Un Hippo Lleva A Los Cielos A Degustar La Atmósfera De La Tierra

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El proyecto hippo de 5 fases (hiaper pole-to-pole observation) generó el primer mapeo detallado, tanto vertical como a través de latitudes, de la distribución mundial de gases de efecto invernadero, carbono negro y especies químicas relacionadas en la atmósfera.

Este artículo de Detrás de las escenas se proporcionó a WordsSideKick.com en colaboración con la National Science Foundation.

Una vez que los acuerdos internacionales lo exijan, la reducción efectiva y exigible de gases de efecto invernadero requerirá información detallada sobre los flujos y transportes de estos y otros componentes atmosféricos.

Los investigadores saben que las concentraciones de aerosoles como el carbono negro y gases como el dióxido de carbono, el vapor de agua, el ozono y el óxido nitroso varían en todo el mundo y según la temporada. Hasta hace poco, no existía una imagen detallada de las concentraciones y la comprensión de la dinámica de estos componentes atmosféricos.

Investigadores de todo el mundo lanzaron el proyecto HIPPO de 5 fases (HIAPER Pole-to-Pole Observation) para proporcionar esta perspectiva; habiendo generado el primer mapeo detallado, tanto vertical como a través de latitudes, de la distribución global de gases de efecto invernadero, carbono negro y especies químicas relacionadas en la atmósfera.

"Con HIPPO, ahora tenemos porciones completas de la atmósfera global que, en muchos casos, parecen diferentes de lo que esperábamos", dijo Steven Wofsy, investigador principal de HIPPO y científico atmosférico en la Universidad de Harvard.

Lo que HIPPO nos dirá

Los científicos esperan que esta vista detallada les permita aproximarse de manera más realista a la distribución química de la atmósfera global y mejorar la comprensión de cómo interactúan la tierra, el océano y la atmósfera. Además de alimentar la comprensión científica básica, HIPPO proporcionará una fuente vital de datos útiles para informar la política relacionada con el clima y el cambio climático. Los niveles de dióxido de carbono, las fuentes (áreas donde se libera más carbono a la atmósfera de la que se absorbe) y los sumideros (donde la captación de carbono es mayor que la liberación) son un foco importante para los científicos de HIPPO.

"Al rastrear el intercambio de dióxido de carbono, estamos particularmente interesados ​​en los bosques tropicales, los bosques del norte y el océano alrededor de la Antártida", dijo Britton Stephens, un científico atmosférico del Centro Nacional de Investigación Atmosférica y co-investigador de HIPPO. "HIPPO proporciona una perspectiva tan amplia, que nos brinda la oportunidad de ver las diferentes influencias regionales en la distribución de dióxido de carbono en gran parte del mundo".

HIPPO, con el apoyo de la National Science Foundation, la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica, la NASA y varias universidades, recopila mediciones detalladas y de alta precisión de los componentes de la atmósfera. Después de lanzar su prueba de concepto en la primavera de 2008, la primera serie de vuelos globales comenzó en enero de 2009 y los vuelos posteriores se realizaron dos veces en 2010 y dos veces en 2011.

El avión HIPPO, un Gulfstream V voló a los investigadores e instrumentos de precisión que miden aproximadamente 150 gases y constituyentes atmosféricos, de casi polo a polo a través del Océano Pacífico, volando a altitudes que varían entre 500 y 47,000 pies sobre el nivel del mar, dependiendo del objetivo diario del proyecto. La primera campaña, típica de las que siguieron, comenzó en Boulder, Colorado, exploró el aire sobre el Ártico, el móvil laboratorio que se dirigía a Christchurch, Nueva Zelanda, antes de volar sobre el Océano Austral, con escalas posteriores en Tahití, Isla de Pascua. y centroamerica.

La gran exhalación: dióxido de carbono.

Con la última de las cinco misiones completadas recientemente, Stephens llama la atención sobre lo que él llama la "exhalación" del hemisferio norte. El diseño experimental de HIPPO requería la recopilación de datos estacionales para obtener una perspectiva completa durante todo el año sobre los procesos atmosféricos globales. En las primeras tres misiones, ocurridas durante el otoño, el invierno y el comienzo de la primavera en el hemisferio norte, los científicos notaron cambios significativos en el dióxido de carbono (CO).2) Distribución y concentraciones.

"Al alinear la misma porción de atmósfera en orden estacional en el transcurso de las primeras tres misiones, es posible ver una acumulación de concentraciones de dióxido de carbono en la atmósfera durante el otoño, el invierno y la primavera", dijo Stephens. "Una piscina gigante de CO2 crece en el hemisferio norte a medida que la fotosíntesis disminuye y como CO de combustibles fósiles2 Las emisiones y la respiración de plantas y suelos continúan ".

