Pesquisadores da divisão de Ciência Ambiental da Argonne participaram de uma das maiores campanhas colaborativas de medição atmosférica na Antártica nas últimas décadas.

Em 13 de maio, 1887, o jornal Ciência publicou uma breve história da exploração da Antártica na qual descreve as realizações científicas até o momento e expressa a esperança de que uma nova exploração seja realizada em breve. O artigo deixa claro que, no final do século 19, os cientistas já entenderam a importância da geografia da região na meteorologia e na regulação das correntes oceânicas.

"... os fenômenos meteorológicos do hemisfério sul dependem daqueles da região Antártica, e nosso conhecimento da meteorologia da Terra será incompleto até que tais fenômenos da região polar sul sejam completamente estudados. "

Embora a esperança de uma maior exploração da Antártica tenha se concretizado, essa exploração vem aos trancos e barrancos, devido em parte ao enorme investimento em tempo e dinheiro necessários para o transporte, instalar e manter instrumentação delicada e um pequeno grupo de cientistas. O principal motivo, possivelmente, é o que a engenheira de pesquisa atmosférica Maria Cadeddu delicadamente se refere como as "condições proibitivas" da região.

É um lugar difícil.

Em 2015, Cadeddu e colegas do Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE) participaram de uma campanha colaborativa de medição atmosférica para entender o impacto de eventos regionais e de grande escala no aquecimento da Antártica. A equipe era composta por várias instituições acadêmicas e laboratórios nacionais, incluindo Argonne, Los Alamos e Brookhaven. A pesquisa se concentrou nas propriedades micro e macrofísicas das nuvens antárticas, como o tamanho médio das gotículas ou a quantidade total de líquido ou gelo contido em uma nuvem. O objetivo era determinar a quantidade de radiação que as nuvens vão transmitir com base em tais parâmetros.

Com base na Estação McMurdo e no Manto de Gelo da Antártica Ocidental (WAIS), a campanha fez parte do DOE Atmospheric Radiation Measurement (ARM) West Antarctic Radiation Experiment (AWARE), liderado pelo Investigador Principal Dan Lubin, do Scripps Institution of Oceanography. O estudo de um ano implantou o maior conjunto de instrumentação para medições atmosféricas terrestres da Antártica desde 1957, e detalhes desse estudo estão surgindo em uma série de revistas científicas, incluindo Nature Communications e o Journal of Geophysical Research:Atmospheres.

"A ideia era tentar descobrir como a dinâmica atmosférica, como massas de ar que vêm do mar, por exemplo, pode afetar as propriedades da nuvem e como as mudanças nas propriedades da nuvem afetam o equilíbrio de energia da região, "disse Cadeddu, que trabalha na divisão de Ciências Ambientais da Argonne. "E entender como as nuvens afetam um sistema pode ajudar nas projeções climáticas futuras."

A Antártica é uma região importante para modelos climáticos, ela notou, mas os modelos dependem de dados, quanto mais preciso, melhor. A data, Os modelos climáticos da Antártica têm sido menos precisos porque a ciência carece de observações quantitativas da região; as observações disponíveis vêm de satélites, que têm problemas em latitudes muito altas e baixas. Mas dado o tempo e a instrumentação fornecida pelo AWARE, pesquisadores começaram a preencher muitas peças que faltavam no quebra-cabeça climático geral da Antártica.

Em casa, onde as temperaturas são menos frias, Cadeddu faz parte da equipe de pesquisa de nuvem e radiação de Argonne, que inclui Virendra Ghate, um meteorologista de radar, e Donna Holdridge, o mentor ARM para os sistemas de rádio-sondagem. A equipe de pesquisa de nuvem e radiação contribuiu com sua experiência em equipamentos de sensoriamento remoto, incluindo LiDAR (detecção e alcance de luz) e dispositivos de radar, espectrômetros de ondas curtas e radiômetros de microondas para medir a radiação, e radiossondas (aparelhos com balão elevado que medem as condições atmosféricas superiores).

