Skyformer og -formationer påvirker den globale opvarmning - men vi forstår dem stadig ikke

Over Atlanterhavet, hævede hvide skyer skvulper hen over himlen, der er dæmpet af usynlige passatvind. De er ikke 'særlig store, imponerende eller udvidet, "siger Dr. Sandrine Bony, en klimatolog og forskningsdirektør ved det franske nationale center for videnskabelig forskning. "Men de er de mest allestedsnærværende skyer på Jorden."

Skyer er et af de største spørgsmålstegn i globale klimamodeller, og et wild card i at forudsige, hvad der vil ske med klimaet, når temperaturen stiger. De spiller en afgørende rolle for, hvor meget af solens stråling, der gør det til og bliver fanget i vores atmosfære. Jo flere skyer der er, jo mere stråling hopper af deres toppe og reflekteres tilbage i rummet; det betyder også, at hvis der er flere skyer, den stråling, der reflekteres af Jorden, bliver fanget. Historisk set har forskere kæmpet for at forstå cloud -egenskaber, hvordan de i øjeblikket opfører sig, og hvordan de vil reagere på de øgede temperaturer forårsaget af klimaændringer.

Det kommer ned på et spørgsmål om skala, forklarer Dr. Bony. Fra atomers mikroskopiske interaktioner til atmosfæriske strømme, der virker over tusinder af kilometer, mange kræfter påvirker, hvordan skyer dannes, deres sammensætning og adfærd.

Skyerne ligner vat i Atlanterhavet, som Dr. Bony og hendes kolleger studerer, er et godt eksempel. "En lille ændring i deres egenskaber har en enorm indvirkning på den globale strålingsbalance (balancen mellem hvor meget af solens energi der kommer ind i Jordens atmosfære og hvor meget der slipper ud), "sagde hun. Fordi disse fair-weather skyer (kendt som kumuliforme skyer) er så almindelige, en lille ændring har en "enorm" statistisk vægt i det globale klima.

"Det er det største spørgsmål - der er ikke noget større spørgsmål, "sagde professor Björn Stevens, en direktør for Max Planck Institute for Meteorology i Tyskland og Dr. Bonys medleder i EUREC4A-projektet, der satte sig for at undersøge disse fluffy hvide skyer. "I 50 år, mennesker har lavet klimaprognoser, men alle har de haft en falsk fremstilling af skyer. "Disse fremskrivninger, han siger, har lidt under en utilstrækkelig forståelse af de faktorer, der bestemmer, hvor uklar klimaet vil være og ikke er blevet repræsenteret korrekt i modellerne.

Feltforsøg

EUREC4A -projektet, som begyndte som et beskedent feltforsøg til måling af luftbevægelse og uklarhed, tiltrukket mange partnere og udvidet omfanget. Til sidst, det omfattede fem besatte og seks fjernstyrede forskningsfly, fire havgående forskningsfartøjer, en flotille af drivere og svævefly, en række satellitter, og målinger fra Barbados Cloud Observatory.

"Eksperimentet voksede i kompleksitet og omfang til at løse en række andre fascinerende spørgsmål, "sagde prof. Stevens, såsom hvor meget og hvor let skyer regner, og hvordan virvler i havet og skyerne ovenfor påvirker hinanden. Holdet skriver i øjeblikket deres resultater, og håber, at deres målinger vil give svarene på disse spørgsmål. "Vi vil sætte en grundlæggende sandhed for et nyt sæt klimamodeller, " han sagde.

For Dr. Bony, det næste trin rækker ud over at forstå cloud -egenskaber og det område, de dækker.

"Nu, vi opdager, at det ikke kun er det samlede areal, men også den måde, skyer distribueres og organiseres på, "sagde hun. De mønstre, de danner, kan også påvirke, hvordan de blokerer eller absorberer stråling, og disse oplysninger kan have konsekvenser for skyernes rolle i klimaændringerne.

Dr. Jan Härter, en specialist i atmosfærisk kompleksitet ved Leibniz Center for Tropical Marine Research, Jacobs University Bremen, Tyskland og Niels Bohr Institutet i Danmark, undersøger dette spørgsmål i sit INTERAKTION -projekt. "Mange typer skyer viser funktioner i organisationen, men tordenvejrskyer (i troperne) viser selvorganisering, "sagde han. INTERAKTION ser på, hvordan tordenvejr klynger sig, ved hjælp af simulering samt udvikling af grundlæggende modeller for deres adfærd.

