ذرات ریز و همه جا حاضر در جو ممکن است نقش عمیقی در تنظیم آب و هوای جهانی داشته باشند. اما دانشمندانی که روی این ذرات - به نام آئروسل - مطالعه می‌کنند، مدت‌هاست که برای اندازه‌گیری دقیق ترکیب، اندازه و توزیع جهانی آنها تلاش کرده‌اند. یک تکنیک تشخیص جدید و یک ابزار ماهواره‌ای جدید که توسط دانشمندان ناسا ساخته شده است، سنسور قطبش آئروسل (APS)، باید به کاهش مبارزه کمک کند.
برخی از انواع ذرات معلق در هوا - مانند کربن سیاه ناشی از اگزوز وسایل نقلیه موتوری و سوزاندن زیست توده - با جذب نور خورشید باعث گرم شدن جو می شوند.سایرین، مانند سولفات های نیروگاه های زغال سنگ، با بازتاب تابش خورشیدی ورودی به فضا، اثر خنک کنندگی دارند. به طور کلی، ذرات معلق در هوا یکی از بزرگترین حوزه‌های عدم قطعیت را در درک عواملی که باعث تغییرات آب و هوایی می‌شوند، ارائه می‌کنند.
اما تعیین کمیت تأثیر ذرات معلق در هوا بر جو و آب و هوا به دلیل دشواری در اندازه گیری خود ذرات معلق با مشکل مواجه شده است. این مشکل به ویژه در خشکی حاد است، جایی که تابش نور خورشید که از سطح زمین منعکس می‌شود، ابزارهای تصویربرداری غیرفعال را که دانشمندان معمولاً برای شناسایی ذرات معلق استفاده می‌کنند، تحت تأثیر قرار می‌دهد.
اما در سال‌های اخیر، محققان موسسه مطالعات فضایی ناسا گودارد (GISS) در شهر نیویورک، تکنیک‌های سنجش از دور جدیدی را برای اندازه‌گیری دقیق‌تر ذرات معلق در هوا توسعه داده‌اند.
قطب سنج اسکن تحقیقاتی (RSP)، یک نسخه مبتنی بر هواپیما از APS، اولین ابزاری است که نور قطبی شده را در یک طول موج بسیار مهم اندازه گیری می کند (2.2 میکرومتر). مایکل میشچنکو، دانشمند پروژه گلوری، گفت: "کانال 2.2 میکرومتری بسیار مهم است زیرا تنها روش غیرفعال را برای بازیابی دقیق و دقیق خواص آئروسل روی سطوح زمین ارائه می دهد."
RSP از منشورهای کریستالی برای فیلتر کردن مؤثر تابش خیره کننده از سطح زمین استفاده می کند، که تا حدودی مانند عینک آفتابی قطبی شده عمل می کند و تنها به امواج نوری که در جهت های خاص هستند اجازه عبور می دهد.
طبق گفته برایان کرنز، اقلیم شناس آئروسل در GISS که پیشگام این تکنیک است، تصاویر پلاریزه رنگی کسل کننده دارند که تشخیص رنگ های ظریف ذرات معلق در هوا را در میان سایه های خاکستری آسان تر می کند.
«رنگ مایل به آبی ذرات معلق در هوا در اتمسفر با نور پلاریزه به وضوح قابل تشخیص است.»
تکنیک بازیابی جدید همچنین اطلاعات بیشتری در مورد نور قطبی شده موج کوتاه را در مدل هایی که برای تعیین خواص آئروسل استفاده می شود ادغام می کند.رویکردهای گذشته نور قطبی شده موج کوتاه - که برای محاسبه میزان حضور ذرات معلق در هوا و میزان جذب تشعشعات در جو بسیار مهم است - تا حد زیادی از معادله خارج شده است.
RSP اولین ابزاری نیست که از پلاریمتری برای اندازه گیری ذرات معلق در هوا استفاده می کند. در سال 1996، یک سری از سه ابزار ماهواره ای فرانسوی شروع به اندازه گیری ذرات معلق در هوا با نور پلاریزه کردند. تکنیک کایرنز قطبش را با دقت بیشتری اندازه گیری می کند، اطلاعات قطبش موج بلند و موج کوتاه بیشتری را در مدل های ریاضی ادغام می کند، و اولین روشی است که تخمین های دقیقی از اندازه و ترکیب آئروسل بر روی زمین ارائه می دهد.
