Att ta sig fram i molnen

När skymningen lägger sig över Cambridge en midvinterkväll stannar Dan Cziczo upp för en stund för att ta in en spektakulär utsikt. Det är solnedgång, och strax ovanför horisonten blöder ränder av rött och orange ut i djupare strängar av lila och blått när moln av alla slag sträcker sig över den mörknande himlen. Bomullspuffar av cumulus blandas med ett täckt lager av stratus och tunna, fjäderlika trådar av cirrus spår över huvudet. För alla som tar en paus från jobbet för att titta västerut längs Charles River, är synen en fantastisk.

För Cziczo, en 42-årig atmosfärsforskare vid MIT, uppfattningen, på ett sätt, är hans arbete. Cziczo studerar molnbildning, och han ser moln – i synnerhet cirrus – som en nyckel till att svara på en avgörande fråga: exakt hur mycket kommer jorden att värmas upp inom en snar framtid?

Det bästa svaret som forskare har kommit med hittills är fortfarande osäkert - allt från 1 till 5 °C, beroende på mängden växthusgaser som människor tillför atmosfären. I delar av världen kan sådana ökningar innebära stigande hav, starkare stormar och skadliga bränder och översvämningar. Med varje grad av uppvärmning förutspår forskare upp till 15 procents minskningar av skörden, 15 procents minskningar i det område som täcks av arktisk havsis, 10 procents ökning av nederbörden under de tyngsta stormarna och 400 procents ökningar i områden som bränts av skogsbränder i västra USA. Det betyder att skillnaden mellan en och fem graders uppvärmning är ganska betydande.

År 2007, i en rapport från den Nobelprisbelönta mellanstatliga panelen för klimatförändringar, drog forskare från hela världen slutsatsen att mycket av osäkerheten i klimatprognoser har att göra med moln. Forskarna noterade att även om moln kan blockera solstrålning från att komma in i atmosfären, är förhållandena under vilka de bildas och i vilken utsträckning de faktiskt kyler planeten genom att reflektera bort strålningen mycket dåligt förstådda. Ytterligare komplicerar saken, en varmare jord håller mer fukt, vilket kan öka den totala volymen av moln.

För att minska osäkerheten i klimatprognoser studerar Cziczo och hans forskargrupp vid MIT ämnen som aerosoler, eller luftburna partiklar, som fungerar som frön som hjälper moln att bildas. När partiklar som damm flyter upp i atmosfären, ger de en yta på vilken vattenånga kan kondensera eller frysa och bilda en fin dimma som på avstånd kan verka pösig, skiktad eller tråkig, beroende på en regions temperatur och relativa luftfuktighet.

Olika partiklar och moln agerar olika, och att förstå denna balans är verkligen hur vi ska öka säkerheten [om klimatprognoser], säger Cziczo. Att fästa det för att säga: 'Får vi en grad eller tre graders uppvärmning?' Det är sånt vi försöker ta reda på.

Att se genom cirrus
Ikväll tar Cziczo upp molnet från en avundsvärd sittplats: taket på MIT:s 21 våningar höga Cecil och Ida Green Building, den högsta byggnaden i Cambridge.

Taket har länge varit en idealisk plats för atmosfäriska studier, inhysning av instrument som mäter vindhastighet, relativ fuktighet och temperatur. Vid enstaka tillfällen kommer Cziczo, en docent vid institutionen för jord-, atmosfärs- och planetvetenskap, att ta med sina elever hit för att ta instrumentavläsningar, med hjälp av data för att ta reda på om och var moln kommer att bildas.

Den här gången är han dock bara här för utsikten.

Om du tittar genom solnedgången kan du se de högre molnen, den sortens tråkiga, säger Cziczo medan han pekar ut cirrusmoln i fjärran. De gör dessa coola filament ... deras grekiska namn har att göra med tagel eller stos svansar, och det är de vi har studerat på sistone, på grund av deras betydelse för klimatet.