Selvorganisering

Skyer kan organisere af mange grunde, som når de er over et byområde, der har tendens til at være varmere end landskabet på grund af al beton og asfalt. Selvorganisering opstår, når skyer dannes og klynger sig, selvom forholdene herunder og sollyset over dem er ensartede.

Tordenvejr skyer, kendt som cumulonimbus (som kommer fra det latinske cumulus 'heaped' og nimbus 'rainstorm'), er høje lodrette skyer, der ofte medfører regn. Disse skyer er den dominerende skytype i troperne og er også nøglen til at forstå den globale strålingsbalance. "De er på den breddegrad, hvor det meste af varmen kommer til Jorden, og solens stråling er meget stærkere der, "sagde Dr. Härter. Disse tårnlignende skyer påvirker, hvor meget sollys der kommer ind i atmosfæren, som har direkte konsekvenser for opvarmningen.

"Spørgsmålet er, hvor meget disse høje skyer ændrer sig i grupper, når, for eksempel, temperaturændringer, sagde han. ligesom de fleste problemer vedrørende skyer, dette er et svært spørgsmål at besvare.

INTERAKTION nærmer sig sagen fra to forskellige perspektiver:den ene er at køre simuleringer, som kræver en stor mængde beregningstid, og en anden er at udvikle 'legetøjsmodeller', der forklarer grundlæggende tordenvejr-sky-interaktioner.

"Legetøjsmodeller er meget grundlæggende simuleringer, der taler til de grundlæggende vekselvirkninger mellem tordenvejrskyer. F.eks. Dr. Härter og hans kolleger forsøger at forstå, hvordan disse skyer 'taler' til hinanden og organiserer sig selv ved at nedbryde disse komplekse fysiske interaktioner i deres grundlæggende komponenter.

Når der er tordenvejr, det meste af regnen falder til jorden, men noget af det fordamper i luften under skyen. Denne luft, efter at have inkorporeret den kølige fugtighed, bliver en 'kold pool, "Forklarer Härter." Denne fordampning er afgørende for at kommunikere signaler fra en sky til en anden. "

Hvis der er hundreder og tusinder af skyer i et stort område, de kolde pools under dem støder ind i hinanden, skubbe luft op i de koldere dele af atmosfæren og så nye tordenvejrskyer.

En af deres 'legetøjsmodeller' skildrer, hvordan disse kolde puljer interagerer, og denne cyklus - hvor kolde pools kolliderer og genererer nye skyer - kan vare i generationer (den ene varer cirka seks timer) skyer, kodning af minderne om tidligere skyer og storme ind i den aktuelle aktuelle sky. De kolde pools kan fortsat påvirke skygenerering i flere uger.

Disse helt basale modeller er nødvendige, says Dr. Härter, in order to remove some of the unknowns for simulating cloud behaviour, such as how these cold pools interact. The team's simulations already incorporate parameters such as wind speed, fugtighed, temperatur, and cloud composition, which is the different ratios of water, is, and an icy mixture called graupel.

Echoing EUREC4A's Dr. Bony and Prof. Stevens, Dr. Härter said:"We don't know how clouds work, especially these thunderstorm clouds that take place at scales that are hard or impossible to resolve with the current climate models."

Simulation

To take the sheer scale of cloud and their driving forces into consideration, an accurate simulation would have to include disparate variables from the motion of atoms and the energy they dissipate (nanometres) through to the Earth's rotation and global winds on the scale of about 10, 000km. "The very best we can do for, sige, a week of simulations is to resolve (the 100-metre scale) for an area of one kilometre by one kilometre, or so, " he said. "And that is a big simulation."

The ultimate goal of the project is to have a model for cloud organisation that captures the interactions between past and present thunderstorm clouds, and feed this information into the next generation of climate models. The next step is to begin a field work and feed new measurements into their models.

"We need to have a clearer understanding of the different cloud-system feedbacks to make a strong statement on climate change here, " Dr. Härter said. "The models have different ways of representing tall clouds and low clouds, and that is something that cannot be resolved without closer observational data."

And in order to prepare for a warming climate, and predict how the world's insulating cloud layer will change, first we need to understand how it operates now.