doi.org/10.1175/BAMS-D-22-0285.1
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#Antártica
Pesquisas na Antártida usando a plataforma OCEANET-Atmosphere revelaram altos níveis de aerossóis estratosféricos possivelmente ligados à atividade vulcânica e intrusões significativas de ar quente. Essas descobertas são cruciais para refinar modelos climáticos e entender mudanças climáticas regionais.
Um projeto de pesquisa recente de Leipzig forneceu novos insights sobre as nuvens na Antártida, revelando intrusões de ar quente, ar extremamente limpo perto do solo e aerossol de sulfato em grandes altitudes. De janeiro a dezembro de 2023, os pesquisadores conduziram a primeira investigação terrestre da distribuição vertical de partículas de aerossol e nuvens na atmosfera acima da Estação Neumayer III alemã do Instituto Alfred Wegener, Centro Helmholtz de Pesquisa Polar e Marinha (AWI). As medições com resolução de altura foram as primeiras do tipo na Terra da Rainha Maud, a área da Antártida que faz fronteira com o Atlântico e cobre uma área maior que a Groenlândia.
As observações foram realizadas com a plataforma OCEANET-Atmosphere do Instituto Leibniz de Pesquisa Troposférica (TROPOS).
Os resultados iniciais foram publicados no renomado periódico Bulletin of the American Meteorological Society (BAMS). As medições foram financiadas pela Fundação Alemã de Pesquisa (DFG) e realizadas em estreita cooperação com o AWI.
Indicadores de Mudança Climática na Antártida
O continente antártico e o Oceano Antártico são componentes cruciais do sistema climático global. Embora o clima da Antártida tenha sido considerado relativamente estável no último século, mudanças significativas estão sendo observadas agora. As projeções climáticas indicam que o interior da Antártida aquecerá em mais de 3 Kelvin, a extensão do gelo marinho diminuirá em cerca de 30% e a precipitação aumentará no século XXI.
No entanto, essas projeções estão sujeitas a grandes incertezas e os modelos de circulação atmosférica global ainda não são capazes de reproduzir corretamente a cobertura de nuvens e a força radiativa sobre o Oceano Antártico. Essa representação incorreta das nuvens leva a estimativas distorcidas da radiação térmica e da temperatura da superfície do mar, que são um pré-requisito para estimar os fluxos de energia entre o oceano e a atmosfera. Além disso, para poder documentar qualquer mudança em um ambiente, como a Antártida, também seu estado atual precisa ser documentado da melhor forma possível.
Obter conhecimento sobre a formação de nuvens na Antártida é uma necessidade essencial, pois isso ocorre de forma diferente no ar limpo do hemisfério sul do que no hemisfério norte, com superfícies terrestres mais abundantes. Uma segunda grande fonte de incerteza é o transporte de umidade e partículas das latitudes médias e subtropicais para os polos. A superfície relativamente plana entre o Mar de Weddell e o Polo Sul pode ser uma espécie de rodovia para massas de ar quentes e úmidas.
As observações foram realizadas com a plataforma OCEANET-Atmosphere do Instituto Leibniz de Pesquisa Troposférica (TROPOS). Crédito: Martin Radenz, TROPOS
Instrumentação Avançada para Observações Antárticas
Para aprender mais sobre as nuvens na Antártida, a instrumentação na estação de pesquisa alemã Neumayer III do AWI foi complementada por medições de sensoriamento remoto, como um lidar atmosférico e um radar de nuvens por cerca de um ano inteiro no âmbito do projeto COALA (Observações Contínuas de Interações Aerossol-Nuvem na Antártida). A importância do projeto foi bem reconhecida pelo programa prioritário ‘Pesquisa Antártica’ da Fundação Alemã de Ciências (Deutsche Forschungsgemeinschaft, DFG), que forneceu o financiamento para o empreendimento.
O transportador da instrumentação foi o contêiner TROPOS OCEANET-Atmosphere. A plataforma já havia navegado pelo Ártico por um ano no RV Polarstern durante a expedição MOSAiC liderada pelo AWI em 2019/20.
“As observações do MOSAiC nos permitiram mostrar pela primeira vez que a atmosfera no Polo Norte está mais poluída do que se supunha anteriormente. Mas e sobre a Antártida? Felizmente, tivemos a oportunidade de operar nosso contêiner OCEANET lá por um ano”, explica o Dr. Ronny Engelmann da TROPOS.
O OCEANET foi instalado 300 metros ao sul da Estação Neumayer III da Antártida Alemã no início de 2023. O OCEANET-Atmosphere é um contêiner autônomo, testado polarmente e especialmente equipado de 20 pés, repleto de equipamentos de observação atmosférica de última geração. Atualmente, é a única plataforma de contêiner único com capacidade polar que combina um lidar de vários comprimentos de onda, um radar de nuvem, um radiômetro de micro-ondas e um lidar Doppler para observar nuvens e aerossóis, incluindo movimentos turbulentos do ar.