En particular, en las regiones más septentrionales del Ártico, los investigadores encontraron un rápido llenado de la atmósfera con CO2 en altitudes elevadas durante el invierno y la primavera, probablemente movido por la cinta transportadora cálida, que desafía las percepciones existentes de los procesos atmosféricos.

Las dos últimas misiones de la HIPPO ayudaron a proporcionar una visión más clara de la perspectiva general de la dinámica de dióxido de carbono durante toda la temporada. La cuarta misión ocurrió en junio y julio de 2011 y la quinta durante agosto y septiembre; Durante estos periodos, hemisferio norte CO.2 las concentraciones estuvieron en su nivel más bajo a medida que el crecimiento de la vegetación y los procesos fotosintéticos alcanzaron su punto máximo. Como se esperaba, a lo largo de este período los investigadores vieron una inhalación masiva de CO2 a través del hemisferio norte, a medida que las plantas en crecimiento respiraban el CO2.

Medición de CO2En la variedad de altitudes y latitudes, los científicos tienen restricciones mucho más estrictas, y por lo tanto una mayor comprensión, sobre la cantidad total de CO2liberación (o captación) por el hemisferio.Las estimaciones más antiguas del intercambio hemisférico, que se basaron en la información recolectada en la superficie, se desvanecieron en aproximadamente un 30 por ciento, dijo Stephens: "Mirar hacia arriba a través de la capa límite utilizando modelos imperfectos de transporte atmosférico ha sido como mirar a través de gafas de niebla - finalmente, HIPPO nos da una visión clara ".

Otros componentes atmosféricos importantes: carbono negro y óxido nitroso.

Otras mediciones están generando entusiasmo de las tres campañas completadas, dijo Wofsy. Las observaciones de HIPPO muestran una distribución más amplia y uniforme de carbono negro de lo previsto, con abundancias mayores a las esperadas en latitudes altas en el hemisferio norte.

Adicionalmente, concentraciones de óxido nitroso (N2O), el tercer gas de efecto invernadero antropogénico más importante de larga duración (los otros dos son CO2 y metano), son más altos de lo esperado en la troposfera media y superior que en la superficie; sin la capacidad de instrumentación y medición de HIPPO, los científicos no podrían haberlo sabido. Los detalles sobre algunos de los hallazgos inesperados e impredecibles relacionados con estos componentes atmosféricos se describen a continuación.

Carbono negro

Estos datos de emisiones de quema de biomasa de marzo a abril de 2010 muestran incendios ocurridos en el sudeste asiático. Las emisiones de carbono negro de estos incendios se pueden transportar largas distancias hacia el este a través del Pacífico

Estos datos de emisiones de quema de biomasa de marzo a abril de 2010 muestran incendios ocurridos en el sudeste asiático. Las emisiones de carbono negro de estos incendios se pueden transportar largas distancias hacia el este a través del Pacífico

Crédito: Animaciones cortesía de R. Bradley Pierce, NOAA / NESDIS / STAR

El carbono negro afecta al clima, y ​​lo hace tanto directamente (absorbiendo la radiación solar) como indirectamente (formando nubes que reflejarán o absorberán la radiación, dependiendo de sus características y ubicación). El carbono negro depositado en la nieve o el hielo también mejora el derretimiento de la superficie de la Tierra para absorber más luz solar. Estos aerosoles oscuros tienen una variedad de fuentes, provenientes del combustible diesel o la combustión del carbón, la quema de plantas en incendios forestales y diversos procesos industriales.

La mayoría del carbono negro permanece en la atmósfera solo por días o semanas, pero aún puede tener un impacto dramático en el calentamiento global. Las mediciones de carbono negro polo a polo de HIPPO pueden ayudar a los responsables de las políticas a desarrollar estrategias para reducir el impacto del cambio climático.

Entre otras cosas, las mediciones de HIPPO han proporcionado nuevos conocimientos sobre el ciclo de vida de una partícula de carbono negro a medida que viaja desde la fuente (emisión) hasta el hundimiento (remoción) en la atmósfera. Utilizadas junto con los modelos globales de aerosoles, las mediciones de carbono negro de HIPPO capturadas en diferentes estaciones pueden usarse para refinar nuestro conocimiento de cómo los aerosoles de carbono negro afectan el clima, dijo Ryan Spackman, químico atmosférico del Laboratorio de Investigación del Sistema Terrestre de NOAA.

