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

Tradus de Mircea Băduţ. Când avem de măsurat chimismul atmosferei, ar fi benefic să putem zbura acolo sus cu laboratoare special adaptate.

Obiectul măsurătorilor
Pentru imagine mulţumim lui
Tim Harrison

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

Cercetători şi instrumente la
bordul laboratorului
zburător.

Pentru imagine mulţumim lui
Tim Harrison

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.

Aşezările din Guam, vestul
Oceanului Pacific

Pentru imagine mulţumim
TUBS / Wikimedia Commons

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.

Sus: Unul dintre pachetele de
instrumente. Jos: Unul dintre
autorii articolului în timpul
efectuării de analize

Pentru imagine mulţumim lui
Tim Harrison

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.

Două dintre avioanele de monitorizare.
Pentru imagine mulţumim echipei CAST de la Universitatea Cambridge, Marea Britanie

Download

Download this article as a PDF

Web References

  • w1 - Facilitatea pentru Măsurători Atmosferice Aeriene (FAAM) este un avion cu dotări tehnice destinat comunităţii ştiinţifice din Marea Britanie şi în mod deosebit cercetătorilor din cadrul Met Office şi celor ce lucrează în universităţi finanţate de Consiliul pentru Cercetarea Mediului Natural (NERC). Web-site-ul lor listeză instrumentele de bază şi specimenele măsurate.
  • w2 - Pentru a afla mai multe despre Centrul Britanic pentru Date Atmosferice (BADC), vizitaţi: http://badc.nerc.ac.uk/

Resources

  • Echipa din Manchester deplasată în Guam a creat un blog pentru a-şi documenta călătoria.
  • Modificarea climei şi încălzirea globală sunt subiecte ‘fierbinţi’ şi merită un loc important în programa şcolară de ştiinţe. Puteţi ajuta elevii să-şi alcătuiască propriile predicţii privind modificările climatice folosind acest articol despre modelarea climatică:
  • Pentru a înţelege cum s-a dezolvat cunoaşterea noastră privind atmosfera după descoperirea primei găuri în stratul de ozon, vizitaţi:
    • Shallcross D. and Harrison T. (2010) A hole in the skyScience in School 17: 46-53.

  • Laboratorul de Cercetare a Climei din cadrul ARM (Atmospheric Radiation Measurement) al Departamentului pentru Energie din SUA pune la dispoziţie o pagină web educativă despre halocarbonii cu brom şi despre stratul de ozon.

Author(s)

Kimberley Leather este cercetător-asistent postdoctoral la Centrul pentru Ştiinţa Atmosferei, Şcoala de Ştiinţe pentru Pământ, Atmosferă şi Mediu (SEAES), Universitatea din Manchester, Marea Britanie.

Carl Percival este profesor de chimie atmosferică la Centrul pentru Ştiinţa Atmosferei, Şcoala de Ştiinţe pentru Pământ, Atmosferă şi Mediu (SEAES), Universitatea din Manchester, Marea Britanie.

Tim Harrison este director de comunicare şi profesor la Bristol ChemLabS, Universitatea din Bristol, UK

Laura Howes este co-editor la revista Science in School. Ea a studiat chimia la Universitatea din Oxford, Marea Britanie, şi s-a alăturat societăţii de cunoaştere din Marea Britanie lucrând în jurnalismul de ştiinţă. În 2013, ea s-a mutat în Germania, la Laboratorul European de Biologie Moleculară (EMBL) pentru a lucra la Science in School.


Review

Când ne gândim la un laborator de cercetare, ne imaginăm o incintă spaţioasă în care oameni costumaţi în halate de laborator mişună printre instrumente şi bancuri de probă. Însă nu este cazul şi pentru cercetătorii descrişi aici, autorii articolului furnizându-ne o viziune despre o nouă modalitate de studiere a atmosferei şi a fenomenelor sale.

Deşi locaţia este neobişnuită, obiectul cercetării şi relevanţa sa sunt descrise cu claritate, într-un limbaj inteligibil, şi cu o detaliere potrivită pentru profesorii de ştiinţe şi pentru elevi. Recomand acest articol profesorilor şi elevilor (din ciclurile şcolare gimnazial şi liceal) interesaţi de ştiinţele mediului şi de metodele de colectare a datelor pentru dezvoltarea de modele climatice.

Apărând după publicarea celui de-al cincilea Raport de evaluare al Comitetului Internaţional pentru Modificările Climatice (IPCC), articolul de faţa constituie o resursă originală şi de valoare pentru abordarea problemelor climatice în clasă.


Giulia Realdon, Italia



License

CC-BY-NC-ND