O OCEANET foi abastecido com energia da estação de pesquisa, onde o cientista do TROPOS Dr. Martin Radenz também viveu durante os 12 meses de operações, certificando-se de que todos os dispositivos medissem sem interrupção. Ele foi uma das 10 pessoas que passaram o inverno na noite polar escura na Estação Neumayer III. “Poder passar um ano na Antártida com a comunidade de nossa pequena equipe, a natureza fascinante, as tempestades de neve e o isolamento foi uma experiência única”, relata Radenz.
O feixe de laser verde do lidar multicomprimento de onda, que escaneou a atmosfera acima da Estação Neumayer III, foi uma novidade nesta parte da Antártida. Um lidar, também conhecido como “radar de luz”, envia pulsos curtos de laser do solo para a atmosfera e recebe a luz retroespalhada com um receptor especial. Informações sobre a altura, quantidade e tipo de partículas suspensas (aerossóis) na atmosfera podem ser derivadas do tempo de viagem, intensidade e polarização dos sinais retroespalhados.
Até o momento, medições relacionadas com radar de nuvem e lidar de aerossol foram realizadas apenas na estação McMurdo, do outro lado da Antártida, a 3500 quilômetros de distância, na fronteira com o Oceano Pacífico. Ao contrário de Neumayer III na plataforma de gelo, a estação McMurdo dos EUA é construída sobre rocha. Os pesquisadores também esperam que as medições feitas na Estação Neumayer III sobre plataformas de gelo forneçam a eles novos insights sobre a formação de nuvens sobre as vastas extensões de gelo na Antártida. “É particularmente agradável que, após o COALA, o AWI agora implante permanentemente dispositivos de sensoriamento remoto semelhantes na Estação Neumayer III em cooperação com o TROPOS. Isso fará uma contribuição importante para registrar os componentes climáticos de curta duração, aerossóis e nuvens na Antártida”, diz o Prof. Andreas Macke, Diretor do TROPOS e Chefe do departamento de “Sensoriamento Remoto de Processos Atmosféricos”.
Insights e descobertas do estudo
Em janeiro de 2024, o contêiner OCEANET foi desmontado, transportado para a borda da plataforma de gelo e carregado no navio de reabastecimento. Os dispositivos chegaram a Leipzig em março, o projeto DFG COALA foi concluído e os pesquisadores fizeram um balanço: “Todos os dispositivos resistiram e registraram dados valiosos. Estamos particularmente satisfeitos com isso porque levaria meses para uma peça de reposição chegar durante a noite polar. Nossa experiência na expedição MOSAiC três anos antes no Ártico foi de grande ajuda. No entanto, foi um verdadeiro desafio tornar os dispositivos à prova de tempestades e limpá-los da neve quase todos os dias”, relata Radenz. Para Radenz e sua equipe, no entanto, o esforço valeu a pena. As medições forneceram três novos insights sobre a Antártida sob as mudanças climáticas.
Atmosfera limpa apenas perto da superfície
As medições do lidar forneceram insights sobre quantas partículas estão flutuando acima desta parte da Antártida e em quais altitudes. A parte inferior da atmosfera (troposfera) com condições imaculadas estava, em sua maioria, comparativamente limpa. Em contraste, a equipe observou um número inesperadamente grande de partículas entre uma altitude de cerca de 9 km e 17 km (estratosfera).
“As propriedades ópticas do aerossol derivado do lidar indicam claramente aerossol de sulfato, que é causado principalmente por erupções vulcânicas. Esses aerossóis foram observados na estratosfera desde janeiro de 2023 e, portanto, provavelmente estão relacionados à erupção de Hunga Tonga-Hunga Ha’apai em janeiro de 2022”, diz Radenz.
“O fato de a poeira vulcânica poder persistir por muito tempo sobre a região polar sul nos surpreendeu tanto quanto a fumaça do incêndio florestal sobre a região polar norte, que pudemos observar pela primeira vez durante a expedição MOSAiC em 2020”, relata Engelmann.
As medições do lidar do solo são particularmente importantes, pois o aerossol vulcânico sobre a Antártida aparentemente não foi observado suficientemente do espaço antes. Pelo menos nenhum aerossol foi detectável nos produtos padrão do lidar de satélite CALIOP da NASA. O aerossol na estratosfera influencia a ocorrência de nuvens estratosféricas polares (PSCs), onde ocorrem processos químicos complexos e que são suspeitos de contribuir para o buraco na camada de ozônio sobre as regiões polares.
Interação Aerossol-Nuvem em Nuvens de Fase Mista Rasas
Embora mais aerossol tenha sido observado nas camadas superiores da atmosfera do que o esperado, as camadas inferiores provaram ser tão limpas quanto se supunha. As medições contínuas permitiram que a equipe “observasse” o crescimento das nuvens. Por exemplo, uma nuvem estável de fase mista consistindo de cristais de gelo e gotículas de água incrustadas em uma camada de aerossol marinho foi observada por um período de 10 horas.
