At komme videre i skyerne

Da skumringen sænker sig over Cambridge en midvinteraften, stopper Dan Cziczo et øjeblik for at nyde en spektakulær udsigt. Det er solnedgang, og lige over horisonten bløder striber af rødt og orange ud i dybere skår af lilla og blåt, mens skyer af enhver type strækker sig hen over den mørkere himmel. Bomuldskuglepust af cumulus blandes med et dækket lag af stratus og tynde, fjerlignende tråde af cirrus-spor over hovedet. For enhver, der tager en pause fra arbejdet for at se mod vest langs Charles-floden, er synet en fantastisk udsigt.





Dan Cziczo

For Cziczo, en 42-årig atmosfærisk videnskabsmand ved MIT, er synspunktet på en måde, er hans arbejde. Cziczo studerer skydannelse, og han ser skyer – især cirrus – som en nøgle til at besvare et afgørende spørgsmål: præcis hvor meget vil Jorden varme op i den nærmeste fremtid?

Det bedste svar, videnskabsmænd har fundet frem til indtil videre, er stadig usikkert - alt fra 1 til 5 °C, afhængigt af mængden af ​​drivhusgasser, som mennesker tilfører atmosfæren. I dele af verden kan sådanne stigninger betyde stigende hav, stærkere storme og skadelige brande og oversvømmelser. Med hver grad af opvarmning forudsiger forskerne op til 15 procent reduktioner i afgrødeudbyttet, 15 procent fald i det område, der er dækket af arktisk havis, 10 procent stigninger i nedbør under de kraftigste storme og 400 procent stigninger i områder, der er brændt af skovbrande i det vestlige USA. Det betyder, at forskellen mellem en og fem graders opvarmning er ret betydelig.

I 2007 konkluderede forskere fra hele verden i en rapport udstedt af det Nobelprisvindende Mellemstatslige Panel om Klimaændringer, at meget af usikkerheden i klimafremskrivninger har at gøre med skyer. Forskerne bemærkede, at selvom skyer kan blokere solstråling fra at trænge ind i atmosfæren, er de betingelser, hvorunder de dannes, og i hvilket omfang de faktisk afkøler planeten ved at reflektere den stråling væk, meget dårligt forstået. Yderligere komplicerer sager, en varmere Jord rummer mere fugt, hvilket kan øge det samlede volumen af ​​skyer.



For at mindske usikkerheden i klimafremskrivninger studerer Cziczo og hans forskergruppe ved MIT emner som aerosoler eller luftbårne partikler, der fungerer som frø, der hjælper skyer med at dannes. Da partikler som støv flyder op i atmosfæren, giver de en overflade, hvorpå vanddamp kan kondensere eller fryse, og danner en fin tåge, der på afstand kan virke hævede, lagdelte eller tjavsede, afhængigt af en regions temperatur og relative fugtighed.

Forskellige partikler og skyer virker forskelligt, og at forstå denne balance er virkelig, hvordan vi vil øge sikkerheden [af klimafremskrivninger], siger Cziczo. Holder det fast for at sige: ’Får vi en grad eller tre graders opvarmning?’ Det er den slags ting, vi forsøger at finde ud af.

At se gennem cirrus
I aften fanger Cziczo skyen fra en misundelsesværdig siddepinde: taget på MITs 21-etagers Cecil og Ida Green Building, den højeste bygning i Cambridge.



Taget har længe været et ideelt sted for atmosfærisk undersøgelse, der rummer instrumenter, der måler vindhastighed, relativ luftfugtighed og temperatur. Lejlighedsvis vil Cziczo, en lektor ved Institut for Jord-, Atmosfæriske og Planetariske Videnskaber, bringe sine studerende herop for at tage instrumentaflæsninger ved at bruge dataene til at finde ud af, om og hvor skyer vil dannes.

Denne gang er han dog kun her for udsigten.

Hvis man ser gennem solnedgangen, kan man se de højere skyer, den slags tjavsede, siger Cziczo, mens han peger på cirrusskyer i det fjerne. De laver disse seje filamenter … deres græske navn har at gøre med hestehår eller hoppehaler, og det er dem, vi har studeret på det seneste, på grund af deres betydning i klimaet.



