Os pesquisadores desenvolveram um sistema baseado em laser que pode ser usado para medições aerotransportadas de gases atmosféricos importantes com precisão e resolução sem precedentes. A capacidade de coletar esses dados ajudará os cientistas a entender melhor como esses gases atmosféricos afetam o clima e pode ajudar a melhorar as previsões das mudanças climáticas.

Na revista Optical Society Óptica Aplicada , pesquisadores do Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR) - centro nacional da Alemanha para a indústria aeroespacial, pesquisa de energia e transporte - descreve como seu instrumento lidar foi usado a bordo de uma aeronave para adquirir as primeiras medições simultâneas da estrutura vertical do vapor d'água e do ozônio na região da tropopausa da atmosfera. Os pesquisadores afirmam que o novo sistema pode até ser útil para monitorar gases atmosféricos vindos do espaço.

A tropopausa separa a camada superficial da troposfera onde ocorre o clima da estratosfera que contém a camada de ozônio que protege a vida na Terra da radiação prejudicial. Os cientistas querem estudar o vapor d'água e o ozônio na tropopausa porque a distribuição desses gases atmosféricos nesta camada desempenha um papel crucial no clima da Terra.

“A capacidade de detectar a estrutura vertical do vapor d'água e do ozônio é fundamental para a compreensão da troca desses gases atmosféricos entre a troposfera e a estratosfera, "disse Andreas Fix, que liderou a equipe de pesquisa. "Essas medições podem nos ajudar a identificar erros e incertezas nos modelos climáticos que ajudariam a melhorar as previsões do clima futuro, que é um dos desafios centrais para a nossa sociedade e economia. "

Obtendo uma perspectiva 3-D

Os gases atmosféricos podem ser avaliados com instrumentos lançados na atmosfera ou com dados adquiridos de satélites. Contudo, esses métodos não foram capazes de fornecer uma imagem completa da distribuição do gás atmosférico porque não têm o componente vertical ou não fornecem resolução alta o suficiente. Embora instrumentos transportados com balões - conhecidos como sondas de balão - possam fornecer perfis verticais altamente resolvidos, eles não oferecem resolução temporal detalhada e só podem ser usados ​​em locais selecionados.

Para resolver esses problemas, os pesquisadores desenvolveram um sistema lidar que usa luz laser para medir o ozônio e o vapor de água ao mesmo tempo. A abordagem deles, chamado lidar de absorção diferencial (DIAL), usa dois comprimentos de onda ultravioleta ligeiramente diferentes para medir cada gás. A radiação UV em um comprimento de onda é absorvida principalmente pelas moléculas de gás, enquanto a maior parte do outro comprimento de onda é refletida. Medir a proporção dos sinais UV que retornam da atmosfera permite o cálculo de um perfil de gás detalhado.

Os perfis de gás criados com o novo sistema lidar apresentam uma resolução vertical de cerca de 250 metros e uma resolução horizontal de cerca de 10 quilômetros abaixo da rota de voo da aeronave.

"Esta capacidade vertical é um avanço significativo no estudo dos processos de troca na tropopausa, "disse Fix." Ajuda a superar deficiências significativas na resolução da distribuição em escala fina que dificultou a compreensão dos processos responsáveis ​​pela troca na tropopausa. "

Atingindo a eficiência energética

Para realizar este método a bordo de um avião, os pesquisadores usaram um oscilador óptico paramétrico (OPO) altamente eficiente que desenvolveram anteriormente para converter a saída do laser para os comprimentos de onda UV necessários para medir o vapor de água e o ozônio. "A conversão precisa ser muito eficiente em termos de energia para gerar radiação UV com energia de pulso adequada e alta potência média da energia limitada disponível a bordo de uma aeronave, "explicou Fix.

Os testes do novo sistema lidar mostraram que sua precisão combinava bem com a das sondas de balão. Em 2017, os pesquisadores voaram com o novo sistema a bordo da missão de troca isentrópica impulsionada por ondas (WISE), que envolveu vários voos de longo alcance sobre o Atlântico Norte e o Norte da Europa. Eles descobriram que o instrumento funcionou muito bem, permaneceu estável durante o uso e pode medir distribuições características de ozônio e vapor de água na tropopausa.

Os pesquisadores planejam analisar os novos dados de componentes verticais adquiridos durante o WISE e integrá-los aos modelos climáticos. Eles esperam usar o instrumento para coletar dados e informações sobre o gás atmosférico a bordo de voos futuros.