Dzięki programom NASA możliwe jest lepsze poznanie rozmieszczenia i właściwości pary wodnej w atmosferze oraz jej związku ze zmianami klimatycznymi i dziurą ozonową. Naukowcom udało się otrzymać pierwszą szczegółową mapę rozmieszczenia pary wodnej zawierającej ciężkie atomy wodoru i tlenu. Badania dotyczą wody znajdującej się na wysokości do 40 kilometrów nad powierzchnią Ziemi. Pozwoliły lepiej zrozumieć proces, w wyniku którego woda dostaje się do stratosfery.

Do stratosfery, rozciągającej się 10 do 50 kilometrów nad Ziemią, przedostają się tylko niewielkie ilości wody. Każdy wzrost tej ilości może stanowić potencjalne zagrożenie dla warstwy ozonowej, a nawet doprowadzić do powstania dziury ozonowej nie tylko nad biegunami, ale również na średnich szerokościach geograficznych.

Woda kształtuje klimat Ziemi. W niższej warstwie atmosfery, w troposferze, to woda kontroluje ilość energii słonecznej, która dotrze na powierzchnię Planety, zostanie uwięziona w atmosferze lub zostanie odbita. Wyżej, tam gdzie znajduje się warstwa ozonowa, chroniąca Ziemię przed szkodliwym promieniowaniem ultrafioletowym, znajduje się bardzo niewiele wody. Nie wiadomo do końca, w jaki sposób powietrze jest osuszane zanim dotrze do tego regionu.

W troposferze woda występuje pod postacią pary wodnej w powietrzu, kropel w chmurach i kawałków lodu w wysokich partiach cirrusów. Dysproporcja między ilością wody blisko powierzchni planety i dalej jest tak duża, że bardzo ważnej jest by zrozumieć w jaki sposób woda dostaje się i wydostaje ze stratosfery. Kluczem do zrozumienia procesu jest skład izotopowy wody, czyli zawartość różnych jej cięższych form w atmosferze. Izotopowe formy atomów mogą występować w dwóch lub więcej postaciach. Substancje izotopowe mają podobne właściwości, tą samą liczbę atomową, różnią się jednak wagą atomową. Przykładem może być zwyczajny wodór ¹H, deuter ²H i tryt ³H oraz tlen ¹⁶O i ¹⁸0.

Ciężka woda składa się z dwóch atomów deuteru i atomu tlenu. Pod postacią pary ulega ona łatwiej kondensacji i zamarzaniu i dlatego jej rozmieszczenie różni się od rozmieszczenia zwyczajnej formy wody. Na podstawie tych różnic naukowcy mogą określić, jako woda dostaje się do stratosfery.

„Po raz pierwszy mamy do dyspozycji szczegółową mapę składu izotopowego wody” – mówi dr Christopher Webster z JPL, główny autor pracy, która ukazała się w magazynie Science.

Pomiar składu izotopowego wody jest nielada wyzwaniem, gdyż izotopowe formy wody stanowią mniej niż 1 procent całego składu wody w atmosferze. Do tego celu wykorzystano spektroskop absorpcyjny Aircraft Laser Infrared Absorption Spectrometer (Alias), znajdujący się na lecącym na dużych wysokościach samolocie NASA WB-57F. Technika laserowa pozwoliła osiągnąć rozdzielczość wystarczającą, by naukowcy mogli zbadać transport wody i mikrofizykę chmur. Są to kluczowe parametry pozwalające zrozumieć skład atmosfery, powstawanie burz i prognozowanie pogody.

„Technika laserowa pozwala nam mierzyć różne typy izotopów w całej wodzie” – mówi Webster. – „Ten odcisk izotopowy pozwolił nam odkryć, że niektóre cząsteczki lodu przyszły tu z niższych warstw, a niektóre powstały na miejscu„.

Dane pozwoliły wyjaśnić w jaki sposób zmniejsza się zawartość wody w powietrzu docierającym do stratosfery. Okazuje się, że ma to związek ze stopniowym wnoszeniem się powietrza oraz gwałtownym ruchem wznoszącym związanym z systemem wysokich chmur.

Misja samolotowa miała na celu zrozumienie powstawania, wzrostu i innych procesów związanych z cirrusami. Wykorzystano sześć samolotów należących do NASA i innych agencji federalnych. Obserwacje prowadzono zarówno pod jak i nad chmurami. Zebrane dane zostały porównane z danymi naziemnymi oraz satelitarnymi i dzięki temu otrzymano dokładniejszy obraz związków między chmurami, parą wodną i dynamiką atmosfery. Dane pozwolą również na lepszą interpretację standardowych pomiarów satelitarnych wykonywanych przez NASA.

Misja została przeprowadzona w ramach programu Earth Science Enterprise. Jest to przedsięwzięcie dążące do poznania Ziemi jako złożonego całościowego systemu, w którym wykorzystuje się niezwykłą perspektywę jaką daje spojrzenie na Ziemię z powietrza i orbity.