Des chercheurs de la division Sciences de l'environnement d'Argonne ont participé à l'une des plus grandes campagnes collaboratives de mesures atmosphériques en Antarctique au cours des dernières décennies.

Le 13 mai, 1887, le journal Science a publié un bref historique de l'exploration de l'Antarctique dans lequel il a décrit les réalisations scientifiques à ce jour et a exprimé l'espoir qu'une nouvelle exploration serait bientôt entreprise. L'article montre que, à la fin du XIXe siècle, les scientifiques ont déjà compris l'importance de la géographie de la région sur la météorologie et la régulation des courants océaniques.

« … les phénomènes météorologiques de l'hémisphère sud dépendent de ceux de la région antarctique, et notre connaissance de la météorologie de la terre sera incomplète jusqu'à ce que de tels phénomènes de la région polaire sud soient étudiés à fond."

Alors que l'espoir de poursuivre l'exploration de l'Antarctique s'est concrétisé, une telle exploration s'est faite par à-coups, en partie à cause de l'énorme investissement en temps et en argent requis pour le transport, installer et entretenir une instrumentation délicate et une petite équipe de scientifiques. La raison principale, peut-être, C'est ce que l'ingénieur de recherche atmosphérique Maria Cadeddu appelle délicatement les « conditions prohibitives » de la région.

C'est un endroit difficile.

En 2015, Cadeddu et ses collègues du laboratoire national d'Argonne du département américain de l'Énergie (DOE) ont participé à une campagne collaborative de mesures atmosphériques pour comprendre l'impact des événements régionaux et à grande échelle sur le réchauffement de l'Antarctique. L'équipe était composée d'un certain nombre d'institutions universitaires et de laboratoires nationaux, dont Argonne, Los Alamos et Brookhaven. La recherche s'est concentrée sur les propriétés micro- et macro-physiques des nuages ​​antarctiques, comme la taille moyenne des gouttelettes ou la quantité totale de liquide ou de glace contenue dans un nuage. L'objectif était de déterminer la quantité de rayonnement que les nuages ​​transmettront en fonction de ces paramètres.

Basé à la station McMurdo et sur la calotte glaciaire de l'Antarctique occidental (WAIS), la campagne faisait partie du DOE Atmospheric Radiation Measurement (ARM) West Antarctic Radiation Experiment (AWARE), dirigé par le chercheur principal Dan Lubin de la Scripps Institution of Oceanography. L'étude d'un an a déployé le plus grand assemblage d'instruments pour les mesures atmosphériques antarctiques au sol depuis 1957, et les détails de cette étude apparaissent dans un certain nombre de revues scientifiques, y compris Nature Communications et le Journal of Geophysical Research:Atmospheres.

"L'idée était d'essayer de comprendre comment la dynamique atmosphérique, comme des masses d'air qui viennent de la mer, par exemple, peut affecter les propriétés des nuages ​​et comment les changements dans les propriétés des nuages ​​affectent le bilan énergétique de la région, " dit Cadeddu, qui travaille dans la division des sciences de l'environnement d'Argonne. "Et comprendre comment les nuages ​​affectent un système peut aider avec les futures projections climatiques."

L'Antarctique est une région importante pour les modèles climatiques, elle a noté, mais les modèles reposent sur des données, plus c'est précis, mieux c'est. À ce jour, Les modèles climatiques de l'Antarctique ont été moins que précis parce que la science manque d'observations quantitatives de la région; les observations disponibles proviennent de satellites, qui ont des problèmes dans les très hautes et basses latitudes. Mais vu le temps et l'instrumentation fournis par AWARE, les chercheurs ont commencé à combler de nombreuses pièces manquantes dans le puzzle climatique global de l'Antarctique.

À la maison, où les températures sont moins glaciales, Cadeddu fait partie de l'équipe de recherche sur les nuages ​​et les radiations d'Argonne qui comprend Virendra Ghate, un météorologue radar, et Donna Holdridge, le mentor ARM pour les systèmes de radio-sondage. L'équipe de recherche cloud et rayonnement a apporté son expertise en équipements de télédétection, y compris les appareils LiDAR (détection et télémétrie par la lumière) et radar, spectromètres à ondes courtes et radiomètres à micro-ondes pour mesurer le rayonnement, et les radiosondes (appareils montés en ballon qui mesurent les conditions atmosphériques supérieures).

