A aeronave de pesquisa alemã HALO explorará o hemisfério sul como parte do projeto SouthTRAC (Transporte e Composição do Hemisfério Sul UTLS) em setembro e novembro de 2019. Dados do hemisfério sul são cruciais para a compreensão de como as mudanças climáticas estão influenciando a atmosfera global fluxos. Contudo, quase nenhuma medição foi feita no hemisfério sul em altitudes de 10 a 15 quilômetros. O projeto SouthTRAC visa preencher essas lacunas em nosso entendimento.

Os principais objetivos da primeira fase desta campanha são investigar a destruição da camada de ozônio na Antártica na primavera, o chamado buraco de ozônio, e avaliar a importância das ondas gravitacionais sobre o extremo sul das Américas e a Antártica para a circulação na estratosfera. A estratosfera contém a camada de ozônio e é a camada atmosférica em altitudes acima de 12 quilômetros. Na segunda fase da campanha, que ocorre em novembro, o principal foco científico será a investigação de como as massas de ar são trocadas e misturadas entre a estratosfera e a troposfera, particularmente nas regiões subtropicais.

Durante os voos de transferência entre a Europa e a América do Sul, cientistas vão explorar, entre outros tópicos, o efeito da atual queima de biomassa na floresta amazônica na composição atmosférica e no clima. Cientistas da Johannes Gutenberg University Mainz (JGU) e da Goethe University Frankfurt, junto com Forschungszentrum Jülich, o Centro Aeroespacial Alemão (DLR), e o Instituto de Tecnologia de Karlsruhe (KIT), coordenará os voos extensivos de pesquisa. Para este projeto, as universidades de Mainz e Frankfurt estão colaborando como parte da aliança Rhine-Main Universities (RMU).

Focando no impacto dos gases de efeito estufa nas mudanças climáticas

Gases residuais como dióxido de carbono e vapor de água são potentes gases de efeito estufa e desempenham um papel importante nas mudanças climáticas. Isso também inclui o ozônio estratosférico, que atua como um gás de efeito estufa. Desde o final da década de 1980, o Protocolo de Montreal proibiu o uso de clorofluorcarbonos (CFCs), que destroem severamente a camada de ozônio. Contudo, levará muitas décadas para que a camada de ozônio se recupere. Ao mesmo tempo, a mudança climática está afetando o conteúdo de vapor d'água da atmosfera. Os cientistas da campanha SouthTRAC estão examinando em detalhes a importância disso para a composição química do ar no hemisfério sul e para a mudança climática global.

Uma região de depleção de ozônio particularmente severa está se acumulando ano a ano na Antártica. As condições atmosféricas que mais contribuem para a destruição do ozônio na Antártica são as baixas temperaturas e a redução das trocas de massa de ar entre as latitudes médias e altas da estratosfera. Os últimos são ativados por um vórtice estável, o chamado vórtice polar antártico.

Os grupos de pesquisa estão interessados ​​na própria destruição do ozônio polar, e na questão de como as massas de ar do vórtice afetam a composição da região em altitudes de 10 a 15 quilômetros. Esta região também é de particular importância para o clima ao nível do solo. O vapor de água e o ozônio desempenham papéis importantes aqui, já que sua distribuição influencia diretamente o balanço energético da atmosfera. Além dos efeitos da química do ozônio polar, As emissões de incêndios florestais na Amazônia e na África Central interferem nos processos químicos do solo que determinam a produção e destruição de ozônio e outras substâncias.

Os cientistas analisarão os efeitos químicos e dinâmicos que afetam a distribuição e a mistura de substâncias que afetam a química atmosférica e, em última instância, o clima da Terra. Esta pesquisa se concentrará principalmente na influência das depressões troposféricas, circulação estratosférica, e o vórtice polar. O papel relativo de todos esses fenômenos na região entre 10 e 15 quilômetros de altitude difere significativamente entre o hemisfério sul e norte.

JGU tem papel de liderança no SouthTRAC

Cientistas do grupo do professor Peter Hoor no Instituto JGU de Física Atmosférica fazem parte do grupo de direção do projeto, realizando medições de monóxido de carbono e dióxido de carbono, entre outras espécies. Essas espécies indicam potencialmente o efeito de processos de combustão em altitudes de até 15 quilômetros, mesmo no caso de incêndios a vários milhares de quilômetros de distância. Além disso, essas medições serão usadas para investigar as escalas de tempo dos processos dinâmicos que determinam a distribuição das massas de ar e afetam as espécies relevantes para o clima, o ozônio e o vapor de água. Este projeto será realizado em conjunto com a Goethe University Frankfurt, apoiado por ambas as universidades como parte da Iniciativa de Financiamento para Pesquisa das Universidades Rhine-Main (RMU).