Antes de HIPPO, se llevó a cabo un número limitado de mediciones aéreas de carbono negro. De los estudios disponibles, todos carecen de la combinación de detalles verticales y latitudinales de HIPPO. Dado que los modelos globales de aerosol varían ampliamente en las concentraciones de carbono negro proyectadas, los datos de HIPPO serán invaluables para muchos aspectos de la investigación climática. Debido a que la mayoría de las emisiones de carbono negro ocurren en la superficie, normalmente la cantidad de carbono negro en la atmósfera disminuye con la altitud. Sin embargo, este no es el caso en el hemisferio sur, que tiene menos fuentes de contaminación que el hemisferio norte.

"En nuestros primeros vuelos cerca del Polo Sur, vimos que la cantidad de carbono negro en la atmósfera aumentaba con la altitud", dijo Joshua Schwarz, un físico que trabaja en el Laboratorio de Investigación del Sistema de la Tierra de NOAA. "Esto indica que el carbono negro se transportó a la región desde muy lejos, con lluvias en altitudes más bajas. Esta conclusión ofrece información sobre la interacción de los mecanismos de transporte y eliminación que pueden ayudar en la validación de los resultados del modelo global".

HIPPO cubre una amplia gama de latitudes en poco tiempo, lo que reduce la probabilidad de que los científicos pierdan el transporte de carbono negro a través del Pacífico. Esta perspectiva les ayudó a desentrañar los matices de la dinámica de transporte de los procesos de eliminación, lo que fortaleció el impacto de sus resultados.

En la primera misión HIPPO, que tuvo lugar durante el invierno en el hemisferio norte, el equipo de carbono negro analizó las distribuciones polo a polo del carbono negro, en el proceso de aprendizaje de que los modelos globales de aerosol a menudo sobreestiman el carbono negro en la atmósfera. "Para el carbono negro, estas observaciones nos han ayudado a separar más fácilmente los impactos de los errores en la eliminación de modelos y los errores en el transporte y las emisiones de modelos", dijo Schwarz.

Durante la segunda y tercera misiones HIPPO, que tuvieron lugar en el otoño y la primavera en el hemisferio norte, los científicos observaron eventos de contaminación de carbono negro a gran escala asociados con el transporte intercontinental de grandes cantidades de contaminación desde Asia. Los investigadores observaron una elevada contaminación en casi todas las altitudes en el Ártico, pero especialmente en altitudes más altas, donde se podría esperar que el aire sea relativamente claro y limpio. Los científicos descubrieron que los contaminantes se pueden transportar fácilmente al Ártico como láminas delgadas de aire en casi cualquier estación.

Otra sorpresa para los científicos fue la estacionalidad de las columnas de contaminación negra cargada de carbono en las latitudes medias (entre Hawai y Alaska). Durante la primavera, los científicos identificaron las contribuciones a la contaminación de dos fuentes predominantes: la contaminación producida por el hombre en Asia y la quema de biomasa en el sudeste asiático.

"Las cargas de masa de carbono negro en las plumas de contaminación en el remoto Pacífico fueron comparables con lo que hemos observado en las grandes ciudades de Estados Unidos", dijo Spackman."Aún más sorprendente, descubrimos que esta contaminación se extendió por toda la profundidad de la troposfera, desde cerca de la superficie del océano hasta 28,000 pies".

Óxido nitroso

En cada vuelo HIPPO los científicos con frecuencia vieron niveles más altos de N2O en altitudes más altas que en la superficie. No solo es N2O un potente gas de efecto invernadero, puede ser la sustancia estratosférica más importante que agota el ozono en la atmósfera. En consecuencia, más que simplemente ser científicamente intrigante, una mejor comprensión de dónde se encuentra y en qué concentraciones es información importante tanto para los científicos como para quienes toman las decisiones.

Primaria N2O las emisiones provienen de los suelos y del océano; un gran componente generado por el hombre se origina como resultado del uso de fertilizantes para la agricultura. Estas emisiones antropogénicas son una fuente relativamente nueva, y han aumentado desde mediados del siglo XIX, desde 260 partes por billón (ppb) hasta 320 ppb, dijo Eric Kort, quien recientemente completó su Ph.D. con Wofsy en Harvard. Si bien no es el único conductor de la N2Investigación relacionada con O sobre HIPPO, el rápido aumento de N generado por el hombre2Las concentraciones de O en la atmósfera añaden urgencia a la N2Oh investigacion

Para sorpresa de los investigadores de HIPPO, a menudo encontraron concentraciones elevadas de N2O alto en la atmósfera, incluso en áreas donde los monitores terrestres no indicaron la presencia del gas en la superficie. Los niveles más altos de lo esperado de N2O a altitud indica más dinámicas en el trabajo de lo que se apreciaba anteriormente, explica Kort.

