Uma equipe de cientistas atmosféricos de todo o país está descendo no Houston, Texas, área pelos próximos 14 meses para buscar respostas a uma pergunta incômoda:Faça pequenas partículas de fuligem, pó, fumaça, e outras partículas suspensas na atmosfera da Terra ajudam a determinar a gravidade das tempestades? O conhecimento adquirido pode tornar as previsões meteorológicas mais precisas e fornecer dados cruciais para melhorar as previsões sobre como os aerossóis podem afetar o clima futuro da Terra.

A implantação de Houston também fornecerá dados detalhados sobre a qualidade do ar local. Como um extenso estudo de campo em uma área metropolitana, dará aos cientistas uma oportunidade única de explorar os efeitos da indústria, emissões do veículo, e o ambiente construído com base no tempo e no clima.

"Queremos saber como os aerossóis, as partículas minúsculas nas quais a água se condensa para formar gotículas de nuvem, influenciam a física de nuvens convectivas profundas - o tipo que costuma acumular raios e chuvas torrenciais - e, em seguida, como essas mesmas condições climáticas afetam as características do aerossol local e a qualidade do ar urbano, "disse Michael Jensen, meteorologista do Laboratório Nacional de Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA (DOE) e investigador principal da campanha de campo do TRACER. TRACER é a abreviatura de TRacking Aerosol Convection Interaction Experection, um estudo que está sendo realizado pela instalação do usuário de Medição de Radiação Atmosférica (ARM) do DOE.

Trabalhando em estreita colaboração com pesquisadores da Universidade de Houston, Cientistas TRACER de Brookhaven, Laboratório Nacional de Los Alamos, e outras instituições irão coletar dados sobre aerossóis e características atmosféricas durante um ano inteiro. A equipe implantará um conjunto de instrumentos fornecidos e operados pela ARM em quatro locais fora da cidade. Durante um período de estudo intensivo de junho a setembro de 2022, parceiros adicionais da National Science Foundation, NASA, a Comissão de Qualidade Ambiental do Texas, e outras agências se juntarão à equipe para assistir ao pico da temporada de tempestades de verão de Houston.

Com um clima subtropical úmido, numerosas tempestades convectivas isoladas, e uma variedade de fontes de aerossol industriais e naturais, Houston é o lugar perfeito para estudar.

"Somos um ambiente costeiro, por isso é particularmente desafiador prever o tempo, "disse James Flynn, professor associado de pesquisa no Departamento de Ciências da Terra e Atmosféricas da Universidade de Houston na Faculdade de Ciências Naturais e Matemática. “Temos muitas tempestades; temos poluição e algumas fontes naturais de partículas finas”.

Exemplos incluem poeira, sal marinho, partículas emitidas por motores a diesel, fuligem de processos de combustão em usinas e refinarias, muito tráfego rodoviário urbano, e até fumaça de incêndios florestais na Califórnia e no Colorado.

Algumas pesquisas sugerem que tais aerossóis podem mudar o ciclo de vida das nuvens, atrasar o início da precipitação. Se isso acontecer, conforme as nuvens crescem, as gotas de água podem ficar maiores. "E quando eles caem, é uma máquina de lavar ravina, "Flynn disse.

Os dados do TRACER irão melhorar a compreensão desses processos - e nossa capacidade de prever quando os dilúvios ocorrerão.

Implantação ARM

Os instrumentos ARM, alojado em 10 contêineres móveis, são conhecidos coletivamente como "o primeiro ARM Mobile Facility, "ou AMF1. Muitos desses instrumentos, incluindo um Aerosol Observing System equipado no Brookhaven Lab, viajaram para locais ao redor do mundo, do Ártico aos trópicos para coletar dados atmosféricos.

"Esta é a primeira implantação da Instalação Móvel ARM em um ambiente costeiro urbano, "disse Sally McFarlane, Gerente de programa DOE para ARM. "O calor, o ar úmido do Golfo do México ajuda a impulsionar a formação de muitos isolados, tempestades moderadamente fortes - aquelas que provavelmente estão maduras para serem impactadas por aerossóis. Essas condições costeiras e a mistura de fontes de aerossol industriais e naturais de Houston tornam a área um laboratório ideal para estudar as interações aerossol-nuvem. "

Uma equipe ARM irá configurar os contêineres, cada um abrigando racks de instrumentos e aberturas de entrada, perto de Galveston Bay, uma área com muitas indústrias, refinarias, e transporte. Vários dos contêineres também hospedam radares sofisticados (que usam ondas de rádio) e lidares (que usam pulsos de luz laser) para medir a altura, profundidade, e quantidade de água nas nuvens - entre outras variáveis ​​importantes. Instrumentos meteorológicos adicionais irão operar em um campo de instrumentos adjacente. Coletivamente, essas ferramentas rastrearão as propriedades da nuvem; o tamanho, número, e composição química dos aerossóis; precipitação; e variáveis ​​como temperatura e umidade que afetam a estabilidade atmosférica.

