Installation TRACER de l'installation mobile ARM à La Porte, Texas, en dehors de Houston. Crédit :ARM
Depuis des décennies, les scientifiques ont débattu de l'impact des particules d'origine humaine et environnementale dans l'atmosphère, appelés aérosols, par temps violent. Les études climatiques suggèrent que les aérosols peuvent aider à façonner et même à renforcer des éléments des tempêtes tels que les précipitations et la foudre.
Cependant, l'étude des aérosols dans l'atmosphère est difficile. Il en existe de nombreux types, et les particules sont petites. Leurs processus chimiques et physiques peuvent également être subtils ou de courte durée. Les scientifiques ont exprimé le besoin de données plus détaillées sur les aérosols. De nouvelles données sont notamment nécessaires pour améliorer la représentation des nuages et des tempêtes dans les modèles climatiques.
Pour fournir ces données importantes aux scientifiques, créateurs de politiques, et le public, le bureau des sciences du ministère de l'Énergie soutient une équipe de chercheurs qui balayent les nuages dans le ciel du Texas à haute résolution. En traçant ainsi les aérosols et les nuages, l'équipe espère mieux comprendre la relation entre les particules, des nuages, et les tempêtes.
L'observatoire atmosphérique mobile du DOE
Un nouveau projet appelé TRACER - Tracking Aerosol Convection Interactions Experiment - utilise un observatoire mobile DOE de l'installation utilisateur de mesure du rayonnement atmosphérique (ARM) pour enregistrer les microprocessus se produisant dans les nuages. L'expérience se déroule d'octobre 2021 à septembre 2022 dans la région de Houston.
L'observatoire ARM se compose d'abris portables équipés d'instruments et d'équipements de communication. Le site de l'observatoire peut sembler discret, mais c'est l'une des installations les plus avancées au monde pour la collecte de données atmosphériques.
Le programme de recherche biologique et environnementale (BER) de l'Office of Science gère plusieurs observatoires ARM en tant qu'installation d'utilisateurs multilaboratoires. Depuis plus de 30 ans, des campagnes de recherche ont amené ces stations mobiles aux frontières de la science du climat et de l'atmosphère, du pôle Sud au pôle Nord en passant par les tropiques. Les données recueillies lors de ces expéditions sur le terrain contribuent à améliorer les prévisions des modèles climatiques.
Faire progresser notre compréhension des aérosols
Les aérosols sont des particules d'origine humaine et naturelles qui se retrouvent dans l'atmosphère. Les aérosols d'origine humaine peuvent inclure des polluants émis par les automobiles ou les installations industrielles. Les aérosols naturels peuvent inclure du sel marin, poussière, fumée de feu de forêt, et d'autres particules de l'environnement, soit à proximité, soit transportés sur des centaines de kilomètres par le vent et la météo.
« L'une des questions majeures de la campagne TRACER est de savoir dans quelle mesure les aérosols atmosphériques peuvent rendre les tempêtes plus violentes, " a déclaré Shaima Nasiri, Responsable du programme de recherche sur le système atmosphérique BER.
Relier les points entre les petites particules et les tempêtes est un problème complexe. Heureusement, résoudre des problèmes multi-échelles comme celui-ci, couvrant la chimie fondamentale à la modélisation du climat mondial, est une spécialité de l'Office of Science.
TRACER est dirigé par Michael Jensen, chercheur principal du Laboratoire national de Brookhaven du DOE, avec de nombreux co-chercheurs dans d'autres laboratoires nationaux du DOE, l'Université de Houston, et scientifiques du monde entier. La campagne d'un an se concentrera sur les aérosols trouvés dans les nuages convectifs profonds, un type courant de nuage d'orage.
"Les nuages convectifs agissent comme les ascenseurs de l'atmosphère, " a déclaré Jensen. "Ils sont développés verticalement et ont tendance à transporter de la vapeur d'eau, Chauffer, élan, et des particules de la surface jusqu'à l'atmosphère.
Pour mieux observer les interactions entre les aérosols et les nuages dans le temps (de quelques minutes à plusieurs mois) et dans l'espace (de petites particules aux nuages orageux), l'équipe TRACER a ajouté de nouveaux outils à la suite de capteurs d'ARM, ballons météo, et radars.