Algunos análisis muestran que la actividad convectiva a gran escala (es decir, las tormentas) y una gran cantidad de lluvia, que podría resultar en un aumento de la actividad microbiana, podrían tener una mano para lograr esta realidad. Hechas de convección N2O arriba hacia la atmósfera, donde el viento lo atrapa, empujando el gas hacia arriba y mezclándolo en altitudes más altas.

"Un montón de N2O se desvía de las regiones tropicales ", dijo Kort." Los sensores de HIPPO muestran un aumento de las emisiones en los trópicos, pero no sabemos si esto ocurre de manera natural, proveniente de fuentes de suelo tropical, o si otros procesos o perturbaciones, como un mayor uso de Los fertilizantes contra el viento de los bosques, causa esto ".

Nuevamente, al carecer de observaciones directas, los modelos de estas dinámicas históricamente han jugado un papel importante en obtener mejores predicciones de la probabilidad de N2O comportamiento Mientras que algunos modelos anticiparon con precisión la N cerca de la superficie2O abundancias, ninguno predijo los niveles elevados persistentes observados a la altura en los trópicos.

Lograr mejores resultados de modelado será particularmente importante en el caso de la N atmosférica.2O, que ha aumentado año tras año a una tasa cercana a 1 parte por billón. A medida que la sociedad avance hacia el uso y la producción de biocombustibles, el uso de fertilizantes probablemente aumentará, lo que, a su vez, amplificará la N2O emisiones. En algún momento, N2O podría compensar los beneficios del CO2 reducción. Debido a esto, y debido a su importancia como gas de efecto invernadero, los científicos y los responsables de la formulación de políticas desean tener una buena conciencia sobre el transporte, los flujos y los procesos de eliminación que afectan a la N2O.

"Las emisiones de óxido nitroso son ciertamente algo de lo que tenemos que preocuparnos en términos de futuros tratados regulatorios internacionales, debido a que tales emisiones no de CO2 Las emisiones serán importantes. Actualmente, nuestro conocimiento de estas emisiones es mucho más limitado que en el caso del CO2", dijo Kort.

Mejora de modelos globales.

Emparejamiento observado y modelado N2O los datos para predecir mejor el comportamiento de los constituyentes atmosféricos son una razón importante por la que existe HIPPO. La complejidad, el tiempo y el gasto de las misiones como HIPPO hacen del modelado una forma importante de extender el uso de los datos de HIPPO y desarrollar modelos que repliquen mejor las características atmosféricas observadas.

Solo, ni las observaciones ni los modelos pueden resolver completamente los procesos del mundo real. Pero las observaciones mejoradas que luego se incorporan a los modelos pueden proporcionar nuevos conocimientos sobre la dinámica del clima. El gran reto del modelo desde la perspectiva del CO.2, dijo Stephens, son representaciones de la mezcla atmosférica. A menudo, los modelos utilizados tienen estructuras de cuadrícula que son más gruesas que los procesos de escala fina responsables de la mezcla.

"Entonces, si la mezcla se realiza debido a células convectivas o se transporta sobre una masa de aire frío, por ejemplo, los modelos de transporte utilizados para rastrear CO2 en la atmósfera no representan bien estas dinámicas ", dijo Stephens.

El aumento en la resolución del modelo puede mejorar un poco estos problemas, pero no evita la necesidad de observaciones sólidas que capturen las características de amplias franjas de la atmósfera, desde el suelo hasta grandes alturas. Los perfiles de HIPPO se extienden a través de la troposfera, ampliando los conjuntos de datos de observación existentes, y el conocimiento, más allá de lo que permiten las capacidades actuales basadas en tierra.

Usando datos de HIPPO, los investigadores podrán probar la precisión de los modelos atmosféricos existentes para identificar mejor aquellos que representan los procesos observados con mayor precisión. Además, estas observaciones ayudarán al diseño de modelos más innovadores y sistemas de asimilación de datos, modelos y sistemas capaces de aprovechar al máximo las observaciones de HIPPO. Estas mejoras impulsarán la comprensión de los procesos responsables de la captación de CO emitido por el hombre.2 durante y entre campañas de campo - y más allá.

Nota del editor: Esta investigación fue apoyada por la Fundación Nacional de Ciencia (NSF), la agencia federal encargada de financiar la investigación básica y la educación en todos los campos de la ciencia y la ingeniería. Todas las opiniones, hallazgos y conclusiones o recomendaciones expresadas en este material son las del autor y no necesariamente reflejan los puntos de vista de la National Science Foundation. Ver el Detrás del archivo de escenas.


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