Vooruit komen in de wolken

Terwijl op een midwinteravond de schemering over Cambridge valt, stopt Dan Cziczo even om te genieten van een spectaculair uitzicht. Het is zonsondergang en net boven de horizon vloeien rode en oranje strepen over in diepere delen van paars en blauw terwijl allerlei soorten wolken zich uitstrekken over de donker wordende lucht. Wattenbolletjes van cumulus vermengen zich met een bedekte laag stratus en dunne, vederachtige draden van cirrus lopen over het hoofd. Voor iedereen die een pauze neemt van het werk om langs de Charles River naar het westen te kijken, is de aanblik een knaller.

Voor Cziczo, een 42-jarige atmosferische wetenschapper aan het MIT, is het uitzicht in zekere zin, is zijn werk. Cziczo bestudeert wolkenvorming en hij ziet wolken - met name cirrus - als een sleutel tot het beantwoorden van een cruciale vraag: hoeveel zal de aarde in de nabije toekomst precies opwarmen?

Het beste antwoord dat wetenschappers tot nu toe hebben bedacht, is nog steeds onzeker - ergens tussen 1 en 5 ° C, afhankelijk van de hoeveelheid broeikasgassen die mensen aan de atmosfeer toevoegen. In delen van de wereld kan een dergelijke toename leiden tot stijgende zeeën, sterkere stormen en verwoestende branden en overstromingen. Bij elke graad van opwarming voorspellen wetenschappers een vermindering van de oogstopbrengsten tot 15 procent, een afname van 15 procent van het gebied dat wordt bedekt door Arctisch zee-ijs, een toename van 10 procent van de regenval tijdens de zwaarste stormen en een toename van 400 procent van het gebied dat wordt verbrand door bosbranden in de westelijke Verenigde Staten. Dat betekent dat het verschil tussen één en vijf graden opwarming behoorlijk groot is.

In 2007 kwamen wetenschappers van over de hele wereld in een rapport van het Nobelprijswinnende Intergouvernementele Panel voor klimaatverandering tot de conclusie dat veel van de onzekerheid in klimaatprojecties te maken heeft met wolken. De wetenschappers merkten op dat hoewel wolken zonnestraling de atmosfeer niet kunnen binnendringen, de omstandigheden waaronder ze zich vormen en de mate waarin ze de planeet daadwerkelijk afkoelen door die straling weg te reflecteren, zeer slecht worden begrepen. Wat de zaken nog ingewikkelder maakt, is dat een warmere aarde meer vocht vasthoudt, wat het totale wolkenvolume zou kunnen vergroten.

Om de onzekerheid in klimaatprojecties te verminderen, bestuderen Cziczo en zijn onderzoeksgroep aan het MIT onderwerpen als aerosolen of deeltjes in de lucht, die fungeren als zaden die wolken helpen vormen. Omdat deeltjes zoals stof de atmosfeer in drijven, vormen ze een oppervlak waarop waterdamp kan condenseren of bevriezen, waardoor een fijne nevel wordt gevormd die van een afstand gezwollen, gelaagd of piekerig kan lijken, afhankelijk van de temperatuur en relatieve vochtigheid in een regio.

Verschillende deeltjes en wolken werken anders, en het begrijpen van deze balans is echt hoe we de zekerheid [van klimaatprojecties] gaan vergroten, zegt Cziczo. Het vastpinnen om te zeggen: 'Krijgen we één of drie graden opwarming?' Dat is het soort dingen dat we proberen te achterhalen.

Cirrus doorzien
Vanavond vangt Cziczo het wolkenscherm op vanaf een benijdenswaardige plek: het dak van het 21 verdiepingen tellende Cecil en Ida Green Building van MIT, het hoogste gebouw in Cambridge.

Het dak is lange tijd een ideale plek geweest voor atmosferische studie, met instrumenten die windsnelheid, relatieve vochtigheid en temperatuur meten. Af en toe zal Cziczo, een universitair hoofddocent bij de afdeling Aard-, Atmosferische en Planetaire Wetenschappen, zijn studenten hierheen brengen om instrumentmetingen te doen, waarbij hij de gegevens gebruikt om erachter te komen of en waar zich wolken zullen vormen.

Deze keer is hij hier echter alleen voor het uitzicht.

Als je door de zonsondergang kijkt, zie je de hogere wolken, het soort piekerige, zegt Cziczo terwijl hij in de verte cirruswolken aanwijst. Ze maken deze coole filamenten … hun Griekse naam heeft te maken met paardenhaar of merriestaarten, en dat zijn degenen die we de laatste tijd hebben bestudeerd, vanwege hun belang in het klimaat.