Cirrusmoln bildas fyra till 12 kilometer över jordens yta i den övre delen av troposfären, det lägsta lagret av atmosfären. På sådana höjder kan vattenånga frysa runt partiklar och bilda iskristaller. De resulterande ismolnen, som cirrusmoln också är kända, är vanligtvis det första molnskiktet som solljus möter när det tar sig till ytan. Iskristallerna fungerar som små reflektorer som sprider solljus. Man tror att moln i allmänhet kan reflektera tillräckligt med solljus tillbaka ut i rymden för att kompensera mellan hälften och tre fjärdedelar av uppvärmningen som orsakas av växthusgaser som koldioxid. Nettoeffekten av cirrusmoln är dock oklart: medan de skyddar planeten från inkommande solljus, fångar de också strålning som försöker fly från dess yta.

För att veta exakt vilken roll cirrusmoln spelar, säger Cziczo, är det viktigt att förstå hur de bildas - specifikt vilka partiklar eller aerosoler som naturligt sådd dem.

När solen går ner beger han sig ner till sitt labb på 13:e våningen, där två glasrör, delvis inneslutna i ett metallhölje, håller på att brygga upp moln. Upplägget, som han hjälpte till att bygga, kallas en molnkammare. Genom att justera temperaturen och den relativa luftfuktigheten i kammaren kan forskarna skapa perfekta förutsättningar för bildandet av molndroppar eller iskristaller. Den enda som saknas är ett idealiskt frö på vilket moln kan bildas.

Siktning för frön
Cziczo har testat olika aerosoler för att se vilka som lättast bildar moln i kammaren. Genom att mata in dessa olika aerosoler i kammaren när han efterliknar väderförhållanden i vissa delar av världen, hoppas han kunna fastställa vilka partiklar som orsakar molnbildning i dessa regioner. För att demonstrera tar han fram en liten burk med grått pulver, mineraldamm samlat i Wisconsin.

Låt oss göra en dammstorm, säger han och viftar med den öppna burken framför två munstycken som tar luft in i varje glasrör. Rören är för små för att generera synliga moln, så Cziczo använder ett system av lasrar för att mäta om vattenångan har smält samman till droppar som är tillräckligt stora för att betraktas som molnpartiklar.

Därefter torkar Cziczo molndropparna genom att skicka dem genom ett litet fack fyllt med torkmedel som liknar det som finns i paketen som finns i skokartongerna. Han och hans kollegor kan sedan analysera dem för att bestämma den exakta sammansättningen av molnfröet.

Molnkammaren är tillräckligt liten för att packas ihop och föras till vilken del av världen som helst för att prova direkt från en regions atmosfär, vilket Cziczo säger är en stor fördel. Forskare kan upptäcka att även om en viss aerosol är utmärkt för att så moln i labbet, så finns den aerosolen inte på den höjd där den kan bilda moln i naturen. Det antas allmänt att biologiskt material är ett fantastiskt ämne för att bilda ismoln, säger han och noterar att vissa typer av pollen genererar moln anmärkningsvärt bra i hans kammare. Men när du går på fältet inser du att det helt enkelt inte finns i den övre troposfären i stort antal, så det kan inte ha någon stor effekt på molnen. Om du bara provade på marken kan du lura dig själv att tro att det är viktigt. Så han har strävat efter att inkludera både fältstudier och labbarbete i sin grupps forskning.

Sitter i ismoln
Under de senaste 15 åren har Cziczo besökt bergstoppar i jakt på de typer av aerosoler som sannolikt finns i den övre troposfären. Som postdoc vid University of Colorado och National Oceanic and Atmospheric Administration gjorde han resor till Storm Peak Laboratory, i norra centrala Colorado, där han tog prov på höghöjdsmoln med en tidig version av molnkammaren. Den erfarenheten förberedde honom för en forskar- och lärartjänst vid det schweiziska federala tekniska institutet i Zürich, och sedan för en bokstavlig höjdpunkt i hans karriär: ett provtagningsprov på moln vid Sphinx Observatory, en avlägsen forskningsstation byggd längs ryggraden av Bernalperna. Uppkallad efter sin sfinxliknande arkitektur, är det ett av de högsta landbaserade observatorierna i världen på mer än 11 ​​000 fot över havet. På denna höjd kan blandfasmoln – som liknar cirrusmoln – täcka topparna.

