Forskeren undersøger mysteriet om sekundær isproduktion

Christine Chiu fra Colorado State University undersøger skyer. Hun kalder dem "komplicerede 3D-objekter, der udvikler sig hurtigt."

Hun studerer skyer nedenfra og på alle sider med scannende skyradarer og ovenfra med satellitdata. Hendes forskning betyder noget. Skyejendomme er de vigtigste faktorer for Jordens energibudget, alligevel ikke er repræsenteret godt i nuværende modeller.

Den foruroligende brede vifte af nutidens forudsigelser af jordsystemer, Chiu siger, "er til dels et resultat af unøjagtige skyegenskaber i klimamodeller."

For at forbedre modeller, det er nødvendigt for bedre at forstå de fysiske processer og strålingsvirkninger af skyer og nedbør.

Til det formål, Chiu og kolleger i Colorado, Det Forenede Kongerige, og Finland begyndte arbejdet i juli 2018 på et treårigt forskningsprojekt, der omhandler et varigt puslespil om skymikrofysik. Hvorfor overstiger den observerede koncentration af ispartikler i et skysystem ofte, af flere størrelsesordener, det nærliggende antal primære iskerner?

Ialt, hvorfor bliver så meget is i skyer lavet af så få tilsyneladende ingredienser?

Forskere har et navn for denne uventede forbedring af ispartikler:sekundær isproduktion, eller SIP.

I de sidste 70 år har forskere har hypotetiseret mange mekanismer, der kan forklare SIP, som beskrevet i dette 2017 review review i Bulletin of the American Meteorological Society.

De tre mekanismer af primær interesse for Chiu, projektets hovedforsker (PI), få meget opmærksomhed i aktuelle diskussioner. Men det er ikke klart, hvilken der er den dominerende, eller hvordan SIP -initiering og dannelse varierer med skytyper.

Chiu og hendes team agter at konfrontere disse og andre SIP -processpørgsmål, og (vigtigere) at opdage, hvordan disse processer påvirker stråling og nedbør.

Deres forskningsprojekt - for at vurdere SIP i kontinentale skyer - er finansieret af US Department of Energy's (DOE) Atmospheric System Research (ASR) program.

Chiu har været en del af ASR -forskning næsten kontinuerligt siden 2006.

Fælge, Knusende, og kollisioner

Blandt de tre SIP -mekanismer, Chiu fokuserer på, er en, der først blev antaget i 1943. Rimspaltning opstår, når store ispartikler som snefnug eller graupel (snepiller) opsamler underkølede væskedråber, frembringer talrige isplinter.

Frossen-dråbe-splintning finder sted, når større dråber fryser, derefter splint. Jo lavere temperatur, jo højere rystelser.

Is-kollision, den tredje hypotese SIP -mekanisme, sker når skrøbelige iskrystaller, belagt med tynde nåle eller slanke dendritter, brydes let op under kollisioner med hinanden.

Nogle observationer og modelsimuleringer har antydet, at de tre SIP -mekanismer kan ske sammen, siger Chiu - men under hvilke betingelser? "De mikrofysiske processer er alt for komplicerede."

Derudover er SIP den vigtigste proces af alle? "Folk ved det faktisk ikke, "siger hun." Men at kende begyndelsen på ispartikelkoncentrationen er et vigtigt sted at gå. "

På arbejde

For at begynde at få nogle svar, "vi knækker data nu, "siger Chiu.

På CSU, i projektets første fase, hun arbejder med Nicholas Kedzuf, en kandidatstuderende, at se på data og etablere en omfattende oversigt over ispartikelegenskaber. ("Det er en absolut glæde at arbejde med en så fremragende studerende, "siger Chiu.)

Dataene er fra en feltekampagne fra 2014 i Finland kaldet Biogenic Aerosols — Effects on Clouds and Climate (BAECC), understøttet af DOE's Atmospheric Radiation Measurement (ARM) brugerfacilitet.

ARM opretholder faste langsigtede og bærbare kortsigtede atmosfæriske observatorier over hele verden. Det indsamler også, kvalitetskontrol, og arkiverer alle sine feltdata. (Chiu har brugt ARM -data siden 2003.)