Cirruswolken vormen vier tot twaalf kilometer boven het aardoppervlak in het bovenste deel van de troposfeer, de onderste laag van de atmosfeer. Op dergelijke hoogtes kan waterdamp rond deeltjes bevriezen en ijskristallen vormen. De resulterende ijswolken, zoals cirruswolken ook wel worden genoemd, zijn meestal de eerste wolkenlaag die zonlicht ontmoet terwijl het zijn weg naar de oppervlakte vindt. De ijskristallen fungeren als kleine reflectoren die zonlicht verstrooien. Men denkt dat wolken in het algemeen voldoende zonlicht terug in de ruimte kunnen reflecteren om de helft tot driekwart van de opwarming te compenseren die wordt veroorzaakt door broeikasgassen zoals koolstofdioxide. De netto-impact van cirruswolken is echter onduidelijk: terwijl ze de planeet beschermen tegen inkomend zonlicht, vangen ze ook straling op die probeert te ontsnappen van het oppervlak.

Om precies te weten welke rol cirruswolken spelen, zegt Cziczo, is het belangrijk om te begrijpen hoe ze zich vormen, met name welke deeltjes of aerosolen ze van nature uitzaaien.

Terwijl de zon ondergaat, gaat hij naar zijn laboratorium op de 13e verdieping, waar twee glazen buizen, gedeeltelijk ingesloten in een metalen omhulsel, wolken brouwen. De opstelling, die hij hielp bouwen, wordt een wolkenkamer genoemd. Door de temperatuur en relatieve vochtigheid in de kamer aan te passen, kunnen onderzoekers perfecte omstandigheden creëren voor de vorming van wolkendruppels of ijskristallen. Het enige ontbrekende ingrediënt is een ideaal zaadje waarop zich wolken kunnen vormen.

Zeven voor zaden
Cziczo heeft verschillende aerosolen getest om te zien welke het gemakkelijkst wolken in de kamer kunnen vormen. Door deze verschillende aerosolen in de kamer te voeren terwijl hij de weersomstandigheden in bepaalde delen van de wereld nabootst, hoopt hij te bepalen welke deeltjes wolkenvorming in die regio's veroorzaken. Om te demonstreren haalt hij een potje grijs poeder tevoorschijn, mineraal stof dat in Wisconsin is verzameld.

Laten we een stofstorm maken, zegt hij, en hij zwaait met de geopende pot voor twee sproeiers, die lucht in elke glazen buis zuigen. De buizen zijn te klein om zichtbare wolken te genereren, dus gebruikt Cziczo een systeem van lasers om te meten of de waterdamp is samengesmolten tot druppels die groot genoeg zijn om als wolkendeeltjes te worden beschouwd.

Vervolgens droogt Cziczo de wolkendruppels door ze door een klein compartiment gevuld met droogmiddelen te sturen, vergelijkbaar met wat er in de pakjes in schoenendozen zit. Hij en zijn collega's kunnen ze vervolgens analyseren om de exacte samenstelling van het wolkenzaad te bepalen.

De wolkenkamer is klein genoeg om te worden ingepakt en naar elk deel van de wereld te worden gebracht om rechtstreeks uit de atmosfeer van een regio te proeven, wat volgens Cziczo een groot voordeel is. Wetenschappers kunnen ontdekken dat, hoewel een bepaalde aerosol uitstekend is in het zaaien van wolken in het laboratorium, die aerosol niet wordt gevonden op de hoogte waar het in de natuur wolken zou kunnen vormen. Algemeen wordt aangenomen dat biologisch materiaal een fantastische stof is voor het vormen van ijswolken, zegt hij, en hij merkt op dat sommige soorten stuifmeel opmerkelijk goed wolken genereren in zijn kamer. Maar als je het veld ingaat, realiseer je je dat het gewoon niet in grote aantallen aanwezig is in de bovenste troposfeer, dus het kan geen groot effect hebben op wolken. Als je net op de grond hebt gesampled, zou je jezelf voor de gek kunnen houden door te denken dat het belangrijk is. Daarom heeft hij er een punt van gemaakt om zowel veldonderzoek als laboratoriumwerk op te nemen in het onderzoek van zijn groep.

Zittend in ijswolken
In de afgelopen 15 jaar heeft Cziczo bergtoppen bezocht op zoek naar de soorten aerosolen die waarschijnlijk in de bovenste troposfeer te vinden zijn. Als postdoc aan de Universiteit van Colorado en de National Oceanic and Atmospheric Administration maakte hij reizen naar Storm Peak Laboratory, in het noorden van centraal Colorado, waar hij wolken op grote hoogte bemonsterde met een vroege versie van de wolkenkamer. Die ervaring bereidde hem voor op een onderzoeks- en onderwijsfunctie aan het Zwitserse Federale Instituut voor Technologie in Zürich, en vervolgens op een letterlijk hoogtepunt in zijn carrière: een stint bemonstering van wolken in het Sphinx-observatorium, een afgelegen onderzoeksstation gebouwd langs de ruggengraat van de Berner Alpen. Het is genoemd naar zijn sfinx-achtige architectuur en is een van de hoogste observatoria op het land ter wereld op meer dan 11.000 voet boven zeeniveau. Op deze hoogte kunnen wolken met gemengde fasen - die vergelijkbaar zijn met cirruswolken - de toppen bedekken.