Webbplatsen, som har kallats Europas topp, är en turistattraktion om dagen, när människor reser upp med tåg – elektriskt drivna för att inte förorena forskarnas mätningar med avgaser. På natten lyfter dock turisterna och forskarna lägger sig.

Den första natten sover ingen, minns Cziczo. Du får en bultande huvudvärk, och du kan känna ditt hjärta slå. Det tar ett par dagar att vänja sig, men efter det är det fantastiskt … ibland sitter du faktiskt i ismoln.

Efter sin tid i Schweiz fortsatte Cziczo sitt arbete tillbaka i USA vid Pacific Northwest National Laboratory. 2011 flyttade han österut för att ansluta sig till fakulteten vid MIT.

I mars 2011 tog han och hans elever molnkammaren till Johnson Space Flight Center i Houston, där de monterade den på nosen på en gammal B-57 bombplan. Planet, som flögs på 1950-talet under spaningsuppdrag, har sedan dess använts som ett forskningsflygplan och används nu för projekt som en NASA-fältkampanj som kallas Mid-latitude Airborne Cirrus Properties Experiment (MACPEX). Planet flyger så högt som 63 000 fot, vilket gör det perfekt för provtagning av cirrusmoln, även om det kan vara svårt att förutse när de kan dyka upp.

Under en period av sex veckor samlade teamet molnprover över Mexikanska golfen och öknen i sydväst. Analys av deras sammansättning visade att mineraldamm, såsom sand som sparkades upp från en ökenstorm, stod för cirka 60 procent av aerosolarna i dessa moln. Forskarna fann också att mellan 8 och 25 procent av de molnbildande dammpartiklarna innehöll bly. Vad de inte hittade var kanske mer överraskande: biologiskt material som pollen och sporer, eller kol som släpps ut från skorstenar. Medan forskare har sett kol och pollen lätt bilda moln i labbet, stod denna typ av aerosol för mindre än 1 procent av cirrusmolnpartiklarna i Cziczos fynd.

Forskare hoppas att sådana experiment kommer att hjälpa till att fastställa exakt vilka aerosoler som bildar cirrusmoln och, ännu viktigare, om dessa aerosoler frigörs av mänsklig aktivitet. Till exempel säger Cziczo att även om mineraldamm är ett naturligt ämne, till stor del gjord av smuts och sand som blåses bort från jordens yta, har människor väsentligt förändrat mängden av det i atmosfären.

När du ändrar markanvändning, när du gör dig av med skog för att skapa odlingsmark, eller du odlar under grödor ... stör du mineraldamm, säger han. Så det är en naturlig partikel, men det finns mer av det på grund av konstgjorda aktiviteter. Och det ser ut som att det är en av dessa saker som bildar ismoln. Det blyhaltiga molndammet teamet hittade kom förmodligen också från mänsklig aktivitet: källor som flygplansavgasrör, koleldade kraftverk och blyhaltig bensin som inte fasades ut över hela världen förrän i mitten av 1990-talet. Även om han verkligen inte förespråkar ytterligare föroreningar, erkänner Cziczo att den globala uppvärmningen skulle vara mycket värre om det inte var för mänsklig tillsats av partiklar till atmosfären.

Tidigare har klimatbedömningsgrupper verkligen inte tagit upp huruvida antropogen aktivitet kan påverka ismoln, även om de är kända för att vara viktiga i klimatet, säger Jon Abbatt, professor i atmosfärisk kemi vid University of Toronto. Det är det som är speciellt med Dans arbete. Han har förmågan att bedöma om det finns antropogena signaturer i ismoln. Det är utgångspunkten för att försöka göra en bedömning av isbildningen när den relaterar till klimatförändringar.

