W poszukiwaniach źródeł wody atmosferycznej
Cykl hydrologiczny to złożony system. Niektóre procesy zachodzą w skalach znacznie mniejszych niż te, które można uwzględnić w modelach prognozowania pogody. Niektóre procesy mogą się ponadto wzajemnie kompensować, co utrudnia ich obliczanie. Te „niewykrywalne błędy związane z kompensacją” ograniczają nasze zrozumienie cyklu hydrologicznego i stanowią największe źródło niepewności w prognozowaniu pogody i modelach klimatycznych. Przykładem tego jest równowaga między parowaniem a opadami. Parowanie zwiększa wilgotność atmosfery, a opady zmniejszają ją. Łatwiej jest obserwować wilgotność niż parowanie i opady, dlatego też zbyt wysokie parowanie może być kompensowane przez zbyt wysokie opady. „Stanowi to problem, ponieważ bardzo zależy nam na przewidywaniu opadów, ale także dlatego, że z oboma tymi procesami wiążą się duże przepływy energii, a więc poprawność tych pomiarów jest istotna dla prognoz pogody” — mówi Harald Sodemann(odnośnik otworzy się w nowym oknie), profesor meteorologii na Uniwersytecie w Bergen. Pomocne mogą być stabilne izotopy wody, ponieważ są wrażliwe na przejścia fazowe (takie jak ciecz-para na oceanach i para-ciecz lub para-lód w chmurach). Każdy pomiar stabilnych izotopów wody w powietrzu może dostarczać również informacji o tym, ile wilgoci dodano lub usunięto w poprzednich dniach. W ramach finansowanego ze środków UE projektu ISLAS(odnośnik otworzy się w nowym oknie) Sodemann i jego zespół badali wykorzystanie stabilnych izotopów w rewizji naszego postrzegania obiegu wody w atmosferze. Pomysł polegał na wykorzystaniu Mórz Nordyckich jako naturalnego laboratorium do badania podstawowych procesów na dużą skalę.
Śledzenie historii pary wodnej od źródła do odbiornika
Morza Nordyckie są miejscem, gdzie zachodzą szczególne zjawiska pogodowe zimą i wiosną, zwane wybuchami zimnego powietrza (CAO, ang. cold-air outbreak). Podczas CAO zmrożone arktyczne powietrze przemieszcza się nad krawędzią lodu i nad otwartą wodę, a ponieważ ocean jest cieplejszy, prowadzi to do silnego parowania do niższych warstw atmosfery. „W tym przypadku wiemy dokładnie, gdzie znajduje się źródło wilgoci. Dlatego uważamy ten region za naturalne laboratorium” — zauważa Sodemann. Zespół wykorzystał instrumenty pomiarowe na samolocie badawczym, statku badawczym i lądzie do przechwytywania masy powietrza CAO na różnych etapach. Dzięki temu można było zobaczyć, ile wilgoci znajdowało się w atmosferze, a ile zostało z niej usunięte. Na koniec zespół zmierzył stabilne izotopy w śniegu na ziemi.
Wykorzystanie stabilnych izotopów do przewidywań modelowych
Najbardziej bezpośrednim, praktycznym rezultatem projektu i jego spuścizną jest zbiór danych z trzech kampanii pomiarowych. W trakcie pomiarów prowadzonych w 2020 roku jeden niespodziewany, istotny pod względem naukowym moment pomógł zespołowi rozstrzygnąć kontrowersję dotyczącą stabilnych izotopów w Arktyce. Sodemann podkreślił jednak, że wiedza zdobyta w ramach projektu wykracza znacznie poza osiągnięcie celu czy dostarczenie rezultatu. Jak wyjaśnia: „Dotyczy to sposobu, w jaki myślimy o obiegu wody, jako o połączonej sekwencji zdarzeń, a nie odizolowanym stanie”. Zespołowi udało się potwierdzić, że koncepcja wykorzystania stabilnych izotopów wody do śledzenia historii pary wodnej od źródła do odbiornika sprawdza się. „Podkreśla to wartość uwzględniania stabilnych izotopów w prognozach modelowych, przynajmniej do celów badawczych” — dodaje Sodemann.
Włączenie rozwoju nauki obywatelskiej
Pomysły z projektu będą kontynuowane w ramach UE Water4All, w wysoce interdyscyplinarnym projekcie o nazwie ISOSCAN(odnośnik otworzy się w nowym oknie), który zbada wykorzystanie pomiarów stabilnych izotopów w śniegu powierzchniowym do poprawy prognoz spływu rzek. „W tym celu wykorzystamy naukę obywatelską do zbierania śniegu z dużych obszarów i włączymy mieszkańców i turystów w proces naukowy” — mówi Sodemann.
