Tot mai sus şi mai departe: utilizarea avioanelor pentru monitorizare atmosferică

Sus, mult deasupra noastră, avioanele – pline cu familii mergând în vacanţă, ori cu pachete poştale, sau cu oameni de afaceri –se încrucişează mereu. Însă pentru anumiţi călători aerul din ceruri chiar le este destinaţia. Pentru că multe dintre cercetările privind clima se pot face doar acolo, sus.

Zona de deasupra solului şi până la aproape 10 km înălţime alcătuieşte stratul de aer numit troposferă; dincolo de acesta se află stratosfera. Iar la limita dintre troposferă şi stratosferă aerul încetează să se mai răcească pe măsură ce se ridică şi se deshidratează. Altfel zis, aici este locul unde apar norii şi unde încep să se formeze fenomenele meteorologice pe care le trăim cu toţii. Dacă privim în afară pe fereastra avionului întâlnim frumoasa vedere de deasupra norilor, dar aceasta nu spune mare lucru despre reacţiile chimice de acolo, sau despre cum pot ele afecta calitatea aerului sau clima. De aceea avem nevoie de ceva mai… tehnic.

Cu laboratorul în ceruri

Instalaţia pentru măsurători atmosferice aeriene (FAAM)^w1, de exemplu, este un laborator mobil găzduit de un avion BAe-146, avion folosit de obicei la zboruri pentru mici călătorii. În FAAM este foarte puţin lux, şi nu există stewardese care să ofere băuturi şi gustări. Aici e loc doar pentru cam 10 cercetători. Restul spaţiului este ocupat cu diverse echipamente. Fiecare stivă de instrumente ocupă cam acelaşi spaţiu cât locurile a două persoane, şi toate acestea trebuie asigurate electric şi structural.

Actualmente fiind cantonat într-o locaţie tropicală îndepărtată, respectiv pe insula Guam, FAAM ia parte la o campanie internaţională de măsurători atmosferice (ce implică încă două avioane) – CAST, Cercetări Atmosferice Coordonate la Tropice. Acesta este primul efort colaborativ dedicat monitorizării compoziţiei atmosferice în sudul Guamului, de la sol şi până în stratosferă, în care fiecare avion va preleva măsurători la diferite altitudini. Cercetătorii speră să obţină astfel o mai bună cunoaştere a atmosferei tropicale şi asupra modului în care gazele urcă de la suprafaţa terestră până la stratosferă.

În timp ce FAAM zboară peste Oceanul Pacific de Vest, toate echipamentele din interiorul său primesc eşantioane din aerul de afară. Acestea provin de la orificii existente în diverse locaţii ale fuzelajului şi chiar de pe aripile avionului. Fiecare echipament din laboratorul FAAM măsoară ceva diferit, sau foloseşte o metodă uşor diferită pentru a măsura acelaşi lucru, dar împreună ele evaluează impactul halo-carbonilor cu viaţă scurtă (VSL) şi urmăresc felul în care aceşti compuşi de carbon şi halogeni modifică chimismul atmosferei, afectându-ne deci şi pe noi.

Astfel de compuşi chimici – precum CH₃I (iodura de metil), CH₂Br₂ (bromura de metilen) şi CH₃Br (bromura de metil)– sunt eliberaţi de ocean şi se ridică în troposferă şi în startopsferă, unde sunt descompuşi prin efectul luminii, generând astfel radicali reactivi de halogen. Unii dintre aceşti radicali vor reacţiona cu ozonul, descompunându-l, în timp ce alţii vor reacţiona cu alte gaze rarefiate. Chimia atmosferică este foarte complexă.

