Skydannelse og distribution følger enkel termodynamik, statistiske love

Tag et kig på skyerne, hvis der er nogen på din himmel lige nu. Se bølgerne, de hvide høje tuer sat mod den blå himmel. Eller, afhængigt af dit vejr, se de bløde grå kanter smøre sammen til blandede toner, der trækker ned gennem luften til jorden.

De er en inspiration for de fleste af os, men et mareridt for klimaforskere. Skyer er usædvanligt komplekse væsner, og denne kompleksitet gør det svært at forudsige, hvordan og hvor de vil danne sig - hvilket er ærgerligt, da disse forudsigelser er afgørende for at forstå nedbørsmønstre, og hvordan vores klima vil ændre sig i fremtiden.

Men forskere fra University of Utah har muligvis fundet en måde at reducere svært ved at forudsige dannelse af skyer. Resultaterne, udgivet i dag i Journal of Geophysical Research-Atmospheres kunne udfylde et centralt hul i forskernes forståelse af, hvordan klimaforandringer kan udspille sig.

"Vi brugte simpel termodynamik, "siger professor i atmosfærisk videnskab, Tim Garrett, "at forudsige, at der skulle være mange små skyer og få store skyer i proportioner, der adlyder simple matematiske love."

Skyer er klimakort

Skyer, især dem i troperne, er en del af Jordens system til at slippe af med overskydende varme genereret af solen. Derfor har de betydning for klimaforskere. De er en del af et lodret transportbånd, løfte varm flydende luft op i en højde, hvor varmen let kan udstråles ind i rummets kolde sorthed. Men skyer kan lege med varme på andre måder.

"Tænk på, hvor hurtigt en sky kan ændre temperaturen under en sommerpiknik, "siger postdoktor og studieforfatter Ian Glenn." En lille ændring i brøkdelen eller fordelingen af ​​selv et par små skyer på en ellers dejlig klar dag kan lave eller bryde en udflugt. "

Skyer vokser og krymper konstant, når de udveksler luft med den omgivende tørluft. Indtil nu, det er uklart, hvordan skyer spiller ind på virkningerne af de globale klimaændringer - vil skyer bremse opvarmningen? Eller forbedre det? Vil opvarmning skabe flere skyer? Hvis så, hvilke regioner vil blive påvirket mest?

Denne usikkerhed kan ses i værdiområdet for klimafølsomhed, eller temperaturresponsen på en fordobling af kuldioxid i atmosfæren. Nuværende fremskrivninger siger, at stigningen kan være mellem 1,5 og 4,5 grader Celsius. Det er svært at fastgøre det meget mere end det på grund af problemet med at forstå skyernes rolle og nedbør i et skiftende klima.

"Både det lave og det høje område er dårlige nyheder for civilisationen, "Garrett siger, "men man er klart langt mere katastrofal - så det er et temmelig vigtigt problem at få det rigtigt."

Skyer er dybt komplekse

Forskere har tidligere nærmet sig problemet med skyer ved at forsøge at forstå lagene af kompleksitet, der er forbundet med, hvordan skyer interagerer med overfladen, luften og selv dem selv. Undersøgelsesforfatter Steven Krueger siger, at de fysiske processer i skyer spænder fra skydråber, på mikrometer skalaen, til store skysystemer, der kan strække sig over et kontinent. Og skyens iboende turbulens skaber hvirvler - spiraler af turbulent energi - der strækker forudsigelseskraften for selv de bedste skymodeller, der kører på supercomputere.

"For at modellere alle skalaer i den globale atmosfære, fra de mindste turbulente virvler til den globale skala ville tage omkring en milliard milliarder gange, hvad vi i øjeblikket kan bruge i vores computere, "Krueger siger." Vi kan fuldt ud beregne hele skyens fysik i et volumen på cirka 1 meter på en side, i cirka 10 minutter, til en beregningsomkostning på 10, 000 CPU -timer. "

For at komme uden om denne kompleksitet, klimamodeller simulerer store skalaer, mens de gør forenklede antagelser om småskala processer. Men hvad nu hvis der er en anden måde - hvad nu hvis skyer følger enkle matematiske principper, der kan genskabe statistikkerne over skyernes kompleksitet uden at have brug for massive computerressourcer?