Um dos principais cientistas é o Dr. Heiko Bozem, que também fez o longo vôo de transferência de Oberpfaffenhofen para Tierra del Fuego. Na segunda fase, O Dr. Daniel Kunkel preparará planos de voo com base nas previsões meteorológicas atuais e também servirá a bordo da HALO como cientista da missão.

Modelos de previsão meteorológica e química serão usados ​​para fornecer informações sobre o clima local, bem como as condições atmosféricas e distribuição de gases traço, que são necessários para um planejamento de voo preciso. As previsões químicas estarão disponíveis no local, usando o Modelo Químico Lagrangeano da Estratosfera (CLaMS) desenvolvido em Forschungszentrum Jülich. As previsões meteorológicas baseiam-se principalmente em previsões meteorológicas numéricas do Centro Europeu de Previsões Meteorológicas de Médio Prazo (ECMWF), mas também são fornecidos pelo alemão, Escritórios meteorológicos britânicos e argentinos. As medições de composição atmosférica de longo alcance da HALO serão complementadas por atividades de medição baseadas no solo. As medições serão feitas por radiossondas e a bordo de um dos planadores que operam fora da cidade de El Calafate.

Tropopausa e gases de efeito estufa

A tropopausa é o limite entre a troposfera com atividade climática e a estratosfera acima. Em latitudes médias, a tropopausa tem uma altitude média de longo prazo de 8 a 12 quilômetros; nos trópicos, sua altura pode chegar a 18 quilômetros de altitude. As concentrações de gases de efeito estufa, como vapor d'água e ozônio, mudam fortemente nesta altitude.

Enquanto o vapor d'água diminui fortemente com a altitude, o ozônio mostra um forte aumento formando a camada de ozônio. A extensão dessa respectiva diminuição e aumento da concentração na região da tropopausa, em última análise, influencia a temperatura no solo, devido à absorção da radiação solar e terrestre. Com base em medições de satélite, os pesquisadores presumem que a distribuição dos gases de efeito estufa na tropopausa difere entre os hemisférios norte e sul. O SouthTRAC agora está investigando essa disparidade de maneira adequada pela primeira vez.

Oceanos, montanhas, e ondas de gravidade

O vórtice polar é formado no inverno, quando não há luz solar disponível para aquecer as massas de ar sobre a Antártica. Como eles esfriam, essas massas de ar começam a afundar, o que, por sua vez, faz com que as massas de ar de latitudes mais baixas fluam em direção ao pólo. Sob a influência da rotação da Terra, essas massas de ar começam a girar em torno do pólo em velocidades de vento muito altas para formar o vórtice polar, que abrange todo o continente da Antártica na estratosfera. É no interior isolado desse sistema de vórtices que ocorrem as reações químicas que dão origem ao chamado buraco na camada de ozônio no hemisfério sul durante a primavera. A posição deste vórtice pode ser perturbada por ondas gravitacionais.

As ondas gravitacionais se manifestam como flutuações periódicas de temperatura, pressão, e vento que se propagam a altitudes de até 90 quilômetros na atmosfera média, que é composta pela estratosfera e pela mesosfera. Eles ficam entusiasmados quando sistemas de vento forte encontram altas cadeias de montanhas. Com vastas montanhas correndo de norte a sul e apresentando um grande obstáculo aos ventos muito fortes nessas latitudes, o extremo sul da América do Sul e a península Antártica são locais ideais para estudar o ciclo de vida dessas ondas e sua influência nas mudanças climáticas no hemisfério sul.

Turnos noturnos para pesquisa

Para analisar as propriedades das ondas gravitacionais, os pesquisadores instalaram um laser a bordo da aeronave. Para evitar que as medições do laser sejam perturbadas, os voos acontecem apenas à noite. "Os muitos voos noturnos representam um grande desafio para os cientistas, "disse o Dr. Heiko Bozem." Nosso turno em Rio Grande começa às 18 horas. para que os voos ocorram no escuro. "Anteriormente, a aeronave HALO viajou para o local do projeto em três etapas, de Oberpfaffenhofen perto de Munique passando pelas Ilhas de Cabo Verde até Buenos Aires e depois para a Terra do Fogo.