„Na własne oczy” - lotnicza kampania pomiarowa CLAPREC, Portugalia 2006

Zwykło się mówić, iż jedno zdjęcie zastępuje tysiąc słów.

Podobne zdanie w nieco zmienionej wersji: „tysiąc zdjęć nie zastąpi wrażenia z osobistego udziału w lotniczej kampanii pomiarowej”, padło z ust Peter’a Chappell, pilota BAe 146, samolotu badawczego, obsługującego eksperyment CLAPREC.

Czy to prawda – trudno powiedzieć, tym niemniej wydaje się, że pomimo sceptycyzmu zawartego w tej wypowiedzi warto podjąć próbę opisu takiego przedsięwzięcia.

W publikacjach z zakresu nauk o Ziemi, w różnych kontekstach spotkać można się z zagadnieniem pomiarów lotniczych. W odniesieniu do atmosfery, takie pomiary są jedną z podstawowych metod pozyskiwania informacji o jej stanie i właściwościach a znajomość metodologii eksperymentu przeprowadzonego z użyciem lotniczej aparatury pomiarowej jest w zasadzie niezbędna dla właściwej interpretacji zgromadzonych danych i wiarygodnego formułowania wniosków.

Czym więc jest lotnicza kampania pomiarowa?

Na przełomie maja i czerwca 2006 miałem okazję uczestniczyć w eksperymencie CLAPREC, dedykowanym badaniom mikrofizycznych właściwości chmur na pograniczu lądu i oceanu – oparta na osobistych wrażeniach relacja z udziału w tym przedsięwzięciu ma być próbą odpowiedzi na postawione wyżej pytanie.

CLAPREC jest akronimem hasła „Clouds Aerosols and PRECipitation” (chmury, aerozole a opady atmosferyczne) i to właśnie z tymi zagadnieniami związany był eksperyment. Ogólny kontekst dotyczył badań wpływu aerozoli pochodzenia antropogenicznego na powstawanie opadów atmosferycznych w obszarach na pograniczu lądu i morza.

Zakłada sie, że wprowadzenie tego typu aerozoli do chmur pochodzenia morskiego napływających nad obszar lądowy, znacząco modyfikuje ich właściwości i prowadzić może do rozwoju chmur cumulonimbus połączonych z bardzo silnym opadem . W efekcie zamiast równomiernie rozproszonego na całej powierzchni średnio intensywnego deszczu (charakterystycznego dla chmur morskich, typu stratocumulus) pojawiają się jednocześnie rejony z deficytem wody oraz z bardzo wysokimi wartościami opadu skoncentrowanego w jednej lokalizacji. W dłuższej skali czasowej prowadzić to może do niekorzystnych zmian klimatu, w szczególności w sąsiedztwie obszarów nadbrzeżnych.

Zjawiska tej klasy, związane z modyfikacją dynamiki opadu pod wpływem aerozoli określa się mianem wtórnego pośredniego efektu aerozolowego (second indirect aerosol effect). Ich występowanie potwierdzić można między innymi dzięki pomiarom satelitarnym, które pozwalają na uzyskanie wiedzy o typie chmur i rodzaju aerozoli zalegających nad danym obszarem.

Inną sprawą jest to, że skuteczność algorytmów odzyskujących informacje o właściwościach atmosfery z parametrów mierzonych przez satelitę jest różna - lotnicza kampania pomiarowa CLAPREC służyć miała ocenie wiarygodności jednego z nich.

Jej bezpośrednim celem była walidacja tzw. „metody Rosenfelda”, pozwalającej na odtworzenie profili pionowych chmur (m.in. średnica kropel i temperatura w funkcji wysokości) na podstawie pomiarów satelitarnych1. Porównanie tak otrzymanych wartości z danymi uzyskanymi przy pomocy lotniczej aparatury pomiarowej w pomiarach „in situ” stanowi istotę walidacji i odpowiada na fundamentalne pytanie o przydatność danego sposobu odzyskiwania informacji o stanie atmosfery.

Można spodziewać się, że zaobserwowanie wspomnianego wpływu aerozoli antropogenicznych na powstawanie silnie wypiętrzonych chmur, powiązanych z intensywnym opadem, będzie stosunkowo łatwe w sąsiedztwie zurbanizowanych obszarów na pograniczu morza i lądu. Dla pojawienia się tego typu zachmurzenia, istotne jest także na tyle silne podgrzanie podłoża przez promieniowanie słoneczne aby zaistniały warunki dla ewentualnego rozwoju struktur konwekcyjnych mocno rozbudowanych w pionie.

Stąd wybór czasu i miejsca eksperymentu – wybrzeże Portugalii na przełomie wiosny i lata.