Cirrusskyer dannes fire til 12 kilometer over Jordens overflade i den øvre del af troposfæren, det laveste lag af atmosfæren. I sådanne højder kan vanddamp fryse omkring partikler og danne iskrystaller. De resulterende isskyer, som cirrusskyer også er kendt, er normalt det første skylag, som sollys møder, når det kommer til overfladen. Iskrystallerne fungerer som bittesmå reflektorer, der spreder sollys. Det menes, at skyer generelt kan reflektere nok sollys tilbage i rummet til at opveje mellem halvdelen og tre fjerdedele af opvarmningen forårsaget af drivhusgasser såsom kuldioxid. Nettopåvirkningen af ​​cirrusskyer er imidlertid uklar: Mens de beskytter planeten mod indkommende sollys, fanger de også stråling, der forsøger at undslippe dens overflade.

For at vide præcis, hvilken rolle cirrusskyer spiller, siger Cziczo, er det vigtigt at forstå, hvordan de dannes - specifikt hvilke partikler eller aerosoler, der naturligt sår dem.

Da solen går ned, går han ned til sit laboratorium på 13. etage, hvor to glasrør, delvist indesluttet i et metalhus, brygger skyer op. Opsætningen, som han var med til at bygge, kaldes et skykammer. Ved at justere temperaturen og den relative luftfugtighed i kammeret kan forskerne skabe perfekte betingelser for dannelsen af ​​skydråber eller iskrystaller. Den eneste manglende ingrediens er et ideelt frø, hvorpå der kan dannes skyer.



Sigtning for frø
Cziczo har testet forskellige aerosoler for at se, hvilke der lettest vil danne skyer i kammeret. Ved at tilføre disse forskellige aerosoler ind i kammeret, mens han efterligner vejrforhold i visse dele af verden, håber han at finde ud af, hvilke partikler der forårsager skydannelse i disse områder. For at demonstrere tager han en lille krukke med gråt pulver, mineralstøv indsamlet i Wisconsin.

Lad os lave en støvstorm, siger han og vifter med den åbne krukke foran to dyser, som tager luft ind i hvert glasrør. Rørene er for små til at generere synlige skyer, så Cziczo bruger et system af lasere til at måle, om vanddampen er smeltet sammen til dråber, der er store nok til at blive betragtet som skypartikler.

Dernæst tørrer Cziczo skydråberne ved at sende dem gennem et lille rum fyldt med tørremidler, der ligner det, der er i pakkerne, der findes i skoæsker. Han og hans kolleger kan derefter analysere dem for at bestemme den nøjagtige sammensætning af skyfrøet.

Skykammeret er lille nok til at blive pakket sammen og taget til enhver del af verden for at prøve direkte fra en regions atmosfære, hvilket Cziczo siger er en stor fordel. Forskere kan finde ud af, at mens en vis aerosol er fremragende til at udså skyer i laboratoriet, findes den aerosol ikke i den højde, hvor den kan danne skyer i naturen. Det antages generelt, at biologisk materiale er et fantastisk stof til at danne isskyer, siger han og bemærker, at nogle typer pollen genererer skyer bemærkelsesværdigt godt i hans kammer. Men når du går i marken, indser du, at det bare ikke er til stede i den øvre troposfære i stort antal, så det kan ikke have en stor effekt på skyer. Hvis du lige har prøvet på jorden, kan du narre dig selv til at tro, at det er vigtigt. Så han har gjort meget ud af at inkludere både feltstudier og laboratoriearbejde i sin gruppes forskning.

Sidder i isskyer
I løbet af de sidste 15 år har Cziczo besøgt bjergtoppe på jagt efter den slags aerosoler, der sandsynligvis findes i hele den øvre troposfære. Som postdoc ved University of Colorado og National Oceanic and Atmospheric Administration foretog han ture til Storm Peak Laboratory i det nordlige centrale Colorado, hvor han prøvede skyer i høj højde med en tidlig version af skykammeret. Den oplevelse forberedte ham til en forsknings- og undervisningsstilling ved det schweiziske føderale teknologiske institut i Zürich og derefter til et bogstaveligt højdepunkt i hans karriere: en prøvetagning af skyer ved Sphinx Observatory, en fjern forskningsstation bygget langs rygraden af Berner Alperne. Opkaldt efter sin sfinkslignende arkitektur er det et af de højeste landbaserede observatorier i verden i mere end 11.000 fod over havets overflade. I denne højde kan blandede faseskyer - som ligner cirrusskyer - dække toppene.