Amostragem em toda a atmosfera

Ao longo do ano, a equipe ARM também lançará mais de mil balões meteorológicos com sensores adicionais alimentados por bateria, chamadas radiossondas, no alto. Os balões viajarão através e acima das nuvens, a uma altitude de até 17 quilômetros (quase 56, 000 pés) - frequentemente chegando à estratosfera - enviando dados adicionais sobre a temperatura, umidade, pressão, e volta para a estação de pesquisa abaixo.

Alguns instrumentos transportados por balões também medem a concentração de ozônio na profundidade da atmosfera.

"Usaremos essas medições de ozônio para aprender sobre a qualidade do ar e como as tempestades redistribuem o ar entre a superfície e no alto, "Flynn disse. O ozônio de superfície é gerado quando produtos químicos emitidos como parte do escapamento de automóveis e processos industriais reagem com a luz solar. quando as tempestades transportam o ar da superfície para cima através da atmosfera, o poluente pode servir como marcador para o TRACER.

Terra, mar, interações atmosféricas

Durante o período de estudo intensivo no próximo verão, cientistas do TRACER e agências parceiras também irão implantar equipamentos adicionais perto da cidade de Guy, Texas, sudoeste da cidade. Dois sistemas de balão amarrado, um no local em Guy e um em Smith Point, no lado leste da Baía de Galveston, levará instrumentos para medir ventos, pequenas partículas de aerossol, e ozônio nas camadas mais baixas da atmosfera. As medições na costa da Baía de Galveston fornecerão informações importantes sobre como a baía influencia a circulação atmosférica local.

Enquanto isso, os instrumentos em Guy coletarão dados em um local mais rural.

"Esperamos ver concentrações de aerossol mais baixas, portanto, este site servirá como um contraste com o site AMF1 e permitirá a comparação das características de nuvem e precipitação sob essas condições muito diferentes, "McFarlane disse.

Entre os dois principais locais de terra, um radar de precipitação de varredura ARM em Pearland rastreará as propriedades das nuvens.

"Este radar irá coletar dados sobre as propriedades da nuvem, incluindo a velocidade das correntes ascendentes verticais que afetam a velocidade de crescimento das nuvens, formar gelo, e produzir chuva e relâmpagos. Vai operar durante todo o período de estudo, "Jensen disse.

Então, durante o período de estudo intensivo, usando técnicas de observação únicas, o radar será capaz de observar detalhes mais sutis nas nuvens - incluindo o tamanho e a forma das gotículas de nuvem e se são gelo ou líquido. "Será capaz de observar a atmosfera de cada local, pois eles estão experimentando diferentes condições de aerossol, "Jensen disse.

O radar será acionado por software desenvolvido pelo cientista de Brookhaven Pavlos Kollias e programado usando inteligência artificial (IA) e conjuntos de dados existentes. "Este software permite que o radar selecione as tempestades que achamos que irão se desenvolver e mover sobre os locais, e, em seguida, amplie e escaneie em alta resolução para explorar detalhes de como os aerossóis estão impactando as gotas de precipitação lá, "Jensen disse.

Compartilhando e aplicando dados

Todos os dados coletados pela ARM estarão disponíveis gratuitamente para quem quiser analisá-los.

"Esperamos que as coisas que aprendemos aqui, os processos dentro da atividade convectiva, como a poluição afeta as tempestades, será aplicável em outras grandes áreas urbanas que têm muita convecção, "Flynn disse." Com muitos projetos, você está realmente chegando a um verdadeiro núcleo de ciência. As pessoas às vezes não sabem ao certo por que isso é importante. Este é um daqueles projetos muito aplicáveis ​​à vida cotidiana aqui em Houston. "

A pesquisa também será aplicável além da área de Houston. O programa de Pesquisa do Sistema Atmosférico (ASR) do DOE já se comprometeu a financiar 10 projetos TRACER liderados por pesquisadores universitários.

"Os objetivos científicos do TRACER estão alinhados com o foco da ASR na nuvem, aerossol, precipitação, e processos de radiação, "disse Jeff Stehr, um gerente de programa DOE para ASR. "Nuvens convectivas ocorrem em todo o mundo, mas ainda há muitas dúvidas sobre como eles são afetados por seu ambiente. O TRACER vai melhorar nossa compreensão de como essas nuvens se formam, crescer, e decadência dentro e ao redor de um ambiente urbano costeiro. O conjunto inicial de projetos financiados pelo ASR envolve equipes de pesquisa de todo o país, e irá adicionar medições, bem como modelagem à campanha TRACER. "

Os dados coletados pelo TRACER também serão úteis para compreender os processos relevantes para a formação dos furacões e sua duração.

E embora o tempo e o clima operem em escalas de tempo diferentes, ambos são sobre "a física da atmosfera da Terra, "Disse Jensen." Entender as tempestades é importante para entender o clima porque as tempestades redistribuem o calor e a umidade pela atmosfera. E essa redistribuição é afetada por processos de pequena escala na atmosfera, incluindo interações com aerossóis. É com isso que lutamos nos modelos de clima e tempo. "

"O TRACER preencherá alguns dos dados ausentes para nos ajudar a melhorar esses modelos."