De site, die de Top van Europa wordt genoemd, is overdag een toeristische attractie, wanneer mensen met de trein naar boven reizen - elektrisch aangedreven om de metingen van wetenschappers niet te bezoedelen met uitlaatgassen. 's Nachts trekken de toeristen er echter vandoor en de onderzoekers stapelen zich op.

De eerste nacht slaapt niemand, herinnert Cziczo zich. Je krijgt een bonzende hoofdpijn en je voelt je hart kloppen. Het duurt een paar dagen om te acclimatiseren, maar daarna is het verbazingwekkend ... soms zit je echt in ijswolken.

Na zijn tijd in Zwitserland zette Cziczo zijn werk voort in de Verenigde Staten in het Pacific Northwest National Laboratory. In 2011 verhuisde hij naar het oosten om zich aan te sluiten bij de faculteit van het MIT.

In maart 2011 brachten hij en zijn studenten de nevelkamer naar het Johnson Space Flight Center in Houston, waar ze hem op de neus van een oude B-57-bommenwerper monteerden. Het vliegtuig, dat in de jaren vijftig tijdens verkenningsmissies werd gevlogen, heeft sindsdien een nieuwe bestemming gekregen als onderzoeksvliegtuig en wordt nu gebruikt voor projecten zoals een NASA-veldcampagne, het Mid-latitude Airborne Cirrus Properties Experiment (MACPEX). Het vliegtuig vliegt zo hoog als 63.000 voet, waardoor het perfect is voor het bemonsteren van cirruswolken, hoewel het lastig kan zijn om te voorspellen wanneer ze kunnen verschijnen.

In een periode van zes weken verzamelde het team wolkenmonsters boven de Golf van Mexico en het zuidwesten van de woestijn. Het analyseren van hun samenstelling toonde aan dat mineraal stof, zoals zand dat door een woestijnstorm is opgestuwd, goed was voor ongeveer 60 procent van de aerosolen in die wolken. De onderzoekers ontdekten ook dat tussen 8 en 25 procent van de wolkvormende stofdeeltjes lood bevatte. Wat ze niet vonden was misschien nog verrassender: biologisch materiaal zoals stuifmeel en sporen, of koolstof uitgestoten door schoorstenen. Terwijl onderzoekers hebben gezien dat koolstof en stuifmeel gemakkelijk wolken vormen in het laboratorium, was dit type aerosol verantwoordelijk voor minder dan 1 procent van de cirruswolkdeeltjes in de bevindingen van Cziczo.

Onderzoekers hopen dat dergelijke experimenten zullen helpen om precies vast te stellen welke aerosolen cirruswolken vormen en, belangrijker nog, of die aerosolen vrijkomen door menselijke activiteit. Cziczo zegt bijvoorbeeld dat, hoewel mineraalstof een natuurlijke substantie is, grotendeels gemaakt van vuil en zand dat van het aardoppervlak wordt geblazen, mensen de hoeveelheid ervan in de atmosfeer aanzienlijk hebben veranderd.

Als je van landgebruik verandert, als je bossen ontdoet om akkerland te creëren, of als je onder gewassen bewerkt... verstoor je mineraal stof, zegt hij. Het is dus een natuurlijk deeltje, maar er is meer van vanwege door de mens gemaakte activiteiten. En het lijkt erop dat een van deze dingen ijswolken vormt. Het loodhoudende wolkenstof dat het team vond, was waarschijnlijk ook afkomstig van menselijke activiteit: bronnen zoals uitlaatpijpen van vliegtuigen, kolencentrales en gelode benzine die pas halverwege de jaren negentig wereldwijd werd uitgefaseerd. Hoewel hij zeker geen voorstander is van verdere vervuiling, erkent Cziczo dat de opwarming van de aarde veel erger zou zijn als er geen menselijke deeltjes aan de atmosfeer waren toegevoegd.

In het verleden hebben klimaatbeoordelingsgroepen niet echt onderzocht of antropogene activiteit ijswolken zou kunnen beïnvloeden, hoewel bekend is dat ze belangrijk zijn voor het klimaat, zegt Jon Abbatt, een professor in atmosferische chemie aan de Universiteit van Toronto. Dat is het bijzondere aan het werk van Dan. Hij heeft de capaciteiten om te beoordelen of er antropogene handtekeningen zijn in ijswolken. Dat is het startpunt om een ​​inschatting te maken van ijsvorming in relatie tot klimaatverandering.

