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Recopilación de nuevos datos sobre partículas atmosféricas para la predicción de tormentas y modelos climáticos

Recopilación de nuevos datos sobre partículas atmosféricas para la predicción de tormentas y modelos climáticos.
Instalación de TRACER de la instalación móvil ARM en La Porte, Texas, en las afueras de Houston. Crédito: ARM

Durante décadas, los científicos han debatido el impacto de las partículas ambientales y artificiales en la atmósfera, llamadas aerosoles, en el clima severo. Los estudios climáticos sugieren que los aerosoles pueden ayudar a dar forma e incluso fortalecer elementos de tormentas como lluvias y relámpagos.


por Katie Elyce Jones, Departamento de Energía de EE. UU.


Sin embargo, estudiar los aerosoles en la atmósfera es difícil. Hay muchos tipos y las partículas son pequeñas. Sus procesos químicos y físicos también pueden ser sutiles o de corta duración. Los científicos han expresado la necesidad de datos más detallados sobre aerosoles. Se necesitan especialmente nuevos datos para mejorar la representación de nubes y tormentas en los modelos climáticos .

Para proporcionar estos datos importantes a los científicos, los legisladores y el público, la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía está apoyando a un equipo de investigadores que están escaneando nubes en el cielo de Texas a alta resolución. Al rastrear aerosoles y nubes de esta manera, el equipo espera comprender mejor la relación entre las partículas, las nubes y las tormentas.

Observatorio atmosférico móvil del DOE

Un nuevo proyecto llamado TRACER — Experimento de seguimiento de interacciones de convección de aerosoles — está utilizando un observatorio móvil DOE de la instalación de usuario de Medición de Radiación Atmosférica (ARM) para registrar los microprocesos que ocurren en las nubes. El experimento se llevará a cabo desde octubre de 2021 hasta septiembre de 2022 en el área de Houston.

El observatorio ARM consta de refugios portátiles equipados con instrumentos y equipos de comunicaciones. El sitio del observatorio puede parecer poco llamativo, pero es una de las instalaciones más avanzadas del mundo para recopilar datos atmosféricos.

El programa de Investigación Biológica y Ambiental (BER) de la Oficina de Ciencias administra varios observatorios ARM como una instalación para usuarios de múltiples laboratorios. Durante más de 30 años, las campañas de investigación han llevado a estas estaciones móviles a las fronteras de la ciencia climática y atmosférica, desde el Polo Sur al Polo Norte hasta los trópicos. Los datos recopilados de estas expediciones de campo ayudan a mejorar las predicciones del modelo climático.

Avanzando en nuestra comprensión de los aerosoles

Los aerosoles son partículas naturales y creadas por el hombre que llegan a la atmósfera. Los aerosoles artificiales pueden incluir contaminantes emitidos por automóviles o plantas industriales. Los aerosoles naturales pueden incluir sal marina, polvo, humo de incendios forestales y otras partículas del medio ambiente, ya sea cerca o transportadas cientos de millas por el viento y el clima.

«Una de las principales preguntas de la campaña TRACER es hasta qué punto los aerosoles atmosféricos pueden hacer que las tormentas sean más severas», dijo Shaima Nasiri, gerente del programa de Investigación del Sistema Atmosférico de BER.

Conectar los puntos entre las partículas pequeñas y las tormentas es un problema complejo. Afortunadamente, la solución de problemas multiescala como este, que abarcan desde la química fundamental hasta el modelado del clima global, es una especialidad de la Oficina de Ciencias.

TRACER está dirigido por el investigador principal del Laboratorio Nacional Brookhaven del DOE, Michael Jensen, con muchos coinvestigadores en otros laboratorios nacionales del DOE, la Universidad de Houston y científicos de todo el mundo. La campaña de un año se centrará en los aerosoles que se encuentran en las nubes convectivas profundas, un tipo común de nube de tormenta.

«Las nubes convectivas actúan como elevadores de la atmósfera», dijo Jensen. «Están desarrollados verticalmente y tienden a transportar vapor de agua, calor, impulso y partículas desde la superficie hasta la atmósfera».