Como os sensores remotos transmitem dados brutos, os pesquisadores devem processar e interpretar as informações para obter medições diretas ou grandezas físicas. Por exemplo, sinais enviados de LiDAR e dispositivos de radar retornam como sinais espalhados que se correlacionam a mecanismos de alteração de nuvem, como a radiação.

"Esses sensores usam o conhecimento de como a radiação se propaga através de um meio, e também como as nuvens e as gotas de chuva interagem com a radiação. Quando examinamos esses sinais, podemos estimar propriedades específicas da nuvem, como o tamanho das partículas ou a quantidade de vapor, água líquida ou gelo que eles contêm, "explicou Cadeddu.

As fases da nuvem são relevantes para a propriedade radiativa, ou quanta radiação as nuvens transmitem, absorver ou espalhar. Os pesquisadores de Argonne usaram esta informação, em parte, para entender as diferenças entre as condições das nuvens no Ártico e na Antártica e seus efeitos no clima regional.

Entre as principais diferenças, A Antártica exibe muito menos poluição antropogênica do que o Ártico. Embora isso ofereça condições mais perfeitas para estudar as nuvens, os níveis mais baixos de poluição também afetam a quantidade de água líquida presente nas nuvens em temperaturas muito baixas.

Os modelos convertem todo o líquido em gelo quando as nuvens atingem temperaturas próximas de -20 graus C. Mas a equipe descobriu que a camada de líquido persiste em temperaturas tão baixas quanto -35 graus C nas nuvens acima de McMurdo. Mesmo pequenas quantidades de líquido podem ter um efeito de aquecimento na superfície do Ártico, então a equipe está tentando determinar quais efeitos relacionados ao clima essas nuvens saturadas por líquido podem ter no sul.

A campanha AWARE foi manchete em 2016, quando cientistas realizando medições ao longo da Divisão do Manto de Gelo da Antártica Ocidental capturaram um dos maiores eventos de derretimento de superfície já registrados. Tradicionalmente, eventos de derretimento da superfície do manto de gelo são atribuídos à água quente do oceano sob as plataformas de gelo costeiras, mas extensas observações mostraram fatores externos em ação, também. Os cientistas atribuem parte do derretimento a um forte evento El Niño combinado com as condições regionais, alguns dos quais relacionados com nuvens portadoras de líquido.

"As nuvens exercem uma influência importante no equilíbrio da energia que entra e sai na superfície, e essas nuvens opticamente finas de baixo nível podem ter um papel determinante em causar ou prolongar as condições de derretimento das camadas de gelo, "disse Cadeddu.

As características das nuvens podem não ter feito parte da consideração mais ampla dos "fenômenos meteorológicos do hemisfério sul" quando o Ciência artigo apareceu em 1887. Quaisquer que sejam os fatores, o autor deixou claro que a ciência do século 19 estava olhando para uma maior, imagem mais progressista que deixou espaço para o papel potencial das nuvens quando eles escreveram o seguinte:

"... A importância desses problemas nas questões práticas não pode ser superestimada. O marinheiro não pode prescindir do conhecimento das correntes, ventos, e elementos magnéticos, e dificilmente existe uma classe de pessoas que não será beneficiada pelo progresso da meteorologia. "

Os documentos de pesquisa usados ​​para este artigo incluem, "Macrofísica da nuvem antártica, fase termodinâmica, e propriedades de acoplamento de inversão atmosférica na Estação McMurdo. Parte I:Processamento de dados principais e climatologia, "e" Propriedades ópticas da nuvem sobre a Antártica Ocidental a partir de medições de espectrorradiômetro de ondas curtas durante o AWARE, " no Journal of Geophysical Research:Atmospheres , 22 de maio 2018, e 3 de setembro, 2018, respectivamente; e "extenso derretimento de verão de janeiro de 2016 na Antártica Ocidental favorecido pelo forte El Niño, " no Nature Communications , 15 de junho 2017