV Polarstern во время экспедиции MOSAiC под руководством AWI в 2019/20.

«Наблюдения MOSAiC позволили нам впервые показать, что атмосфера на Северном полюсе загрязнена сильнее, чем предполагалось ранее. Но что насчет Антарктиды? К счастью, у нас была возможность эксплуатировать там наш контейнер OCEANET в течение года», — объясняет доктор Ронни Энгельманн из TROPOS. OCEANET был установлен в 300 метрах к югу от немецкой антарктической станции Ноймайер III в начале 2023 года. OCEANET-Atmosphere — это автономный, испытанный в полярных условиях, специально оборудованный 20-футовый контейнер, набитый самым современным оборудованием для наблюдения за атмосферой. В настоящее время это единственная полярно-пригодная одноконтейнерная платформа, которая объединяет многоволновой лидар, облачный радар, микроволновый радиометр и доплеровский лидар для наблюдения за облаками и аэрозолями, включая турбулентные движения воздуха.

OCEANET снабжался электроэнергией с исследовательской станции, где также жил исследователь из Лейпцига, и провел год, следя за тем, чтобы все приборы измеряли без перебоев: д-р Мартин Раденц из TROPOS присоединился к основной команде станции. Он был одним из 10 человек, которые провели зиму в темную полярную ночь на станции Ноймайер III. «Возможность провести год в Антарктиде с сообществом нашей небольшой команды, захватывающая природа, снежные бури и изоляция стали уникальным опытом», — сообщает Мартин Раденц. Зеленый лазерный луч многоволнового лидара, сканировавший атмосферу над станцией Ноймайер III, был новинкой в ​​этой части Антарктиды.

Лидар, также известный как «световой радар», посылает короткие лазерные импульсы с земли в атмосферу и принимает отраженный свет специальным приемником. Информацию о высоте, количестве и типе взвешенных частиц (аэрозолей) в атмосфере можно получить из времени прохождения, интенсивности и поляризации отраженных сигналов.

На сегодняшний день соответствующие измерения с помощью облачного радара и аэрозольного лидара проводились только на станции Мак-Мердо на другой стороне Антарктиды, в 3500 километрах, на границе с Тихим океаном. В отличие от Ноймайера III на шельфовом леднике, американская станция Мак-Мердо построена на скале. Исследователи также надеются, что измерения, проведенные на станции Ноймайер III над шельфовыми ледниками, дадут им новое представление о формировании облаков над обширными ледяными пространствами Антарктиды.

«Особенно приятно, что после COALA AWI теперь постоянно размещает аналогичные устройства дистанционного зондирования на станции Ноймайер III в сотрудничестве с TROPOS. Это внесет важный вклад в регистрацию короткоживущих климатических компонентов — аэрозолей и облаков в Антарктике», — говорит профессор Андреас Маке, директор TROPOS и руководитель отдела «Дистанционное зондирование атмосферных процессов».

В январе 2024 года контейнер OCEANET был разобран, доставлен на край шельфового ледника и погружен на судно снабжения. Устройства прибыли в Лейпциг в марте, проект DFG COALA был завершен, и исследователи подвели итоги.

«Все устройства выдержали и записали ценные данные. Мы особенно рады этому, потому что потребовались бы месяцы, чтобы прибыть на замену во время полярной ночи. Наш опыт экспедиции MOSAiC тремя годами ранее в Арктике был очень полезен. Тем не менее, было действительно сложно сделать устройства штормоустойчивыми и чистить их от снега почти каждый день», — сообщает Мартин Раденц.

Однако для Раденца и его команды усилия стоили того. Измерения дали три новых взгляда на Антарктику в условиях изменения климата:

Атмосфера чистая только вблизи поверхности

Измерения лидара дали представление о том, сколько частиц парит над этой частью Антарктиды и на каких высотах. Нижняя часть атмосферы (тропосфера) с нетронутыми условиями была в основном сравнительно чистой. Напротив, команда наблюдала неожиданно большое количество частиц между высотой около 9 км и 17 км (стратосфера).

«Оптические свойства аэрозоля, полученные с помощью лидара, однозначно указывают на сульфатный аэрозоль, который в основном вызван извержениями вулканов. Эти аэрозоли наблюдались в стратосфере с января 2023 года и, следовательно, скорее всего, связаны с извержением вулкана Хунга Тонга-Хунга Хаапай в январе 2022 года», — говорит Мартин Раденц.

«Тот факт, что вулканическая пыль может сохраняться в течение очень длительного времени над южным полярным регионом, удивил нас так же сильно, как и дым от лесных пожаров над северным полярным регионом, который мы смогли впервые наблюдать во время экспедиции MOSAiC в 2020 году», — сообщает Ронни Энгельманн.

Измерения лидара с земли особенно важны, поскольку вулканический аэрозоль над Антарктидой, по-видимому, ранее не наблюдался в достаточной степени из космоса. По крайней мере, аэрозоль не был обнаружен в стандартных продуктах спутникового лидара CALIOP НАСА.

Аэрозоль в стратосфере влияет на возникновение полярных стратосферных облаков (ПСО), в которых происходят сложные химические процессы и которые, как предполагается, способствуют образованию дыры в озоновом слое над полярными регионами.

