ALBUQUERQUE, NM – Wissenschaftler der Sandia National Laboratories untersuchen Schiffsspuren – Wolken, die Sonnenlicht reflektieren und von sich bewegenden Schiffen gebildet werden, ähnlich wie Kondensstreifen von Flugzeugen –, um Entscheidungsträger über die Vorteile und Risiken einer Technologie zu informieren, die zur Verlangsamung des Klimas in Betracht gezogen wird ändern.
Um zu verstehen, wie sich diese Schiffsspuren bewegen und auflösen, erstellten die Wissenschaftler ein mathematisches Modell von Schiffsspuren und wie lange sie halten, teilten sie in einem kürzlich in der wissenschaftlichen Zeitschrift veröffentlichten Artikel mit Umweltdatenwissenschaft.
„Schiffsabgase sind ein Beispiel für Aerosolinjektionen in die untere Atmosphäre, die sich auf die lokale Umwelt auswirken, und treten täglich auf“, sagte Lyndsay Shand, Statistikerin bei Sandia und Projektleiterin. „Wir haben Analysewerkzeuge entwickelt, um die Auswirkungen von Abgasen auf Wolken anhand von Beobachtungsdaten zu verstehen, die von Satelliten gesammelt wurden. Beispielsweise können wir eine neu gebildete Schiffsspur lokalisieren und ihre Entwicklung verfolgen, um besser zu verstehen, wie sie sich im Laufe der Zeit auf die lokale Meeresumwelt auswirkt. Wir haben festgestellt, dass Schiffsspuren mehr als 24 Stunden andauern, länger als bisher dokumentiert.“
Zum Ansehen klicken Eine Animation der Aufhellung mariner Wolken, einer Gruppe von Technologien, die zur Verlangsamung des Klimawandels und seiner Auswirkungen in Betracht gezogen werden. Wissenschaftler der Sandia National Laboratories untersuchen Schiffsspuren, um Entscheidungsträger über die Vorteile und Risiken dieser Technologien zu informieren. (Animation von Bryn Whisenand) Medienvertreter können die Animation herunterladen und zur Veranschaulichung von Nachrichten verwenden.)
Ozeanwolken bilden, um den Klimawandel zu verlangsamen
Schiffsspuren sind ein unbeabsichtigtes Beispiel für die Aufhellung mariner Wolken, eine Gruppe von Technologien, die zur Verlangsamung des Klimawandels und seiner Auswirkungen in Betracht gezogen werden. Die Aufhellung von Meereswolken funktioniert, indem Ozeanwolken erzeugt werden, die einen Teil des Sonnenlichts zurück in den Weltraum reflektieren, bevor seine Wärme in der Atmosphäre oder von der Erdoberfläche absorbiert wird.
Eine andere, ähnliche Gruppe von Klimainterventionstechnologien wird als stratosphärisches Aerosol oder Gasinjektion bezeichnet. Dabei werden winzige Partikel, Aerosole oder Gase genannt, hoch in die obere Atmosphäre eingebracht, um die Auswirkungen eines großen Vulkanausbruchs nachzuahmen, um etwas Sonnenlicht zu reflektieren und den Klimawandel zu reduzieren.
Diese beiden Technologiegruppen haben das Potenzial, der Wirkung von Treibhausgasen entgegenzuwirken, die durch Einfangen von Wärme wirken, aber negative Nebenwirkungen haben könnten.
Klimawissenschaftler im ganzen Land und auf der ganzen Welt wollen verstehen, wie sich die Aufhellung von Meereswolken und andere Klimainterventionstechnologien sowohl auf das lokale als auch auf das globale Klima auswirken, um Entscheidungsträger besser zu informieren, sagte Erika Roesler, eine Sandia-Atmosphärenwissenschaftlerin, die stark an dem Projekt beteiligt ist .
Die Sandia-Forscher hoffen, die möglichen Auswirkungen der Aufhellung mariner Wolken auf globale Niederschläge, regionale Temperaturunterschiede und mehr zu verstehen, bevor groß angelegte Experimente auf dem Planeten durchgeführt werden, den wir alle Heimat nennen, sagten Shand und Roesler.
Wolken verfolgen und Unsicherheit reduzieren
Der Schwerpunkt von Shands Projekt lag auf der Entwicklung von Analysewerkzeugen, um die Entstehung und das Verhalten von Schiffsspuren zu verstehen. Ziel war es, anhand öffentlich zugänglicher Satellitenbilder und Schiffsstandortinformationen bestimmen zu können, wann sich Schiffsspuren bilden und wie lange sie andauern.
Schiffsspuren, die durch Wasserdampf in der Luft gebildet werden, der um Schiffsemissionen herum kondensiert, reflektieren das Sonnenlicht, sagte Roesler. Schiffsspuren wurden auf der ganzen Welt entdeckt, viel häufiger als bisher angenommen, was dem Forschungsteam kostengünstige und unbeabsichtigte Experimente ermöglichte.
„Zu verstehen, wie sich Aerosole von Schiffen, Kraftwerken und anderen menschlichen Aktivitäten auf das Klima auswirken, ist eine der größten Unsicherheitsquellen in Klimamodellen“, sagte Shand. „Wenn wir diese Effekte besser verstehen können, können wir die Unsicherheit in Klimamodellen verringern und zu einer verbesserten Entscheidungsfindung für politische Entscheidungsträger führen.“
Durch dieses Projekt kann das Team nun eine neu gebildete Schiffsspur identifizieren und verfolgen, während sie sich mit der Wolkenschicht bewegt, während sich das Schiff, das sie erzeugt hat, weiter in eine andere Richtung bewegt und neue Spursegmente bildet, sagte Shand. Dies ist wichtig, um die langfristigen Auswirkungen von Schiffsabgasen auf die umgebenden Wolken besser zu verstehen. Dieses Wissen kann der wissenschaftlichen Gemeinschaft helfen, Klimamodelle zu verfeinern und zu verbessern, fügte sie hinzu.