Skyer er utætte ledninger

Lad os gå tilbage til begrebet skyer som varmeledninger ind i den øvre atmosfære. Overhovedet, skarp, hvid sky består af dråber vand, i modsætning til det klare, blå, relativt tørre luft omkring det. Den hvide, våde skyer og det blå, tør luft er i konstant kontakt med hinanden, at dele en fælles grænse. Det er denne grænse, der fik Garrett til at tænke.

Når vanddråber dannes inde i skyer, der frigives en lille smule varme, gør skyerne levende i atmosfæren. Garrett siger, at dette gør skyer effektive til at løfte varme væk fra jorden - og betyder også, at de varme, stigende luft er turbulent og kan spilde ud af skyens sider, når den stiger.

"Denne erkendelse af skyer som utætte ledninger fik mig til at tro, at stedet at søge efter forståelse af skyer og klima ikke var deres områder, der kiggede ned, som det sædvanligvis har været fokus på, men i stedet deres kanter, "Siger Garrett.

Han begyndte at studere termodynamikken langs omkredsen og kanterne af skyer, og fandt ud af, at den samlede vandrette omkreds af skyer, turbulente udvekslinger af varme og fugtighed på tværs af skyens kanter og atmosfærens lodrette temperatur og fugtighedsprofil kan alle være relateret. En bemærkelsesværdig fordel:atmosfæriske lodrette temperatur- og fugtprofiler er relativt enkle at forudsige i skiftende klimaer, så forbindelsen til skymængden forenkler et notorisk vanskeligt problem.

Nogle andre principper for sky -dynamik, der opstod fra forfatterens ligninger:Konkurrence mellem skyer om atmosfærisk varme og fugt hjælper med at forklare, hvor mange skyer der dannes. Produktet af antallet af skyer og deres omkreds forbliver konstant, en matematisk lov kendt som skala invariance. Det betyder, at et stort antal skyer er fattige i omkredsen, mens et par heldige er rige. Også, disse forhold mellem forskellige størrelsesklasser af skyer viser sig at være uafhængige af den atmosfæriske temperatur. Mere om det på et minut.

Garrett og hans kolleger testede deres teoretiske fund ved at sammenligne deres statistiske model med en af ​​megamodellerne for skydannelse, Giga-LES modellen. Det simulerer hele 24 timers atmosfærisk tid over et område på 400 kvadratkilometer (400 kvadratkilometer) i høj opløsning. En 24-timers simulering tager 300, 000 processortimer at fuldføre. Garretts model, baseret på blot et par linjer af fysikligninger, gengav nøglestatistik over skyernes størrelser og former i den dynamiske Giga-LES-model til inden for 13 procent.

Der er ting, en statistisk model ikke kan gøre, selvfølgelig. "Det kan ikke vises, for eksempel, en sky, der ligner Mickey Mouse, der dukker op på et bestemt tidspunkt eller sted, "Garrett siger, "så det er bedst egnet til forudsigelser om langsigtet klima frem for kortsigtet vejr."

Skyer følger reglerne

Så, hvad betyder dette for klimaforandringsmodellerne, der ønsker at vide, hvordan skyer vil reagere på opvarmning af de globale temperaturer?

"Dette er ret spekulativt, "Garrett siger, "men forslaget fra vores undersøgelse er, at tilbagemeldinger i skyklima kan være små, fordi tropiske skyer vil omarrangere sig selv i et varmere klima for at fortsætte deres nuværende lave indvirkning på overfladetemperaturer. "Med andre ord, mens den samlede mængde skydække kan stige, proportionerne af skystørrelser i forskellige højder ændrer sandsynligvis ikke meget. Hvis denne model er bevist, klimaforskere kan muligvis trække vejret lidt lettere ved at vide, at skyer sandsynligvis ikke forstærker den globale opvarmning.

"Hvis disse cloud -tilbagemeldinger er mindre end tidligere forventet, "Garrett siger, "Jorden varmer måske ikke så hurtigt som vores værste frygt."

Læs hele undersøgelsen her.