Na potrzeby kampanii pomiarowej CLAPREC, jako bazę wypadową wybrano lotnisko wojskowe w miejscowości Beja, z którego stosunkowo szybko osiągnąć można było dowolny punkt w sąsiedztwie południowo-zachodniego wybrzeża Półwyspu Iberyjskiego. Zaplanowano dwadzieścia godzin lotów badawczych, na których potrzeby zarezerwowano okres od 1do16 czerwca 2006 r. Wydawać by się mogło, że taka ilość godzin pomiarowych, przypadająca na ponad dwutygodniowy okres to niewiele. Jeśli jednak uwzględnić fakt, iż optymalne warunki związane z napływem chmur pochodzenia morskiego nad obszary lądowe nie występują każdego dnia (początkowo zachodziła nawet obawa, że takowe w ogóle się nie pojawią) oraz, że standardowy czas trwania misji pomiarowej wynosi kilka godzin to konwencja przyjętych ram czasowych zdaje się być uzasadniona. Z drugiej strony zapytać można dlaczego tylko dwadzieścia godzin i tylko dwa tygodnie - argument kosztu godziny lotu badawczego dla tego typu pomiarów (średnio ok. 10 000 €), zdaje się być kluczowy. Jednostką wykorzystywaną w trakcie eksperymentu był, użytkowany na co dzień głównie przez Brytyjską Służbę Meteorologiczną (Met Office) samolot BAe 146 G-LUXE (opis: http://www.faam.ac.uk/ ). Wchodzi on w skład Europejskiej Grupy Samolotów Badawczych EUFAR (European Fleet for Airborn Research), instytucji której zadaniem jest ułatwienie w korzystaniu z samolotów badawczych w ramach UE, co realizowane jest poprzez wsparcie finansowe oraz pomoc organizacyjno-koncepcyjną. Warto nadmienić, że czynności związane z zaplanowaniem i przygotowaniem stosunkowo krótkiego i prostego eksperymentu, jakim był CLAPREC (tj. w porównaniu do innych przedsięwzięć tego typu), zajęły kilka miesięcy i nie jest to bynajmniej nietypowy przedział czasu.

Samolot badawczy BAe 146 G-LUXE.
 

Ze względu na cele kampanii pomiarowej CLAPREC najistoniejszymi parametrami mierzonymi w trakcie lotów były rozmiar kropel chmurowych i temperatura w funkcji położenia - pomiar dokonywany przy pomocy typowych dla tego typu badań czujników FFSSP (Fast Forward Scattering Spectrometer Probe), 2D-P (Two Dimension Precipitation particle imaging probe) oraz termometrów oporowych (De-iced Rosemount 102BL, Non De-iced Rosemount 102AL).

Aparatura pomiarowa. Czujniki FFSSP, 2-DP, termometry oporowe. (Opis działania i dokumentacja techniczna:  http://www.faam.ac. uk/public/instrumentation.html)

Wnętrze samolotu BAe 146 G-LUXE.
 

Procedura związana z przygotowaniem standardowego lotu badawczego rozpoczynała się w zasadzie dobę wcześniej od rozpoznania dotyczącego prognozy pogody oraz ustalenia warunków dostępności przestrzeni powietrznej w wybranej lokalizacji, dogodnej dla przeprowadzenia misji pomiarowej.

Poranne odprawa przed wylotem.                                       Procedura „antyterrorystyczna”.
 

Następnie zapadała wstępna decyzja o wyborze trasy i czasie przelotu. Popołudniowa dyskusja w gronie członków załogi i naukowców dookreślała skład grupy mającej wylecieć dnia następnego, kiedy to po uprzednim porannym sprawdzeniu warunków bieżących i najnowszej prognozy na przelot, ostatecznie decydowano o wylocie, który z reguły następował w godzinach wczesno-popołudniowych.

Trasa przelotu wybrana była w ten sposób, aby w ciągu paru godzin można było przeprowadzić pomiary nad lądem i oceanem, co odbywało się w trakcie tzw. profilowania, czyli lotu wznoszącego od podstawy chmury do jej wierzchołka – tą metodę stosowano dla chmur lądowych we wczesnej fazie rozwoju oraz niewypiętrzonych struktur nad powierzchnią oceanu.

Przykładowe trasy przelotu.
 

W przypadku chmur konwekcyjnych o znacznej rozciągłości w pionie i dużej dynamice ten sposób ze względów bezpieczeństwa (silne prądy wznoszące i wysokie gradienty prędkości, mogące spowodować uszkodzenie samolotu) nie był wykorzystywany – pomiaru dokonywano wielokrotnie przecinając wierzchołki chmur. Różne wysokości, dla których prowadzono rejestrację (przedział 3000-6000m) odpowiadały kolejnym wczesnym stadiom rozwoju chmury cumulonimbus.

W poszukiwaniu “właściwej” chmury.
 

 
W poszukiwaniu “właściwej” chmury c.d.
 

Po wylądowaniu i transferze zebranych danych z pokładu samolotu nadchodził czas wieczornej odprawy która była podsumowaniem misji ale stanowiła też zapowiedź dnia następnego zamykając i zarazem rozpoczynając kolejny epizod pomiarowy.

Podczas całego eksperymentu, przeprowadzono pięć lotów badawczych, wykorzystując wszystkie z dwudziestu dostępnych godzin. Po zakończeniu działalności pomiarowej samolot odleciał do bazy w Cranfield w Wielkiej Brytanii, gdzie czekać miał na kolejną kampanię pomiarowa. Zarejestrowane wyniki przesłano na serwery w Met Office a ich opracowywanie trwa.

Projekt CLAPREC zrealizowano z inicjatywy grupy naukowców z Universytetu Evora w Portugalii pod przewodnictwem Juan Corte Real oraz Daniela Rosenfelda z Hebrew University, Jerusalem. Wsparcie operacyjne w zakresie planowania lotu i obsługi przyrządów pomiarowych zapewnił skład z ramienia Met Office pod kierownictwem Dave’a Kindred.

Mój udział możliwy był dzięki programowi Education & Training w ramach EUFAR (European Fleet for Airborn Research), adresowanemu do młodych naukowców prowadzących aktywność w zakresie badań atmosfery.

Zespół CLAPREC
 

Czy przedstawiony opis choć częściowo oddaje ogólne wrażenie z udziału w kampanii, czy też może sceptycyzm wypowiedzi, cytowanego na początku Peter’a Chappell, pilota BAe 146 był uzasadniony?

Odpowiedź pozostawiam byłym (przyszłym?) uczestnikom lotniczych kampanii pomiarowych (dyskusja na forum – ewentualny adres przyszłego linku).