Stedet, som er blevet kaldt Europas top, er en turistattraktion om dagen, når folk rejser op med tog - elektrisk drevet for ikke at plette videnskabsmænds målinger med udstødning. Om natten letter turisterne dog, og forskerne bukker sig ned.

Den første nat er der ingen, der sover, husker Cziczo. Du får en dunkende hovedpine, og du kan mærke dit hjerte banke. Det tager et par dage at akklimatisere sig, men efter det er det fantastisk ... til tider sidder du faktisk i isskyer.

Efter sin tid i Schweiz fortsatte Cziczo sit arbejde tilbage i USA på Pacific Northwest National Laboratory. I 2011 flyttede han østpå for at slutte sig til fakultetet på MIT.

I marts 2011 tog han og hans elever skykammeret til Johnson Space Flight Center i Houston, hvor de monterede det på næsen af ​​et gammelt B-57 bombefly. Flyet, som blev fløjet i 1950'erne under rekognosceringsmissioner, er siden blevet genbrugt som et forskningsfly og bruges nu til projekter som en NASA-feltkampagne kaldet Mid-latitude Airborne Cirrus Properties Experiment (MACPEX). Flyet flyver så højt som 63.000 fod, hvilket gør det perfekt til prøvetagning af cirrusskyer, selvom det kan være svært at forudsige, hvornår de kan dukke op.

I en periode på seks uger indsamlede holdet skyprøver over Den Mexicanske Golf og ørkenen sydvest. En analyse af deres sammensætning viste, at mineralstøv, såsom sand, der blev sparket op fra en ørkenstorm, tegnede sig for omkring 60 procent af aerosolerne i disse skyer. Forskerne fandt også ud af, at mellem 8 og 25 procent af de skydannende støvpartikler indeholdt bly. Hvad de ikke fandt var måske mere overraskende: biologisk materiale som pollen og sporer eller kulstof udsendt fra skorstene. Mens forskere har set kulstof og pollen let danne skyer i laboratoriet, tegnede denne type aerosol sig for mindre end 1 procent af cirrusskyens partikler i Cziczos fund.

Forskere håber, at sådanne eksperimenter vil hjælpe med at fastslå præcis, hvilke aerosoler, der danner cirrusskyer, og endnu vigtigere, om disse aerosoler frigives af menneskelig aktivitet. For eksempel siger Cziczo, at mens mineralstøv er et naturligt stof, der hovedsageligt er lavet af snavs og sand, der er blæst af Jordens overflade, har mennesker ændret mængden af ​​det i atmosfæren markant.

Når du ændrer arealanvendelse, når du slipper af med skove for at skabe afgrødejord, eller du dyrker under afgrøder ... forstyrrer du mineralstøv, siger han. Så det er en naturlig partikel, men der er mere af den på grund af menneskeskabte aktiviteter. Og det ser ud til, at det er en af ​​disse ting, der danner isskyer. Det blyholdige skystøv, som holdet fandt, kom sandsynligvis også fra menneskelig aktivitet: kilder som flyudstødningsrør, kulfyrede kraftværker og blyholdig benzin, der ikke blev udfaset på verdensplan før midten af ​​1990'erne. Selvom han bestemt ikke går ind for yderligere forurening, erkender Cziczo, at den globale opvarmning ville være meget værre, hvis det ikke var for den menneskelige tilføjelse af partikler til atmosfæren.

Tidligere har klimavurderingsgrupper virkelig ikke behandlet, om menneskeskabt aktivitet kan påvirke isskyer, selvom de er kendt for at være vigtige i klimaet, siger Jon Abbatt, professor i atmosfærisk kemi ved University of Toronto. Det er det særlige ved Dans arbejde. Han har evnerne til at vurdere, om der er menneskeskabte signaturer i isskyer. Det er udgangspunktet for at forsøge at foretage en vurdering af isdannelsen i forhold til klimaændringer.