Mäter tillsammans
Cziczo och en växande gemenskap av atmosfäriska forskare hoppas att identifiering av grunderna för molnbildning utplånar all återstående osäkerhet om global uppvärmning. Utöver sitt experimentella arbete utvecklar de klimatmodeller som inbegriper molnbildning. Datan de samlar in kommer att hjälpa till att göra sådana modeller mycket mer exakta, även om det finns betydande utmaningar att övervinna: de flesta modeller simulerar klimatet genom att dela upp jordklotet i ett rutnät, genom att beräkna väderdata i genomsnitt över kvadrater som är, med den finaste upplösningen, 100 kvadratkilometer. Att införliva molndata på nivån med fina aerosoler skulle kräva enorm beräkningskraft.

Chien Wang, senior forskare vid MIT:s Center for Global Change Science, arbetar med Cziczo för att hitta sätt att passa in dessa finpartiklar i storskaliga klimatmodeller. Dans labb och fältarbete kan uppenbarligen hjälpa oss att förbättra vår modell för att bättre simulera kopplingen mellan aerosoler och ismoln och deras klimateffekter, säger Wang. Jag är väldigt glad att vi kan ha honom hemma.

Cziczos arbete kan också hjälpa till att övervinna ett annat stort hinder på fältet. Forskare i olika grupper tenderar att bygga sina egna molnkammare, och mätningarna från en kanske inte är jämförbara med de från en annan. Instrumentet som Cziczo hjälpte ingenjören licensierades nyligen av ett företag i Colorado, som tillverkar det som den första kommersiella ismolnskammaren. Modellnummer 001 har en hedersplats på hans MIT-labbänk, och andra forskare har lagt beställningar på fler enheter.

Tillbaka på sitt MIT-kontor tittar Cziczo ut genom sitt fönster, en vidsträckt vy som tar in Bostons silhuett och några herrelösa moln ovanför. Ibland tar han bilder av molnformationer, eller intressanta konturer från passerande flygplan, och ber sina elever att identifiera typen av moln och var det kan ha bildats. Det är en övning född av ren förundran lika mycket som vetenskaplig nyfikenhet.

Som barn var jag alltid fascinerad av moln och flygande och sånt, minns han. Jag tror att jag får mer glädje av det nu, eftersom jag förstår en del av det, och jag försöker fortfarande titta ut och lista ut saker.

Förutom att studera moln i jordens atmosfär undersöker Dan Cziczo de som kan bildas på Mars. Även om Mars-atmosfären är för tunn för att bära liv, har de senaste bilderna från NASA:s Mars Reconnaissance Orbiter visat koldioxidsnö, utfälld från moln.

För att ta reda på vad som kan bilda dessa moln, som för Cziczo såg ut som diamantdamm, odlar han och hans elever moln under Mars-liknande förhållanden i labbet. De gjorde nyligen en resa till den största molnkammaren i världen, Aerosol Interaction and Dynamics in the Atmosphere (AIDA)-anläggningen i Karlsruhe, Tyskland – en gammal, återanvänd kärnreaktor vars kärna har ersatts med en tre våningar hög kammare . Forskare från hela världen använder den massiva kammaren för att observera storskaliga effekter som de inte kunde se i bänkmodeller.

Cziczos team kontaktade NASA för prover av damm som troddes vara liknande i sammansättning som damm på Mars (det samlades faktiskt in från amerikanska öknar) och placerade dem i molnkammaren och justerade dess temperatur och relativa luftfuktighet till nivåer som har observerats på Mars. Experimentet bildade framgångsrikt ett vatten-ismoln.

Cziczo hoppas kunna fortsätta denna nya utomjordiska gren av sin forskning, som han säger var inspirerad delvis av de atmosfäriska bilderna tagna av Mars Reconnaissance Orbiter och NASA:s Fågel Fenix landare.

Man kan se iskristaller falla ur atmosfären, säger han. Och det är roligt, för första gången jag såg de bilderna såg de ut som moln i jordens atmosfär.

- J.C.

Dölj