ابزار RSP یک نقطه در جو را از بیش از ۱۰۰ زاویه مشاهده می کند، و این امکان را می دهد تا مشخصات کامل تری از ذرات معلق در هوا را با مدل های ریاضی قوی شناسایی کند. RSP و APS که به زودی راه اندازی می شود از مسیرهای نوری موازی برای جمع آوری اندازه گیری ها از تمام طول موج ها و قطبش ها به طور همزمان استفاده می کنند. این رویکرد برای نظارت بر صحنه به طور مداوم در حال تغییر، دقت بیشتری را در مقایسه با پلاریمترهای قبلی ارائه می دهد که از یک چرخ فیلتر چرخان برای اندازه گیری طول موج ها و قطبش ها به صورت متوالی استفاده می کردند.
برای آزمایش تکنیک خود، کایرنز و همکارانش از دانشگاه کلمبیا و وزارت انرژی ایالات متحده یک سری کارزارهای میدانی انجام دادند. در سال 2003، محققان یک ابزار RSP را بر روی یک هواپیمای سسنا 310 نصب کردند و این ابزار را در بالای دود ناشی از آتش‌سوزی‌های جنگلی در دره سیمی کالیفرنیا به پرواز درآوردند. در سال 2005، یک هواپیمای تحقیقاتی J31 با RSP بر فراز توده های گرد و غبار در اوکلاهما پرواز کرد.
در هر دو مورد، داده‌های موجود در هوا به خوبی با مشاهدات فوتومترهای زمینی که اندازه‌گیری‌های آئروسل دقیقی را ارائه می‌کنند مطابقت دارد. با ادغام طول موج های پلاریزاسیون اضافی در مدل های کامپیوتری خود، کایرنز تخمین زد که این روش چندین برابر دقیق تر از اندازه گیری های قبلی است. نتایج در ژانویه در مجله تحقیقات ژئوفیزیک ارائه شد.
Qingyuan Han، دانشمند اتمسفر در دانشگاه آلاباما هانتسویل که در این مطالعه شرکت نداشت، موافق بود. او گفت: «حساسیت بالای بازتاب قطبی اطلاعات فوق‌العاده‌ای ارائه می‌دهد که با تکنیک‌های دیگر نمی‌توان به دست آورد.»
برای مثال، تشخیص نور و محدوده، یا لیدار، پالس های نور را از ذرات معلق در هوا منعکس می کند و می تواند توزیع عمودی ذرات معلق در هوا را به دقت اندازه گیری کند. هان که تحقیقاتی را با استفاده از LIDAR انجام می‌دهد، می‌گوید، اما سیستم‌های LIDAR فعلی هنوز برای اندازه‌گیری اندازه و ترکیب آئروسل با مشکل مواجه هستند. او نقش‌های هر دو تکنیک را مکمل یکدیگر می‌داند.
تکنیک‌های توسعه‌یافته با ابزار RSP به ایجاد APS کمک کرده است، یک نسخه فضاپیما که بر روی ماهواره Glory ناسا پرواز می‌کند. از نظر عملکردی مشابه RSP، APS از طول موج های نور کمی متفاوت برای بهبود تخمین های رنگ اقیانوس، بخار آب و ابرهای سیروس استفاده می کند. کرنز گفت: «اما نظریه APS و RSP دقیقاً یکسان است.»
طبق گفته کایرنز، APS به ویژه برای شناسایی و تعیین کمیت ذرات معلق در هوا، که عمدتاً از منابع انسانی می آیند، مفید خواهد بود. تصور می شود که ذرات معلق در هوا کوچکتر بیشتر از آئروسل های بزرگتر مانند گرد و غبار و نمک بر آب و هوا تأثیر می گذارد.
هنگامی که Glory راه اندازی شد، دانشمندان انتظار دارند APS داده های جدیدی را ارائه دهد که به آنها کمک می کند تا ابهامات طولانی مدت در مورد آئروسل ها را برطرف کنند. کرنز گفت: "ما هنوز چیزهای زیادی در مورد آنها نمی دانیم، "و با این حال آنها نقش کلیدی در سیستم آب و هوایی ما دارند."