Molecule cu rol de măsurare

Probabil că am mai văzut prin oraşele noastre instrumente de monitorizare a atmosferei. Un astfel de echipament măsoară gazele ce-I trec prin apropiere, dar nu furnizează informaţii despre ce se petrece mai departe, în contra-vântului. Dimpotrivă, sateliţii pot fi folosiţi pentru a monitoriza atmosfera şi pentru a realiza o substanţială acoperire spaţială, însă ei analizează întreaga coloană de aer. Pentru a obţine (din datele satelitare) profilul unei anume altitudini este necesară aplicarea unei modelări matematice complexe. Devine deci important să măsurăm date reale şi să verificăm concentraţia reală a compuşilor din eşantioanele de aer pentru a testa şi verifica acele modele matematice.

Acolo sus, cercetătorii de pe FAAM folosesc un spectrometru de masă cu ionizare chimică (CIMS) pentru a detecta compuşii halogenaţi sau acizii organici despre care se crede că favorizează formarea aerosolilor, care pot altera deplasarea vaporilor de apă şi formarea norilor.

Se foloseşte un astfel de spectrometru (CIMS) pentru că el este deopotrivă sensibil şi selectiv. Într-un spectrometru de masă tradiţional, moleculele din eşantion sunt supuse ionizării cu un fascicol de ioni. Apoi fragmentele ionizate sunt accelerate printr-un câmp electric, iar traseele lor sunt deviate cu un câmp magnetic înainte de a fi detectate, obţinându-se astfel o dispersie după un model complicat, determinat de sarcina electrică şi de masa fragmentelor. Prin metoda ionizării chimice (CI), spectrometrul de masă poate fi reglat astfel încât să detecteze anumite molecule, sau grupuri de molecule, folosind câte un anume ‘gaz de ionizare’ la crearea de particule încărcate electric. Astfel se obţine un spectru mai simplu şi mai clar în comparaţie cu spectrometria de masă tradiţională. La fiecare zbor al FAAM, instrumentul CIMS este calibrat folosind amestecuri cunoscute şi standardizate de gaze pentru a fi adaptat la compuşii vizaţi.

Deoarece reactivitatea chimică a compuşilor poate varia în funcţie de temperatură şi de presiune – ambele schimbându-se odată cu altitudinea –, avionul zboară atât la 20 de metri altitudine (imediat deasupra mării) cât şi la înălţimea de 10 kilometri. Tot zburând în aceeaşi zonă dar la diferite altitudini, într-un acelaşi zbor de 5 ore, măsurătorule reuşesc să ofere mai multe informaţii spaţiale decât orice altă abordare (precum cea de înălţare a baloanelor meteorologice). Rezultatele detaliate din expediţiile FAAM vor ajuta cercetătorii să-şi rafineze modelele şi să înţeleagă mai bine ce se întâmplă în cerul de deasupra noastră.

O aterizare sigură

Reveniţi pe solul micuţei Insule Guam, cercetătorii îşi întind picioarele după lungul zbor. Datele culese sunt descărcate din instrumentele din avion, fiind de-acum gata pentru a fi analizate şi comparate cu măsurători luate de alte avioane implicate în proiectul CAST, precum şi cu cele din echipamente de la sol sau din sateliţii de deasupra. În acelaşi timp avionul este realimentat iar echipamentele sunt recalibrate, devenind astfel pregătite pentru următoarea zi de măsurători. Deşi majoritatea comparaţiilor de date vor fi realizate ulterior în Marea Britanie, datele obţinute sunt folosite şi de-acum, de către alţi membri ai comunităţii de cercetări atmosferice, inclusiv pentru serviciile de previziune meteo. Datele pot deveni accesibile şi pentru public: În Marea Britanie, de exemplu, multe din datele produse de FAAM sunt puse la dispoziţie prin web-site-ul Centrului Britanic de Date Atmosferice (BADC)^w2.

Încet-încet, zboruri precum acesta ne ajută să rafinăm ceea ce cunoaştem despre cerul de deasupra noastră. Şi, pe măsură ce activităţile umane continuă să altereze chimismul atmosferei, descoperirile celor care cercetează cerul pot ajuta la informarea şi consilierea guvernelor din întreaga lume, ajutând astfel la ameliorarea vieţii pe Pământ.