Para observar mejor las interacciones de aerosoles y nubes a lo largo del tiempo (minutos a meses) y el espacio (pequeñas partículas a nubes de tormenta), el equipo de TRACER agregó nuevas herramientas al conjunto de sensores, globos meteorológicos y radares de ARM.

Las nuevas técnicas de exploración e inteligencia artificial rastrearán automáticamente las nubes a medida que se desarrollan. Luego, los sistemas de radar especializados realizarán mediciones detalladas de nubes y partículas.

«También recolectaremos aerosoles en la superficie para medir su tamaño y número», dijo Jensen.

Estas herramientas brindarán técnicas de precisión desde el laboratorio hasta las observaciones de campo.

Houston: un laboratorio en la nube del mundo real

Si eres un científico que estudia aerosoles en nubes convectivas, Houston es un buen lugar para hacer tu trabajo. El clima subtropical de la región en el Golfo de México experimenta fuertes lluvias predecibles, tormentas, inundaciones e incluso huracanes. Las nubes convectivas se ciernen sobre la ciudad la mitad del año y son más frecuentes en los meses húmedos de verano.

Houston también es una ciudad próspera con el transporte y la industria, y los aerosoles que la acompañan. El área metropolitana ocupa un lugar destacado entre las ciudades de EE. UU. Por su mala calidad del aire, incluida la contaminación por partículas. Pero el extenso paisaje de Texas alrededor de la ciudad cuenta con un aire más claro, lo que proporciona un entorno de control similar a un laboratorio para comparar.

Houston es también una ciudad estadounidense típica. Alrededor del 80 por ciento de los estadounidenses vive en áreas urbanas y alrededor del 40 por ciento vive en la costa.

«La mayoría de la gente en Estados Unidos vive en ciudades como Houston», dijo Nasiri.

Si bien muchos observatorios móviles ARM se han implementado en entornos remotos vulnerables al cambio climático, TRACER puede servir como modelo para futuras campañas urbanas ARM.

«Creo que la tecnología ha avanzado hasta el punto de que los científicos sienten que pueden avanzar en las cuestiones urgentes de las ciencias atmosféricas relacionadas con los impactos urbanos», dijo Nasiri.

Como pueden atestiguar ciudades como Houston, los impactos del cambio climático golpean más cerca de casa que nunca. Las tormentas devastadoras pueden provocar la muerte, cortes de energía peligrosos y costosos daños a la propiedad.

«Esta es nuestra primera gran campaña de campo urbano de este tipo y, en el futuro, estamos interesados ​​en estudiar más de cerca las emisiones en las ciudades», dijo Jeff Stehr, gerente del programa de Investigación del Sistema Atmosférico de BER.

Datos de larga duración para futuros estudios climáticos

Los datos de TRACER, disponibles para que todos los utilicen, serán un recurso importante para los científicos y las comunidades en los próximos años. Aunque la campaña se basa en cuestiones científicas fundamentales sobre las interacciones de los aerosoles, el programa BER espera que los datos de TRACER sirvan de base a otros estudios. Los científicos pueden utilizar los datos en investigaciones que van desde la ciencia básica sobre la química de los aerosoles hasta la contaminación, el clima extremo y el cambio climático y la resiliencia. El programa en sí financiará la investigación científica básica utilizando datos de TRACER una vez que se complete la campaña.

«También hemos tenido mucho interés de otras agencias, con una diversidad de personas participando», dijo Jensen. «El equipo científico inicial incluía 35 coinvestigadores, pero ha crecido hasta convertirse en una asociación mucho mayor con colaboradores internacionales e interagenciales».

Para maximizar los datos recopilados y agrupar los resultados, otras agencias científicas de EE. UU., Incluidas la NASA, NOAA y la Fundación Nacional de Ciencias, llevarán a cabo sus propios experimentos atmosféricos durante la campaña TRACER. Las organizaciones regionales, como la Comisión de Calidad Ambiental de Texas, también están colaborando con el proyecto.

Con muchos usos potenciales para los datos climáticos de alta resolución de TRACER, los resultados de la investigación podrían ir más allá del estudio de las interacciones entre aerosoles y nubes.

«Es posible que ni siquiera sepamos cuál será el mayor resultado de la campaña», dijo Nasiri. «La mejor comida para llevar podría ser algo en lo que ni siquiera estamos pensando».