Måler sammen
Cziczo og et voksende samfund af atmosfæriske forskere håber, at identifikation af det grundlæggende i skydannelse udsletter enhver resterende usikkerhed om global opvarmning. Ud over deres eksperimentelle arbejde udvikler de klimamodeller, der inkorporerer skydannelse. De data, de indsamler, vil hjælpe med at gøre sådanne modeller meget mere præcise, selv om der er betydelige udfordringer at overvinde: De fleste modeller simulerer klimaet ved at opdele kloden i et gitter, der gennemsnitligt beregner vejrdata over kvadrater, der i den fineste opløsning er 100 kvadratkilometer. At inkorporere cloud-data på niveau med fine aerosoler ville kræve enorm beregningskraft.

Chien Wang, seniorforsker i MIT's Center for Global Change Science, arbejder sammen med Cziczo for at finde måder at indpasse disse fine partikeldata i klimamodeller i stor skala. Dans laboratorie- og feltarbejde kan naturligvis hjælpe os med at forbedre vores model for bedre at simulere sammenhængen mellem aerosoler og isskyer og deres klimaeffekter, siger Wang. Jeg er meget glad for, at vi kan have ham i hus.

Cziczos arbejde kan også hjælpe med at overvinde en anden stor forhindring på området. Forskere i forskellige grupper har en tendens til at bygge deres egne skykamre, og målingerne fra en kan muligvis ikke sammenlignes med dem fra en anden. Instrumentet, som Cziczo hjalp med at konstruere, blev for nylig licenseret af et firma i Colorado, som fremstiller det som det første kommercielle isskykammer. Modelnummer 001 har en hædersplads på hans MIT-laboratoriebænk, og andre forskere har afgivet ordrer på flere enheder.

Tilbage på sit MIT-kontor ser Cziczo ud af sit vindue, en vid udsigt, der tager i Boston skyline og et par vildfarne skyer over. Indimellem tager han billeder af skyformationer eller interessante kontrabilleder fra fly, der passerer, og beder sine elever om at identificere typen af ​​sky, og hvor den kan være dannet. Det er en øvelse, der er født af almindelig undren lige så meget som videnskabelig nysgerrighed.

Som barn var jeg altid fascineret af skyer og flyvning og sådan noget, husker han. Jeg tror, ​​jeg får mere glæde ud af det nu, fordi jeg forstår noget af det, og jeg forsøger stadig at se ud og finde ud af tingene.

Udover at studere skyer i Jordens atmosfære, undersøger Dan Cziczo dem, der kan dannes på Mars. Selvom Mars-atmosfæren er for tynd til at understøtte liv, har de seneste billeder fra NASAs Mars Reconnaissance Orbiter vist kuldioxidsne, udfældet fra skyer.

Mars laboratorium

For at finde ud af, hvad der kan danne disse skyer, der for Cziczo lignede diamantstøv, dyrker han og hans elever skyer under Mars-lignende forhold i laboratoriet. De tog for nylig en tur til det største skykammer i verden, Aerosol Interaction and Dynamics in the Atmosphere (AIDA)-faciliteten i Karlsruhe, Tyskland - en gammel, genbrugt atomreaktor, hvis kerne er blevet erstattet med et tre-etagers højt kammer. . Forskere fra hele verden bruger det massive kammer til at observere effekter i stor skala, som de ikke kunne se i bordmodeller.

Cziczos hold kontaktede NASA for at få prøver af støv, der menes at have samme sammensætning som støv på Mars (det blev faktisk indsamlet fra amerikanske ørkener) og placerede dem i skykammeret og justerede dets temperatur og relative fugtighed til niveauer, der er blevet observeret på Mars. Forsøget dannede med succes en vandissky.

Cziczo håber at fortsætte denne nye udenjordiske gren af ​​sin forskning, som han siger, er delvist inspireret af de atmosfæriske billeder taget af Mars Reconnaissance Orbiter og NASA's Phoenix lander.

Man kan se iskrystaller falde ud af atmosfæren, siger han. Og det er sjovt, for første gang jeg så de billeder, lignede de skyer i Jordens atmosfære.

- J.C.

skjule