Samen meten
Cziczo en een groeiende gemeenschap van atmosferische wetenschappers hopen dat het identificeren van de basisprincipes van wolkenvorming alle resterende onzekerheid over de opwarming van de aarde wegneemt. Naast hun experimentele werk ontwikkelen ze klimaatmodellen waarin wolkenvorming is verwerkt. De gegevens die ze verzamelen, zullen helpen om dergelijke modellen veel nauwkeuriger te maken, hoewel er aanzienlijke uitdagingen moeten worden overwonnen: de meeste modellen simuleren het klimaat door de wereld in een raster te verdelen en gemiddelde weergegevens over vierkanten die, in de beste resolutie, 100 vierkante kilometer zijn. Het incorporeren van clouddata op het niveau van fijne aerosolen zou enorme rekenkracht vergen.

Chien Wang, senior onderzoeker in het MIT's Center for Global Change Science, werkt samen met Cziczo om manieren te vinden om deze fijnstofgegevens in grootschalige klimaatmodellen in te passen. Dans laboratorium- en veldwerk kan ons uiteraard helpen ons model te verbeteren om de koppeling tussen aerosolen en ijswolken en hun klimaateffecten beter te simuleren, zegt Wang. Ik ben heel blij dat we hem in huis kunnen hebben.

Het werk van Cziczo kan ook helpen om een ​​ander groot obstakel in het veld te overwinnen. Onderzoekers in verschillende groepen hebben de neiging om hun eigen wolkenkamers te bouwen, en de metingen van de ene zijn mogelijk niet vergelijkbaar met die van de andere. Het instrument dat Cziczo hielp ontwerpen, kreeg onlangs een licentie van een bedrijf in Colorado, dat het produceert als de eerste commerciële ijswolkkamer. Modelnummer 001 heeft een ereplaats op zijn MIT-labbank en andere onderzoekers hebben bestellingen voor meer eenheden geplaatst.

Terug in zijn MIT-kantoor kijkt Cziczo uit zijn raam, een weids uitzicht over de skyline van Boston en een paar verdwaalde wolken erboven. Af en toe maakt hij foto's van wolkenformaties, of interessante condensstrepen van passerende vliegtuigen, en vraagt ​​hij zijn studenten om het type wolk te identificeren en waar deze zich zou kunnen hebben gevormd. Het is een oefening die zowel uit pure verwondering als uit wetenschappelijke nieuwsgierigheid voortkomt.

Als kind was ik altijd een beetje gefascineerd door wolken en vliegen en dat soort dingen, herinnert hij zich. Ik denk dat ik er nu meer plezier uit haal, omdat ik er iets van begrijp, en ik probeer nog steeds naar buiten te kijken en dingen uit te zoeken.

Naast het bestuderen van wolken in de atmosfeer van de aarde, onderzoekt Dan Cziczo de wolken die zich op Mars kunnen vormen. Hoewel de atmosfeer van Mars te dun is om leven te ondersteunen, hebben recente afbeeldingen van NASA's Mars Reconnaissance Orbiter koolstofdioxidesneeuw laten zien, neergeslagen uit wolken.

Om erachter te komen wat die wolken zou kunnen vormen, die voor Cziczo eruitzagen als diamantstof, kweken hij en zijn studenten wolken onder Marsachtige omstandigheden in het laboratorium. Ze maakten onlangs een reis naar de grootste nevelkamer ter wereld, de Aerosol Interaction and Dynamics in the Atmosphere (AIDA) -faciliteit in Karlsruhe, Duitsland - een oude, hergebruikte kernreactor waarvan de kern is vervangen door een kamer van drie verdiepingen hoog . Wetenschappers van over de hele wereld gebruiken de enorme kamer om grootschalige effecten waar te nemen die ze niet konden zien in tafelmodellen.

Het team van Cziczo nam contact op met NASA voor stofmonsters waarvan wordt aangenomen dat ze qua samenstelling vergelijkbaar zijn met stof op Mars (het werd eigenlijk verzameld uit Amerikaanse woestijnen) en plaatste ze in de wolkenkamer, waarbij de temperatuur en relatieve vochtigheid werden aangepast aan de niveaus die op Mars zijn waargenomen. Het experiment vormde met succes een water-ijswolk.

Cziczo hoopt door te gaan met deze nieuwe buitenaardse tak van zijn onderzoek, waarvan hij zegt dat het deels is geïnspireerd op de atmosferische beelden die zijn gemaakt door de Mars Reconnaissance Orbiter en NASA's Feniks lander.

Je ziet ijskristallen uit de atmosfeer vallen, zegt hij. En het is grappig, want de eerste keer dat ik die beelden zag, leken ze op wolken in de atmosfeer van de aarde.

- J.C.

zich verstoppen