Eksplosiv oprindelse af sekundær is - og sne

Hvor kommer sneen fra? Dette kan virke som et simpelt spørgsmål at overveje, når halvdelen af ​​planeten kommer ud af en sæson med at se finurlige flager falde fra himlen - og skubbe dem fra indkørsler. Men en ny undersøgelse af, hvordan vand bliver til is i let afkølede arktiske skyer, kan få dig til at gentænke enkelheden i de fluffede ting. Studiet, udgivet af forskere fra det amerikanske energiministerium (DOE) Brookhaven National Laboratory i Procedurer fra National Academy of Sciences , indeholder nye direkte beviser for, at knusende småregn -dråber driver eksplosive "ismultiplikation" -begivenheder. Resultaterne har betydning for vejrudsigter, klimamodellering, vandforsyninger - og endda energi- og transportinfrastruktur.

"Vores resultater kaster nyt lys over tidligere laboratorieeksperimentbaseret forståelse af, hvordan superkølede vanddråber-vand, der stadig er flydende under frysepunktet-bliver til is og til sidst sne, "sagde Brookhaven Labs atmosfæriske videnskabsmand Edward Luke, hovedforfatteren på papiret. De nye resultater, fra virkelige verdens langsigtede skyradar- og vejrballonmålinger i blandede faseskyer (sammensat af flydende vand og is) ved temperaturer mellem 0 og -10 grader Celsius (32 og 14 ° Fahrenheit), fremlægge bevis for, at frysende fragmentering af støvregn -dråber er vigtig for, hvor meget is der vil danne og potentielt falde fra disse skyer som sne.

"Nu bruges klimamodeller og vejrudsigtsmodellerne til at bestemme, hvor meget sne du skal skovle, kan springe fremad ved at bruge meget mere realistisk fysik til at simulere 'sekundær' isdannelse, "Sagde Luke.

Hvad er sekundær is?

Udfældende sne fra overkølede skyer stammer normalt fra "primære" ispartikler, som dannes, når vand krystalliserer på udvalgte små støvpletter eller aerosoler i atmosfæren, kendt som iskernende partikler. Imidlertid, ved let afkølede temperaturer (dvs. 0 til -10 ° C), flyobservationer har vist, at skyer kan indeholde langt flere iskrystaller, end det kan forklares med de relativt få is-kimdannende partikler, der er til stede. Dette fænomen har undret det atmosfæriske forskningssamfund i årtier. Forskere har troet, at forklaringen er "sekundær" isproduktion, hvor de ekstra ispartikler genereres fra andre ispartikler. Men det har været svært at fange processen i aktion i det naturlige miljø.

Tidligere forklaringer på, hvordan sekundære isformer hovedsagelig baserede sig på laboratorieforsøg og begrænsede, kortsigtede flybaserede prøveudtagningsflyvninger. En fælles forståelse, der kom ud af flere laboratorieforsøg, var, at relativt store, hurtigt faldende ispartikler, kaldet rimers, kan "samle" og fryse små, superafkølede skydråber - som derefter producerer flere små ispartikler, kaldes splinter. Men det viser sig, at sådan "rimsplintning" ikke er nær hele historien.

De nye resultater fra Arktis viser, at større underkølede vanddråber, klassificeret som støvregn, spiller en meget vigtigere rolle i produktionen af ​​sekundære ispartikler end almindeligt antaget.

"Når en ispartikel rammer en af ​​disse drypregn, det udløser frysning, som først danner en solid isskal omkring dråben, "forklarede Fan Yang, medforfatter på papiret. "Derefter, når frysningen bevæger sig indad, trykket begynder at bygge, fordi vand ekspanderer, når det fryser. Dette tryk får støvregn til at knuse, genererer flere ispartikler. "

Dataene viser, at denne "frysende fragmentering" -proces kan være eksplosiv.

"Hvis du havde en ispartikel, der udløste produktionen af ​​en anden ispartikel, det ville ikke være så vigtigt, "Sagde Luke." Men vi har fremlagt beviser for, at med denne kaskadeproces, fragmentering af frostregn kan øge ispartikelkoncentrationerne i skyer med 10 til 100 gange - og endda 1, 000 til tider!

"Vores fund kan give den manglende forbindelse til uoverensstemmelsen mellem manglen på primære iskernende partikler og snefald fra disse let afkølede skyer."

Millioner af prøver

De nye resultater afhænger af seks års data indsamlet af en opadrettende millimeterbølgelængde Doppler-radar ved DOE Atmospheric Radiation Measurement (ARM) brugerfacilitetens nordlige skråning i Alaska atmosfærisk observatorium i Utqiagvik (tidligere Barrow), Alaska. Radardataene suppleres med målinger af temperatur, fugtighed, og andre atmosfæriske forhold indsamlet af vejrballoner opsendt fra Utqiagvik i hele undersøgelsesperioden.