De nouvelles techniques d'analyse et d'intelligence artificielle suivront automatiquement les nuages au fur et à mesure de leur développement. Puis, des systèmes radar spécialisés effectueront des mesures détaillées des nuages et des particules.
"Nous allons également collecter des aérosols en surface pour mesurer leur taille et leur nombre, " a déclaré Jensen.
Ces outils apporteront des techniques de précision du laboratoire aux observations de terrain.
Houston—Un laboratoire cloud réel
Si vous êtes un scientifique étudiant les aérosols dans les nuages convectifs, Houston est un bon endroit pour faire votre travail. Le climat subtropical de la région sur le golfe du Mexique connaît de fortes précipitations prévisibles, tempêtes, inondation, et même des ouragans. Des nuages convectifs survolent la ville la moitié de l'année et sont plus fréquents par temps humide, mois d'été.
Houston est également une ville prospère avec le transport maritime et l'industrie, et les aérosols qui vont avec. La zone métropolitaine se classe parmi les villes américaines pour la mauvaise qualité de l'air, y compris la pollution particulaire. Mais le paysage tentaculaire du Texas autour de la ville bénéficie d'un air plus pur, fournir un environnement de contrôle de type laboratoire pour la comparaison.
Houston est aussi une ville typiquement américaine. Environ 80 pour cent des Américains vivent dans des zones urbaines et environ 40 pour cent vivent sur la côte.
"La majorité des gens aux États-Unis vivent dans des villes comme Houston, " a déclaré Nasiri.
Alors que de nombreux observatoires mobiles ARM ont été déployés dans des environnements éloignés vulnérables au changement climatique, TRACER pourra servir de modèle pour les futures campagnes urbaines d'ARM.
"Je pense que la technologie a progressé au point que les scientifiques pensent qu'ils peuvent faire des progrès sur les questions urgentes des sciences de l'atmosphère liées aux impacts urbains, " a déclaré Nasiri.
Comme des villes comme Houston peuvent en témoigner, les impacts du changement climatique frappent plus près de chez nous que jamais. Des tempêtes dévastatrices peuvent entraîner des pertes de vie, pannes de courant dangereuses, et des dommages matériels coûteux.
"Il s'agit de notre première grande campagne de terrain urbain de ce genre, et aller de l'avant, nous sommes intéressés à étudier de plus près les émissions dans les villes, " a déclaré Jeff Stehr, Responsable du programme de recherche sur le système atmosphérique BER.
Des données à long terme pour les futures études climatiques
Accessible à tous, Les données TRACER seront une ressource importante pour les scientifiques et les communautés pour les années à venir. Bien que la campagne soit basée sur des questions scientifiques fondamentales sur les interactions des aérosols, le programme BER s'attend à ce que les données TRACER éclairent d'autres études. Les scientifiques peuvent utiliser les données dans des recherches allant de la science fondamentale sur la chimie des aérosols à la pollution, conditions météorologiques extrêmes, et le changement climatique et la résilience. Le programme lui-même financera la recherche scientifique fondamentale en utilisant les données TRACER une fois la campagne terminée.
"Nous avons également eu beaucoup d'intérêt de la part d'autres agences, avec une diversité de personnes participantes, " a déclaré Jensen. " L'équipe scientifique initiale comprenait 35 co-chercheurs, mais il est devenu un partenariat beaucoup plus large avec des collaborateurs interinstitutions et internationaux. »
Pour maximiser les données recueillies et mutualiser les résultats, d'autres agences scientifiques américaines, dont la NASA, NOAA, et la Fondation nationale des sciences, mèneront leurs propres expériences atmosphériques pendant la campagne TRACER. Organisations régionales, comme la Commission du Texas sur la qualité de l'environnement, collaborent également au projet.
Avec de nombreuses utilisations potentielles des données climatiques à haute résolution de TRACER, les résultats de la recherche pourraient aller au-delà de l'étude des interactions entre les aérosols et les nuages.
"Nous ne savons peut-être même pas quel sera le plus grand résultat de la campagne, " a déclaré Nasiri. " Le plus gros plat à emporter pourrait être quelque chose auquel nous ne pensons même pas. "