Forskere løser mysteriet om iskolde fjer, der kan forudsige dødelige supercellestorme

Når en grumset is og vanddamp bølger op over toppen af ​​et kraftigt tordenvejr, der er en god chance for en voldsom tornado, høj vind eller hagl, der er større end golfbolde, vil snart kaste jorden ned.

En ny undersøgelse ledet af Stanford University, udgivet 10. september i Videnskab , afslører den fysiske mekanisme for disse fjer, som danner sig over de fleste af verdens mest skadelige tornadoer.

Tidligere forskning har vist, at de er lette at få øje på i satellitbilleder, ofte 30 minutter eller mere, før hårdt vejr når jorden. "Spørgsmålet er, hvorfor er denne plume forbundet med de værste forhold, og hvordan eksisterer det i første omgang? Det er det hul, vi begynder at udfylde, "sagde den atmosfæriske videnskabsmand Morgan O'Neill, hovedforfatter til den nye undersøgelse.

Undersøgelsen kommer lidt over en uge efter supercellens tordenvejr og tornadoer spandt op blandt resterne af orkanen Ida, da de løb ind i det amerikanske nordøst, forværring af ødelæggelser i hele regionen med rekordstore nedbørsmængder og oversvømmelser.

At forstå, hvordan og hvorfor plumes tager form over kraftige tordenvejr, kan hjælpe prognosemaskiner med at genkende lignende forestående farer og udsende mere præcise advarsler uden at stole på Doppler -radarsystemer, som kan slås ud af vind og hagl - og have blinde pletter selv på gode dage. I mange dele af verden, Dopplerradardækning findes ikke.

"Hvis der kommer en frygtelig orkan, vi kan se det fra rummet. Vi kan ikke se tornadoer, fordi de er skjult under tordenvejrstoppe. Vi er nødt til at forstå toppe bedre, "sagde O'Neill, som er adjunkt i jordsystemvidenskab ved Stanford's School of Earth, Energi- og miljøvidenskab (Stanford Earth).

Supercelle storme og eksploderende turbulens

Tordenvejr, der skaber de fleste tornadoer, er kendt som superceller, en sjælden stormstam med et roterende opdrift, der kan skyde mod himlen ved hurtigere hastigheder end 150 miles i timen, med nok kraft til at slå igennem det sædvanlige låg på Jordens troposfære, det laveste lag af vores atmosfære.

I svagere tordenvejr, stigende strømme af fugtig luft har en tendens til at flade og sprede sig, når de når dette låg, kaldet tropopausen, danner en amboltformet sky. En supercells tordenvejrs intense opstigning presser tropopausen opad i det næste lag af atmosfæren, skabe det, forskere kalder en overskydende top. "Det er som et springvand, der skubber op mod det næste lag i vores atmosfære, "Sagde O'Neill.

Som vinde i den øvre atmosfære kører over og omkring den fremspringende stormtop, de sparker nogle gange vandstrømme og is til, som skyder ind i stratosfæren for at danne fortælleplummen, teknisk kaldet en over-anvil Cirrus Plume, eller AACP.

Den stigende luft i overskydningstoppen går hurtigt tilbage mod troposfæren, som en bold, der accelererer nedad efter at have kørt højt. På samme tid, luft strømmer over kuplen i stratosfæren og derefter løb ned ad den beskyttede side.

Brug af computersimuleringer af idealiserede supercell tordenvejr, O'Neill og kolleger opdagede, at dette ophidser et faldende vindstorm i tropopausen, hvor vindhastigheder overstiger 240 miles i timen. "Tør luft, der kommer ned fra stratosfæren og fugtig luft, der stiger fra troposfæren, slutter sig til denne meget smalle, vanvittig hurtig jet. Strålen bliver ustabil, og det hele blandes og eksploderer i turbulens, "O'Neill sagde." Disse hastigheder på stormtoppen er aldrig blevet observeret eller antaget før. "

Hydraulisk spring

Forskere har længe erkendt, at overskydende stormtoppe med fugtig luft, der stiger op i den øvre atmosfære, kan fungere som solide forhindringer, der blokerer eller omdirigerer luftstrømmen. Og det er blevet foreslået, at bølger af fugtig luft, der strømmer over disse toppe, kan bryde og hive vand ind i stratosfæren. Men ingen forskning til dato har forklaret, hvordan alle stykker passer sammen.

Den nye modellering antyder eksplosionen af ​​turbulens i atmosfæren, der ledsager plumede storme, der udspiller sig gennem et fænomen kaldet et hydraulisk spring. Den samme mekanisme er i spil, når stormende vinde vælter over bjerge og genererer turbulens på nedadgående side, eller når vand, der hastigt glider ned ad en dæmnings udløb, pludselig brister i skum, når det slutter sig til langsommere vand under.

Leonardo DaVinci observerede fænomenet i strømmende vand allerede i 1500'erne, og gamle romere har muligvis forsøgt at begrænse hydrauliske spring i akvæduktdesign. Men indtil nu har atmosfæriske forskere kun set dynamikken fremkaldt af solid topografi. Den nye modellering antyder, at et hydraulisk spring også kan udløses af flydende forhindringer i atmosfæren, der næsten udelukkende består af luft, og som ændrer form hvert sekund, kilometer over jordens overflade.

Simuleringerne tyder på, at springet begynder, sammenfaldende med en overraskende hurtig indsprøjtning af vanddamp i stratosfæren, op til 7000 kilo i sekundet. Det er to til fire gange højere end tidligere estimater. Når den når oververdenen, vand kan blive der i dage eller uger, potentielt påvirker mængden og kvaliteten af ​​sollys, der når Jorden via ødelæggelse af ozon i stratosfæren og opvarmning af planetens overflade. "I vores simuleringer, der viser fjer, vand når dybt ind i stratosfæren, hvor det muligvis kan have mere af en langsigtet klimapåvirkning, "sagde medforfatter Leigh Orf, en atmosfærisk videnskabsmand ved University of Wisconsin-Madison.

Ifølge O'Neill, NASA-forskningsfly i stor højde har først for nylig fået mulighed for at observere de tredimensionelle vinde på toppen af ​​tordenvejr, og har endnu ikke observeret AACP -produktion på nært hold. "Vi har teknologien nu til at kontrollere vores modelleringsresultater for at se, om de er realistiske, "O'Neill sagde." Det er virkelig et sødt sted i videnskaben. "