Взаимодействие аэрозоля и облака в неглубоких облаках смешанной фазы

Хотя в верхних слоях атмосферы было обнаружено больше аэрозоля, чем ожидалось, нижние слои оказались примерно такими же чистыми, как и предполагалось. Непрерывные измерения позволили команде «наблюдать» за ростом облаков. Например, стабильное облако смешанной фазы, состоящее из ледяных кристаллов и капель воды, погруженных в слой морского аэрозоля, наблюдалось в течение 10 часов.

«Наши измерения подтверждают, что практически все частицы служат ядрами облаков, образуя либо облачные капли, либо ледяные кристаллы. Таким образом, рост облаков ограничивается количеством частиц. Если бы частиц было больше, например, из-за того, что в Антарктику поступает больше загрязненного воздуха, то в облаках было бы больше капель и ледяных кристаллов, что изменило бы их продолжительность жизни и привело бы к пока неизвестным последствиям для погоды и климата», — объясняет доктор Патрик Сейферт из TROPOS.

Необычные вторжения теплого воздуха

Теплый воздух из более низких широт может усилить изменение климата в Антарктиде. Поэтому было важно иметь возможность детально проанализировать два экстремальных вторжения теплого воздуха: одно с интенсивным снегопадом в апреле, принесшим 10% снега за весь год, и второе с рекордно высокими максимальными температурами и сильным обледенением земли из-за переохлажденной мороси в июле.

Во время этого теплого периода 6 июля 2023 года температура поднялась до -2,3 градуса по Цельсию. «Это самая высокая температура, зарегистрированная в июле на немецкой антарктической станции Ноймайер с момента начала непрерывных наблюдений в 1982 году. Это означает, что там никогда не было так тепло в разгар полярной ночи, в разгар антарктической зимы», — объясняет Мартин Раденц.

Эти необычно высокие температуры привели к переохлажденной мороси. На поверхности образовался слой прозрачного льда толщиной около 2 миллиметров поверх снега предыдущего дня.

«То, что часто происходит здесь, в Центральной Европе, зимой очень необычно для Антарктики во время темной полярной ночи. Обычно температура на станции Ноймайер III в июле ниже -30 градусов по Цельсию. Наши наблюдения за шельфовыми ледниками являются первыми в своем роде», — подчеркивает Раденц.

Прошло немного времени, прежде чем ценность измерений дистанционного зондирования была признана также Институтом Альфреда Вегенера, который управляет станцией Ноймайер. Развертывание OCEANET-Atmosphere было только началом долгосрочного временного ряда измерений профилей в этой части Антарктиды: в начале 2024 года Институт Альфреда Вегенера расширил возможности постоянного наблюдения с помощью лидара и радара, тем самым обеспечив продолжение уникального набора данных OCEANET.

«Таким образом, долгосрочная климатология параметров аэрозолей и облаков для станции Ноймайер будет постоянно расширена в вертикальном направлении», — объясняет доктор Хольгер Шмитхюзен из AWI.

Представление обзора полученных результатов в журнале BAMS демонстрирует потенциал годового набора данных для прояснения пока еще недостаточно изученных свойств облаков и аэрозолей над Антарктидой.

«Но статья BAMS дает только первый взгляд на основные моменты, полученные во время измерений. Подробная статистика и исследования процессов последуют на следующем этапе», — говорит Раденц. В течение следующих нескольких месяцев обширные данные из Антарктиды будут дополнительно проанализированы и сопоставлены с существующими наборами данных из южного Чили, Кипра, Германии и Арктики.

Исследователи надеются получить новые знания о том, почему облака на крайнем юге так сильно отличаются от облаков в северном полушарии. Для сравнения доступно множество наборов данных из ключевых регионов климатических исследований.

В рамках проекта DFG Transregio «Arctic Amplification» (AC3-TR) TROPOS с 2016 года совместно с Лейпцигским университетом изучает облака в Арктике. Кроме того, в последние годы в центре внимания оказались процессы в южном полушарии: в 2016/17 годах исследователи облаков из Лейпцига приняли участие в международном кругосветном плавании вокруг Антарктиды ACE. В 2018–2021 годах масштабные измерения проводились на юге Чили.

В настоящее время готовятся к проведению в 2025 и 2026 годах две крупные измерительные кампании в Новой Зеландии и вокруг нее: goSouth на южной оконечности Южного острова в сопровождении HALO-South с немецким исследовательским самолетом HALO и экспедиция вокруг Новой Зеландии с исследовательским судном Sonne — это ориентиры следующей серии экспериментов под руководством TROPOS.

«TROPOS собирается внести важный вклад в понимание процессов, связанных с аэрозолями, облаками и климатом, в чистом и морском южном полушарии», — заключает профессор Андреас Маке.

Дополнительная информация: Мартин Раденц и др., Наземное дистанционное зондирование аэрозолей, облаков, динамики и осадков в Антарктиде: первые результаты годовой кампании COALA на станции Ноймайер III в 2023 г., Бюллетень Американского метеорологического общества (2024 г.). DOI: 10.1175/BAMS-D-22-0285.1

Предоставлено Лейбниц-Институтом тропосферы e. В.

фото: Южное сияние над контейнером OCEANET на немецкой исследовательской станции Ноймайер III в Антарктиде. Автор: Мартин Раденц, TROPOS

источник: https://phys.org/news/2024-09-antarctic-exceptional-air-intrusions-omnipresent.html?utm_source=nwletter&utm_medium=email&utm_campaign=daily-nwletter