Brookhaven Lab atmosfærisk videnskabsmand og studiemedforfatter Pavlos Kollias, som også er professor i atmosfærisk videnskabsdivision ved Stony Brook University, var afgørende for indsamlingen af ​​disse millimeterbølgelængde radardata på en måde, der gjorde det muligt for forskerne at udlede, hvordan sekundær is blev dannet.

"ARM har været banebrydende for brugen af ​​skyradarer med kort bølgelængde siden 1990'erne for bedre at forstå skyernes mikrofysiske processer, og hvordan disse påvirker vejret på Jorden i dag. Vores team ledede optimeringen af ​​deres datasamplingsstrategi, så information om sky- og nedbørsprocesser som en præsenteret i denne undersøgelse kan fås, "Sagde Kollias.

Radarens bølgelængde i millimeterskala gør den unikt følsom over for størrelsen af ​​ispartikler og vanddråber i skyer. Dens dobbelte polarisering giver information om partikelform, giver forskere mulighed for at identificere nålagtige iskrystaller - præferenceformen for sekundære ispartikler under let afkølede skyforhold. Dopplerspektraobservationer registreret hvert par sekunder giver information om, hvor mange partikler der er til stede, og hvor hurtigt de falder mod jorden. Disse oplysninger er afgørende for at finde ud af, hvor der er rimers, støvregn, og sekundære ispartikler.

Ved hjælp af sofistikerede automatiserede analyseteknikker udviklet af Luke, Yang, og Kollias, forskerne scannede gennem millioner af disse Doppler-radarspektre for at sortere partiklerne i dataskovle efter størrelse og form-og matchede dataene med samtidige vejrballonobservationer om tilstedeværelsen af ​​overkølet skyvand, temperatur, og andre variabler. Den detaljerede datamining gjorde det muligt for dem at sammenligne antallet af sekundære isnåle, der blev genereret under forskellige forhold:i nærvær af bare rimers, rimers plus drypregn, eller bare støvregn.

"Den store mængde observationer gør det muligt for første gang at løfte det sekundære issignal ud af 'baggrundsstøj' i alle de andre atmosfæriske processer, der finder sted - og kvantificere, hvordan og under hvilke omstændigheder sekundære ishændelser sker, "Sagde Luke.

Resultaterne var klare:Betingelser med superafkølede støvregn faldt med dramatiske ismultiplikationshændelser, mange flere end rimers.

Virkninger på kort og lang sigt

Disse virkelige data giver forskerne evnen til at kvantificere "ismultiplikationsfaktoren" for forskellige skyforhold, hvilket vil forbedre nøjagtigheden af ​​klimamodeller og vejrudsigter.

"Vejrforudsigelsesmodeller kan ikke klare den fulde kompleksitet af skyens mikrofysiske processer. Vi skal spare penge på beregningerne, ellers får du aldrig en prognose, "sagde Andrew Vogelmann, en anden medforfatter på undersøgelsen. "At gøre det, du skal finde ud af, hvilke aspekter af fysikken der er vigtigst, og redegør derefter for den fysik så præcist og enkelt som muligt i modellen. Denne undersøgelse gør det klart, at kendskab til støvregn i disse blandede faseskyer er afgørende. "

Udover at hjælpe dig med at budgettere, hvor meget ekstra tid du skal bruge til at skovle din indkørsel og komme på arbejde, en klarere forståelse af, hvad der driver sekundær isdannelse, kan hjælpe forskere med bedre at forudsige, hvor meget sne der vil samle sig i vandområder for at levere drikkevand hele året. De nye data vil også bidrage til at forbedre vores forståelse af, hvor længe skyer vil blive ved, hvilket har vigtige konsekvenser for klimaet.

"Flere ispartikler genereret ved sekundær isproduktion vil have en enorm indvirkning på nedbør, solstråling (hvor meget sollysskyer reflekterer tilbage i rummet), vandets kredsløb, og udviklingen af ​​blandede faseskyer, "Sagde Yang.

Skylivet er særlig vigtigt for klimaet i Arktis, Luke og Vogelmann bemærkede, og det arktiske klima er meget vigtigt for den samlede energibalance på Jorden.

"Blandede faseskyer, som både har afkølet flydende vand og ispartikler i sig, kan vare i flere uger i Arktis, "Sagde Vogelmann." Men hvis du har en hel masse ispartikler, skyen kan blive ryddet ud, når de vokser og falder til jorden som sne. Så har du sollys i stand til at gå lige igennem for at begynde at varme jorden eller havoverfladen op. "

Det kan ændre sæsonbestemmelsen af ​​sne og is på jorden, forårsager smeltning og derefter endnu mindre refleksion af sollys og mere opvarmning.

"Hvis vi i en klimamodel kan forudsige, at noget kommer til at ændre balancen i isdannelse, støvregn, og andre faktorer, så har vi en bedre evne til at forudse, hvad de kan forvente i fremtidigt vejr og klima, og muligvis være bedre forberedt på disse virkninger, "Sagde Luke.