Forskere demonstrerer højopløsningslidar ser fødselszone af skydråber, en første fjernobservation nogensinde

Et hold ledet af atmosfæriske videnskabsmænd ved det amerikanske energiministeriums Brookhaven National Laboratory har demonstreret de første fjernobservationer nogensinde af finskalastrukturen ved bunden af ​​skyer. Resultaterne er netop offentliggjort i npj Climate and Atmospheric Science , viser, at luft-sky-grænsefladen ikke er en perfekt grænse, men snarere en overgangszone, hvor aerosolpartikler suspenderet i Jordens atmosfære giver anledning til de dråber, der i sidste ende danner skyer.

"Vi er interesserede i denne 'dråbeaktiveringszone', hvor de fleste skydråber oprindeligt dannes ved skybasen, fordi antallet af dråber, der dannes der, vil påvirke skyens senere stadier og egenskaber – inklusive hvor meget sollys en sky reflekterer og sandsynligheden for nedbør," sagde Brookhaven atmosfærisk videnskabsmand Fan Yang, den første forfatter på papiret.

"Hvis der er flere aerosoler i atmosfæren, har skyer en tendens til at have flere dråber, men dråberne vil hver især være mindre, hvilket betyder, at de kan reflektere mere sollys," sagde Yang. "Dette kan hjælpe med at afkøle vores opvarmende jord," bemærkede han.

Men for præcist at forudsige virkningerne af disse aerosol-sky-interaktioner på klimasystemet, har forskerne brug for en måde at måle antallet af skydråber-koncentrationer på – uden at skulle flyve op i en masse skyer for at indsamle prøver.

"Dette er fortsat en af ​​de største udfordringer i vores felt," sagde Yang.

De nye fjernmålingsmålinger og -metoder giver en ny måde at estimere dråbekoncentrationen på, som vil gøre det muligt for forskere at få indsigt i, hvordan ændringer i atmosfæriske aerosolniveauer kan påvirke skyer og klima.

Se skyer i flere detaljer

Atmosfæriske lidarer - som sender laserstråler ud i atmosfæren og måler signalerne fra lys, der er tilbagespredt fra molekyler, aerosoler og skydråber i atmosfæren - er blevet brugt i vid udstrækning til at måle afstanden til skybasen. Men traditionelle lidarer kan ikke løse detaljerede strukturer i skybasen, fordi de typisk har en opløsning på 10 meter eller mere.

"Ti meter er som højden af ​​en bygning," sagde Yang og bemærkede denne skalas evne til at opdage store genstande. "Men for at vide, hvor mange etager eller vinduer den bygning har, skal du have meget finere opløsning."

For at se detaljer i cloudbasen arbejdede Brookhaven-teamet sammen med kolleger ved Stevens Institute of Technology (SIT) og Raymetrics S.A. for at bygge en ny slags lidar. Deres enhed, der er beskrevet i en tidligere publikation, er en tidsstyret, tidskorreleret, enkelt-foton tæller lidar (T2 lidar) med en opløsning ned til 10 centimeter. Det er to størrelsesordener højere opløsning end traditionelle atmosfæriske lidarer.

"Med så høj opløsning afslører T2 lidar-observationerne overgangszonen, hvor aerosolpartikler absorberer vanddamp for at blive omdannet til skydråber," sagde Yang.

"Vi brugte vores hidtil usete finskala T2-observationer af skybaseområdet til at udvikle en teoretisk model til at estimere skydråbekoncentration baseret på T2-målte backscatter-signaler," tilføjede han.

Et unikt træk ved T2 lidar er anvendelsen af ​​time-gating-teknikken – der tvinger detektoren til at åbne sit "øje" for at foretage målinger i et snævert observationsvindue i atmosfæren.

"Denne tidsindgang giver os mulighed for at 'se' på et specifikt område af interesse i skyen. Dette er forskelligt fra en konventionel lidar, hvor lidarens 'øje' generelt er åbent og er klar til at fange tilbagespredte fotoner næsten hele tiden ," sagde Yang.

Ved at indstille tidsforsinkelsen mellem T2 lidarens laserpuls og øjenåbningen til forskellige tidsintervaller, kan forskerne prøve signaler i forskellige områder gennem skyen.

Enheden har også en meget høj gentagelseshastighed og affyrer 20.000 laserimpulser i sekundet.

"Vi kan lære om skyegenskaber fra, hvordan de tilbagespredte signaler er fordelt inden for observationsvinduet," sagde Yang.

Ansøgning om skykammerobservationer

For at gøre teknikken virkelig nyttig til nøjagtige fjernmålinger fra den virkelige verden, skal T2 lidar kalibreres korrekt. Det vil sige, at forskerne skal fuldt ud forstå, hvordan de målte lyssignaler matcher de virkelige skyegenskaber, så de kan finjustere de beregningsalgoritmer, de har skrevet til at relatere den ene til den anden.

Traditionelle lidar-målinger af atmosfæriske skyer krydstjekkes og kalibreres undertiden ved at flyve et fly gennem skyer for at fange dråbeprøver. Forskere forsøger at kalibrere lidar-aflæsningerne med de "sande" egenskaber af dråber fra in-situ flymålinger.

"Problemet er, at fjernmåling og in-situ målinger normalt ikke er placeret sammen," sagde Yang. Det vil sige, det er højst usandsynligt, at en opadgående lidar med en grov opløsning og et fly, der flyver vandret for at indsamle en tynd prøvestrøm, samler data på den samme del af skyen på samme tid.

For at forbedre denne situation bruger Brookhaven og SIT-teamet en teknik, der ligner den, de brugte i T2 lidar til at bygge en lidar med endnu finere opløsning - ned til en centimeter. Ved at bruge denne højere opløsning lidar til at foretage observationer i et lab-baseret skykammer, vil de være i stand til at matche tilbagespredningssignaler med in-situ målinger af skyens fysiske egenskaber taget på samme tid og på samme sted.

"Så kan vi tage lidaren tilbage ud i den rigtige atmosfære og være mere sikre på, hvordan vores lidar-målinger relaterer sig til skyegenskaber såsom dråbeantal, koncentration og fordeling," sagde Yang.

"Dette er kun en begyndelse," bemærkede Yang. "Vores undersøgelse fremhæver fordelene ved at anvende avancerede teknologier til at observere atmosfæriske skyer på submeterskalaer, hvilket kan åbne nye veje til at fremme vores forståelse af skyens mikrofysiske egenskaber og processer, der er afgørende for vejr og klima."

Flere oplysninger: Fan Yang et al, A single-photon lidar observerer atmosfæriske skyer på decimeterskalaer:løser dråbeaktivering inden for skybasen, npj Climate and Atmospheric Science (2024). DOI:10.1038/s41612-024-00644-y

Journaloplysninger: npj Klima og atmosfærisk videnskab

Leveret af Brookhaven National Laboratory