“Nossas medições confirmam que praticamente todas as partículas servem como núcleos de nuvens, para formar gotículas de nuvens ou cristais de gelo. O crescimento das nuvens é, portanto, limitado pela quantidade de partículas. Se houvesse mais partículas, por exemplo, porque mais ar poluído flui para a Antártida, então também haveria mais gotículas e cristais de gelo nas nuvens, o que mudaria sua vida útil e levaria a efeitos ainda desconhecidos no clima e no tempo”, explica o Dr. Patric Seifert da TROPOS.
Intrusões incomuns de ar quente
O ar quente de latitudes mais baixas pode intensificar as mudanças climáticas na Antártida. Portanto, era importante poder analisar duas intrusões extremas de ar quente em detalhes: uma com queda de neve intensa em abril, que trouxe 10% da queda de neve de um ano inteiro, e uma segunda com temperaturas máximas recordes e forte congelamento do solo devido à garoa super-resfriada em julho. Durante essa onda de calor, a temperatura subiu para -2,3 graus Celsius em 6 de julho de 2023.
“Esta é a temperatura mais alta registrada em julho na Estação Neumayer Antártica Alemã desde que as observações contínuas começaram em 1982. Isso significa que nunca esteve tão quente lá no meio da noite polar, o pico do inverno antártico”, explica Radenz.
Essas temperaturas anormalmente altas levaram à garoa super-resfriada. Na superfície, uma camada de gelo transparente de cerca de 2 milímetros se formou sobre a neve do dia anterior. “O que geralmente acontece aqui na Europa Central no inverno é muito incomum para a Antártida durante a noite polar escura. Normalmente, as temperaturas na Estação Neumayer III ficam abaixo de -30 graus Celsius em julho. Nossas observações sobre plataformas de gelo são as primeiras do tipo”, enfatiza Radenz.
Não demorou muito para que o valor das medições de sensoriamento remoto também fosse reconhecido pelo Instituto Alfred Wegener, que opera a estação Neumayer. A implantação do OCEANET-Atmosphere foi apenas o início de uma série temporal de longo prazo de medições de perfil nesta parte da Antártida: no início de 2024, o Instituto Alfred Wegener expandiu as capacidades de observação permanente com um lidar e radar, garantindo assim que o conjunto de dados OCEANET exclusivo seja continuado. “A climatologia de longo prazo dos parâmetros de aerossol e nuvem para a estação Neumayer será, portanto, permanentemente estendida para a dimensão vertical”, explica o Dr. Holger Schmithüsen do AWI.
Conclusão e Pesquisa Futura
O fornecimento de uma visão geral dos resultados obtidos no periódico BAMS demonstra o potencial do conjunto de dados de 1 ano para lançar luz sobre as propriedades ainda pouco caracterizadas de nuvens e aerossóis acima da Antártida. “Mas o artigo BAMS fornece apenas um primeiro vislumbre dos destaques obtidos durante as medições. Estatísticas detalhadas e estudos de processo seguirão em uma etapa subsequente”, diz Radenz.
Nos próximos meses, os dados extensos da Antártida serão analisados “”e comparados com conjuntos de dados existentes do sul do Chile, Chipre, Alemanha e Ártico. Os pesquisadores esperam obter novos insights sobre por que as nuvens no extremo sul diferem tanto daquelas no hemisfério norte. Muitos conjuntos de dados de regiões-chave da pesquisa climática estão disponíveis para comparação. Como parte do DFG Transregio “Arctic Amplification? (AC3-TR), o TROPOS vem investigando nuvens no Ártico junto com a Universidade de Leipzig desde 2016.
Além disso, os processos no hemisfério sul também se tornaram o foco de atenção nos últimos anos: em 2016/17, pesquisadores de nuvens de Leipzig participaram da circum-navegação antártica internacional ACE. Em 2018-2021, medições extensivas ocorreram no sul do Chile. Duas grandes campanhas de medição dentro e ao redor da Nova Zelândia estão sendo preparadas para 2025 e 2026: goSouth na ponta sul da Ilha Sul, acompanhada pelo HALO-South com a aeronave de pesquisa alemã HALO e uma expedição ao redor da Nova Zelândia com o navio de pesquisa Sonne são os marcos da próxima série de experimentos sob a liderança do TROPOS. “O TROPOS está prestes a contribuir com novos insights importantes para melhorar a compreensão dos processos de aerossol-nuvem-clima no hemisfério sul limpo e marítimo”, conclui o Prof. Macke.
Publicado em 26/09/2024 13h11
Artigo original:
- https://scitechdaily.com/antarcticas-clean-air-mystery-scientists-discover-unusual-aerosol-patterns/
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