BAECC blev designet til at opnå vigtige detaljer om processer relateret til aerosol, Sky, og snedannelse, der i øjeblikket ikke er godt forstået eller godt repræsenteret i jordsystemmodeller.

Under felttoget, forskere indsatte sammenfaldende målinger med flere instrumenter, en første under et feltstudie af sne- og ismikrofysik.

Andre instrumenter forudsat de omfattende aerosolmålinger, Chiu har brug for for at beregne antallet af primære iskerner. "Uden at kende koncentrationen af ​​primære iskerner, "siger Chiu, "vi vil ikke være i stand til at vide, om der sker 'sekundær' isproduktion."

Målinger under BAECC blev indsamlet i de frigide områder af finske boreale skove, ofte under dybe skyer og kraftig regn - hvilket er nyttigt for ASR -projektmissionen.

"Sekundær isproduktion menes at forekomme ved en temmelig snæver temperaturzone mellem minus-3 og minus-15 grader Celsius, "siger Chiu." Vi ville øge vores chancer for at observere den isproduktion. Høj breddegrad er vores ideelle miljø. "

Det unikke, førstegangsfrekvensradarmålinger foretaget under BAECC omfatter et af de mest komplette radardatasæt i ARM-arkivet, hun siger, men dataene er endnu ikke fuldt ud udnyttet.

To BAECC-dataveteraner fra Finland er samarbejdspartnere i Chius nuværende ASR-projekt:Tuukka Petäjä fra Helsinki Universitet, og David Brus fra det finske meteorologiske institut.

Bedre modeller foran

Passende, Chiu får selskab af CSU's V. Chandrasekar, en internationalt kendt autoritet om radarsystemer og co-PI af ASR-projektet.

"Radardata spiller en vigtig rolle i dette projekt, "siger hun." Chandrasekar vil hjælpe os med at få det bedste ud af disse radarobservationer. "

For at opnå den højeste datakvalitet for cloudhentningsmetoden, Chiu arbejder også tæt sammen med ARM radarinstrument mentorer Bradley Isom og Nitin Bharadwaj. Begge er på Pacific Northwest National Laboratory i Richland, Washington.

En anden CSU -kollega vil hjælpe i ASR -projektet. Susan van den Heever, en ekspert i cloudmikrofysik, overvåger det regionale atmosfæriske modelleringssystem, eller RAMS. Modellen vil blive brugt til at evaluere projektets resultater.

Van den Heever siger, at sekundære isprocesser spiller en stor rolle i "nedbørsproduktion, sky-strålende tvang, og amboltdynamik. "Desto mere grund til at forstå dem bedre på procesniveau, tilføjer hun, og at repræsentere dem i forsknings- og prognosemodeller.

For at sætte projektet i gang, Chiu skrev de videnskabelige spørgsmål samt algoritmen til cloudhentning. Når hun og de andre er sikre på deres skyhentning, de vil køre RAMS for at teste deres nye forståelse af SIP.

"Hvis det lykkes, vi vil komme med mere præcise sekundære isparameteriseringer, "siger Chiu." Det vil føre til modeller, der bedre forudsiger isvand indhold og stråling. "

Til sidst, hun håber, at projektet vil hjælpe med at forbedre, hvordan ismikrofysik er repræsenteret i modeller og derfor reducere fejl i estimeret global nedbør og stråling.

'Det er virkelig nyt'

Teamets mål er at udfylde huller i kritisk viden om mikrofysiske processer, siger Chiu. "Skyer er stadig på mange måder mystiske."

Projektets bredere mission er at gøre opmærksom på behovet for langsigtet, hyppig, robuste observationer til karakterisering af SIP -processer.

Historisk set evaluering af rimsplintning og andre SIP -mekanismer afhænger af observationsdata fra fly. Men Chiu og hendes team udtænker en metode til også at inkorporere ARMs kraftfulde jordbaserede radarer for bedre at kvantificere ispartikelkoncentrationen.