Parce que les capteurs à distance transmettent des données brutes, les chercheurs doivent traiter et interpréter les informations pour obtenir des mesures directes ou des quantités physiques. Par exemple, les signaux envoyés par les appareils LiDAR et radar sont renvoyés sous forme de signaux diffusés qui sont corrélés à des mécanismes de modification des nuages ​​tels que le rayonnement.

"Ces capteurs utilisent la connaissance de la façon dont le rayonnement se propage à travers un milieu, ainsi que la façon dont les nuages ​​et les gouttes de pluie interagissent avec le rayonnement. Lorsque nous examinons ces signaux, nous pouvons estimer des propriétés spécifiques des nuages, telles que la taille des particules ou la quantité de vapeur, l'eau liquide ou la glace qu'ils contiennent, " expliqua Cadeddu.

Les phases nuageuses sont pertinentes pour la propriété radiative, ou combien de rayonnement les nuages ​​transmettent, absorber ou disperser. Les chercheurs d'Argonne ont utilisé ces informations, en partie, comprendre les différences entre les conditions nuageuses dans l'Arctique et l'Antarctique et leurs effets sur le climat régional.

Parmi les différences majeures, L'Antarctique présente beaucoup moins de pollution anthropique que l'Arctique. Bien que cela offre des conditions plus vierges pour l'étude des nuages, les niveaux de pollution plus faibles affectent également la quantité d'eau liquide présente dans les nuages ​​à très basse température.

Les modèles convertissent tout le liquide en glace lorsque les nuages ​​atteignent des températures proches de -20 degrés C. Mais l'équipe a découvert que la couche liquide persiste à des températures aussi basses que -35 degrés C dans les nuages ​​au-dessus de McMurdo. Même de petites quantités de liquide peuvent avoir un effet de réchauffement sur la surface de l'Arctique, L'équipe essaie donc de déterminer les effets liés au climat que ces nuages ​​saturés de liquide pourraient avoir dans le sud.

La campagne AWARE a défrayé la chronique en 2016, lorsque des scientifiques effectuant des mesures le long de la division de la calotte glaciaire de l'Antarctique occidental ont capturé l'un des événements de fonte de surface les plus importants jamais enregistrés. Traditionnellement, les événements de fonte de surface sur la calotte glaciaire sont attribués à l'eau chaude de l'océan sous les plateaux de glace côtiers, mais des observations approfondies ont montré des facteurs externes à l'œuvre, également. Les scientifiques attribuent une partie de la fonte à un fort événement El Niño combiné à des conditions régionales, dont certains étaient liés à des nuages ​​contenant du liquide.

"Les nuages ​​exercent une influence importante sur l'équilibre de l'énergie entrante et sortante à la surface, et ces nuages ​​optiquement minces de basse altitude peuvent jouer un rôle déterminant dans l'apparition ou la prolongation des conditions de fonte au-dessus des calottes glaciaires, " dit Cadeddu.

Les caractéristiques des nuages ​​n'ont peut-être pas fait partie de la considération plus large des « phénomènes météorologiques de l'hémisphère sud » lorsque le Science article paru en 1887. Quels que soient les facteurs, l'auteur a clairement indiqué que la science du XIXe siècle envisageait un image plus avant-gardiste qui laissait place au rôle potentiel des nuages ​​lorsqu'ils écrivaient ce qui suit :

" … L'importance de ces problèmes sur des questions pratiques ne peut être surestimée. Le marin ne peut pas se passer de la connaissance des courants, les vents, et éléments magnétiques, et il n'y a guère de classe de personnes qui ne profitera pas des progrès de la météorologie."

Les documents de recherche utilisés pour cet article comprennent, « Nuage antarctique macrophysique, phase thermodynamique, et les propriétés de couplage d'inversion atmosphérique à la station McMurdo. Partie I :Principales données informatiques et climatologie, " et " Propriétés optiques des nuages ​​au-dessus de l'Antarctique occidental à partir des mesures du spectroradiomètre à ondes courtes pendant AWARE, " dans le Journal of Geophysical Research :Atmosphères , 22 mai 2018, et le 3 septembre 2018, respectivement; et « Janvier 2016 fonte estivale importante dans l'ouest de l'Antarctique favorisée par un fort El Niño, " dans Communication Nature , 15 juin 2017.