Turbulens påvirker aerosoler og skydannelse

Chat med en atmosfærisk videnskabsmand i mere end et par minutter, og det er sandsynligt, at de vil begynde at slå til lyd for en planetarisk navneændring. Planet Ocean-Cloud er meget mere passende end Jorden, de vil sige, når så meget af vores planets livssystemer er påvirket af samspillet mellem skyer og oceaner.

Evnen til at forudsige opførsel af skyer giver meteorologer, klimaforskere, fysikere og andre en bedre forståelse af ændringer i nedbør (i øjeblikket et af de sværeste aspekter af vejrudsigter at forudsige) og forbedrer klimamodellering.

Sidste uge, Prasanth Prabhakaran, Will Cantrell og Raymond Shaw, sammen med flere medforfattere, publiceret "Rollen af ​​turbulente fluktuationer i aerosolaktivering og skydannelse" i tidsskriftet Proceedings of the National Academy of Sciences . Deres artikel spørger:Under hvilke miljøforhold dannes skydråber? Påvirker turbulens - den kaotiske luftbevægelse, der resulterer i en mere ujævn tur på et fly - skyernes egenskaber, såsom hvor mange skydråber de har, og om de vil producere nedbør?

"Der er meget få absolutter i livet, og jeg er ved at give dig en af ​​dem:Når du ser op i himlen, hver skydråbe, du ser, er dannet på et allerede eksisterende støvkorn. Men ikke hvert støvkorn vil give dig en skydråbe, " sagde Will Cantrell, professor i fysik.

"Hvis du giver mig de atmosfæriske forhold, Jeg kan give dig en ret god idé om, hvorvidt støvkornet vil danne en skydråbe. Indtil videre inden for atmosfærisk videnskab, hvad vi ikke har taget højde for er det faktum, at atmosfæren er turbulent, " sagde Cantrell. "Hvis støvpartiklerne var identiske, men de er udsat for forskellige forhold, det vil spille en rolle for, om de bliver til skydråber."

Turbulensens rolle i skydannelsen er det hul, som Cantrells forskning træder ind i. Traditionelt, skydannelsens mekanik har ikke taget højde for turbulens. Prabhakaran og medforfattere har udviklet en ramme, understøttet af eksperimenter fra Techs skykammer, at forklare, hvordan eksisterende aerosolpartikler (støv) - frøene af skydråber - gør overgangen til at blive dråber (og dermed bliver berettiget til at starte processen med at falde ned på din have).

Michigan Techs skykammer er et af kun to i verden, der er i stand til at udføre sådanne eksperimenter. Shaw, fremtrædende professor i fysik og direktør for Michigan Techs atmosfæriske videnskaber Ph.D. program, er også tilknyttet det andet:LACIS-T-kammeret i Leipzig, Tyskland, ved Institut for Troposfærisk Forskning. Skyer kan opretholdes i timevis i Michigan Techs kammer, en kæmpe fordel i forhold til in situ eksperimenter i et jetfly udstyret med måleudstyr, der rejser hundrede meter i sekundet gennem en sky.

"Under kontrollerede forhold undersøgte vi aspekterne af skydannelse, " sagde Prabhakaran, der er en postdoc forsker i Michigan Tech's afdeling for fysik. "Modellering under forskellige regimer viser, hvordan skydråber dannes og betydningen af ​​dannelse af skydråber under de forhold, vi har, uanset om det er et stærkt forurenet miljø eller ude i et relativt rent miljø som ude over havet."

Atmosfæriske forhold betyder noget:Under rene forhold, alt, hvad forskere behøver at vide, er gennemsnitsværdier såsom gennemsnitlig vanddampkoncentration og gennemsnitstemperatur, at have nok information til at forudsige, om støvpletter bliver til skydråber. Under mere forurenede forhold, de præcise forhold, partiklerne udsættes for, bliver vigtigere.

"Måden skyer interagerer med sollys, og om de udfælder, afhænger meget af, hvor mange dråber og hvor store de er, " sagde Cantrell. "Forståelse af overgangen fra støv til skydråber er en vigtig del af forståelsen af, om du vil have mange eller få dråber. Vores teori tilføjer en måde at forstå, om den turbulente blanding i atmosfæren vil påvirke antallet af dråber, du får, og det går over i andre egenskaber ved skydannelse."

For at udføre eksperimentet, forskerne skabte et turbulent miljø inde i det 3,14 meter store skykammer ved at opvarme kammerets nederste plade og afkøle toppladen for at skabe en turbulent, konvektiv strømning. I strømmen introducerede holdet 130 nanometer natriumchlorid-aerosolpartikler. Ved at variere temperaturforskellen mellem top- og bundpladen og antallet af aerosolpartikler i kammeret, forskerne så forskelle i, hvordan skyer blev dannet.

Baseret på disse observationer, forskerholdet udviklede en semikvantitativ teori til at beskrive forholdene. Hvorvidt aerosolpartikler bliver til dråber, har en enorm effekt på skyernes egenskaber, og Michigan Tech-eksperimenterne og modellen giver en ramme til at kategorisere dråbedannelse i numeriske modeller.

Cantrell sagde, at turbulens ikke har været en del af pensum for skyfysik indtil for ganske nylig.

"Vores målinger i kammeret viser, at turbulens kan efterligne den adfærd, der er blevet tilskrevet partikelvariation, primært størrelse og sammensætning. Dette eksperiment ændrer vores forståelse af skyernes egenskaber, og vi bliver bedre i stand til at repræsentere disse processer i klimamodeller, " han sagde.

Forskerne sagde, at deres model vil hjælpe prognosemagere med at forudsige de udsving, Planet Ocean-Cloud vil opleve, når klimaet ændrer sig.

"Forhåbentlig inden for et par år, dette vil forbedre observationerne af klimamodeller til at forudsige langsigtede klimaændringer, " sagde Prabhakaran.