Indarbejdelse af radarer for at løse SIP-puslespillet "er et højrisikoprojekt, "siger hun." Det er virkelig nyt. Vi forsøger at hente noget på måder, som ingen nogensinde har gjort før uden for et laboratorium eller flydata. "

I nogle af hendes tidligere ASR -undersøgelser, Chiu tog metodologiske spring med at hente mikrofysiske og optiske egenskaber, ved hjælp af det, hun kalder "synergistiske" målinger fra skyradar, lidar, og kortbølgespektrometre.

Chiu finder måder at drage fordel af, hvordan skyer og stråling påvirker observationer fra fjernmåling. For eksempel, hun kombinerede målinger af solstråling og radarskiver for at hente høj opløsning, tredimensionelle skyfelter for første gang i både overskyede og brudte sky-situationer.

Hun kalder det "et vigtigt skridt til at forbedre vores forståelse af cloud -livscyklusser og cloud -organisation."

Chiu og hendes kolleger udviklede også en ny metode til samtidig at hente lodrette profiler af både skyer og støvregn. Det er velkendt, at støvregn ofte dominerer observeret radarreflektivitet. De foreslog en vej udenom det, mens de brugte aktiv fjernmåling på marine grænse lagskyer.

Dataene kom fra otte transekter af Stillehavet af et containerskib fra Horizon Lines udstyret med atmosfæriske instrumenter under Marine ARM GPCI Investigation of Clouds (MAGIC) feltkampagne i 2012 og 2013.

Chiu har også foretaget feltundersøgelser på Azorerne, tjener som medforsker for kampagnen Aerosol og Cloud Experiments i det østlige nordatlantiske område (ACE-ENA). Undersøgelsen af ​​lave skyer og marine grænselag -aerosoler fandt sted i sommeren 2017 og vinteren 2018.

"Jeg finder de sammenflettede interaktioner mellem støvregn, skyer, aerosoler, dynamik, og strålende fascinerende, "siger Chiu.

En vej til Cloud Science

Modet til at møde risici, og at rejse langt for at nå sine mål, har præget Chius liv indtil nu.

Født i Taiwan, og god tidligt i matematik og fysik, hun tog sin første videnskabelige risiko i en alder af 13. Stadig på ungdomsskolen, hun havde et spørgsmål om kemi og sendte frimodigt det til den legendariske Wu Ta-You, nu kendt som "Faderen til kinesisk fysik."

Han skrev et 10-siders håndskrevet svar tilbage. Det rystede hende af glæde.

"Du kan forestille dig, hvordan jeg havde det, "siger Chiu." Han nævnte flere argumenter og forklarede, hvordan man skulle løse spørgsmålet. Det var første gang, jeg så, at det måske ikke var det vigtigste at kende svaret - at selve processen er sjovere! "

Hun tilføjer:"Jeg var bare en lille pige fra en ikke så veludviklet by, så hans brev inspirerede og rørte mig virkelig. Det er jeg altid taknemmelig for. "

I stedet for at være astronaut

Bachelor's degree studies at Taiwan's National Central University gave Chiu her first taste of atmospheric science—an interest that sprang up after she realized she could not be an astronaut, her first science love. "I am severely nearsighted, " she confesses, "and get motion sickness."

At Purdue University in Indiana, Chiu earned her Ph.D., which took her deep into satellite observations for precipitation.

As a postdoctoral researcher, she joined the Joint Center for Earth Systems Technology at the University of Maryland, Baltimore County. På samme tid, Chiu was a researcher at NASA's Goddard Space Flight Center.

Her time at Goddard, says Chiu, "really shaped my whole career, " in part because of her mentors, Warren Wiscombe (now retired) and Alexander Marshak.

Then came a teaching and research stint at the University of Reading in the United Kingdom, where she joined a prestigious cloud remote sensing group. (A former Reading colleague, Shannon Mason, is a collaborator on the current ASR project.)

Since the fall of 2017, Chiu has been an associate professor at CSU, where her research group investigates remote sensing, radiative transfer, and the interactions of clouds, aerosoler, nedbør, and radiation.

På samme tid, she sees clouds for what they also are:beautiful.

"I do enjoy, intellectually, working with observations, " says Chiu. "But I never look at clouds and wonder how many droplets they contain."