Satellitenbilder und innovative Algorithmen
Für diese Studie verwendeten die Forscher Daten der National Oceanic and Atmospheric Administration und Die geostationären betrieblichen Umweltsatelliten der NASA. Jeder Satellit macht alle fünf bis 15 Minuten eine Momentaufnahme einer bestimmten Region der Erde. Jedes Pixel in einem einzelnen Schnappschuss repräsentiert eine Region von 500 Quadratkilometern bis zwei Quadratkilometern oder etwa einem Fünftel einer Quadratmeile bis einer dreiviertel Quadratmeile, sagte Shand.
Klicken Sie hier, um Satellitenbilder von Schiffsspuren zu sehen, bewegen und wechseln Sie vor der Küste von Kalifornien. Wissenschaftler der Sandia National Laboratories haben Computeralgorithmen entwickelt, um Schiffsspuren zu verfolgen und ihr Verhalten im Computer nachzuahmen. (Video mit freundlicher Genehmigung Sandia National Laboratories)
Das Team konzentrierte sich auf Satellitenbilder aus drei Dreitagesperioden im Jahr 2019 des Nordpazifik von Baja California bis nach Alaska. Sie haben auch Schiffsspuren im Südpazifik vor der Küste Chiles und im Ostchinesischen Meer von Shanghai bis Japan beobachtet.
„In dem Papier haben wir zwei neue Algorithmen eingeführt, um Schiffsspurformationen zu verfolgen“, sagte Shand. „Ein Algorithmus verwendet beobachtete Bilder, und ein Algorithmus verwendet physikalische Phänomene wie bekannte Windgeschwindigkeit und -richtung. Mit beiden Algorithmen können wir bestimmen, wie lange die Schiffsspuren bestehen bleiben, aber der bildbasierte Algorithmus schneidet bei Spuren, die länger als acht Stunden bestehen, viel besser ab. Dadurch können wir untersuchen, wie sich die Schiffsabgase in der Wolkenbank auflösen und wie lange es dauert, bis sie aus dem Blickfeld verschwinden.“
Mit seinem neuen bildbasierten Algorithmus konnte das Forschungsteam das Verhalten von Schiffsspuren für mehr als 12 Stunden und manchmal bis zu 29 Stunden verfolgen, sagte Shand. Das ist deutlich länger als die meisten atmosphärischen Modellierungssimulationen, die Schiffsspuren sechs bis acht Stunden lang untersuchen. Es ist auch länger als die meisten Kondensstreifen von Flugzeugen und entsteht hoch über der Stelle, an der sich Schiffsspuren bilden, die unter den richtigen Bedingungen bis zu vier bis sechs Stunden sichtbar bleiben können.
Um eine so große Leistungssteigerung zu erreichen, musste das Team zwei zentrale Herausforderungen meistern. Zuerst passten sie einen Bewegungsverfolgungsalgorithmus an, um sich niedrig bildenden Schiffsspuren zu folgen, weniger als 3.000 Fuß über der Meeresoberfläche. Niedrige Wolken sind schwieriger zu verfolgen als schnellere und größere Wolken in einer Höhe von über 30.000 Fuß.
Zweitens kann der neue Algorithmus den Tracks auch durch die herausfordernden Lichtwechsel bei Sonnenuntergang und Sonnenaufgang folgen. „Eines der wirklich tollen Dinge an diesem Projekt ist, dass wir die Strecke durch einen vollständigen Tageszyklus verfolgen können“, sagte Shand.
Zusätzlich zum Verfolgen von Schiffsspuren sollten die Algorithmen bei der Untersuchung zukünftiger absichtlicher Experimente zur Aufhellung von Meereswolken hilfreich sein. Das Team arbeitet daran, seine Algorithmen anderen Forschern zur Verfügung zu stellen.
Dieses Projekt hat zu Kooperationen und Gesprächen mit staatlichen und akademischen Forschern geführt, sagte Shand. Die in diesem Projekt entwickelten Tools werden im Rahmen von erweitert mehrere Projekte das fing letztes jahr an.
„Es gibt Risiken bei der Durchführung dieser Art von Klimainterventionen“, sagte Roesler. „Es ist die Aufgabe der Klimawissenschaftsgemeinschaft, diese neuen Technologien, ihre Risiken und Vorteile zu verstehen, um Entscheidungsträger in Zukunft besser zu informieren, falls eine Klimaintervention erforderlich sein sollte, um den Planeten zu retten.“
Dieses Forschungsprojekt wurde gefördert durch Sandias labororientiertes Forschungs- und Entwicklungsprogramm.
Sandia National Laboratories ist ein Mehrzwecklabor, das von National Technology and Engineering Solutions von Sandia LLC, einer hundertprozentigen Tochtergesellschaft von Honeywell International Inc., für die National Nuclear Security Administration des US-Energieministeriums betrieben wird. Sandia Labs hat große Verantwortung für Forschung und Entwicklung in den Bereichen nukleare Abschreckung, globale Sicherheit, Verteidigung, Energietechnologien und wirtschaftliche Wettbewerbsfähigkeit, mit Haupteinrichtungen in Albuquerque, New Mexico, und Livermore, Kalifornien.
Mit freundlicher Genehmigung von Sandia National Laboratories.