Откуда берется снег? Это может показаться простым вопросом для размышления, поскольку половина планеты появляется из сезона наблюдения за причудливыми хлопьями, падающими с неба, и убирает их с подъездных дорог. Но новое исследование того, как вода превращается в лед в слегка переохлажденных арктических облаках, может заставить вас переосмыслить простоту пушистой материи. Исследование, опубликованное учеными из Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, включает новые прямые доказательства того, что разбивание капель моросящего дождя приводит к взрывному «размножению льда». Полученные результаты имеют значение для прогнозов погоды, моделирования климата, водоснабжения и даже энергетической и транспортной инфраструктуры.
«Наши результаты проливают новый свет на ранее основанное на лабораторных экспериментах понимание того, как переохлажденные капли воды - вода, которая все еще остается жидкой при температуре ниже точки замерзания - превращаются в лед и, в конечном итоге, в снег», - сказал ученый-атмосферник Брукхейвенской лаборатории Эдвард Люк. ведущий автор статьи. Новые результаты реальных долгосрочных измерений облачных радаров и метеозондов в облаках смешанной фазы (состоящих из жидкой воды и льда) при температуре от 0 до -10 градусов по Цельсию (от 32 до 14 ° по Фаренгейту) свидетельствуют что замерзание капель изморось важно для того, сколько льда сформируется и потенциально выпадет из этих облаков в виде снега.
«Теперь модели климата и модели прогноза погоды, используемые для определения того, сколько снега вам придется убрать, могут сделать скачок вперед, используя гораздо более реалистичную физику для имитации «вторичного» образования льда», - сказал Люк.
Что такое вторичный лед?
Снег, выпадающий из переохлажденных облаков, обычно происходит из «первичных» частиц льда, которые образуются при кристаллизации воды на отдельных крошечных пылинках или аэрозолях в атмосфере, известных как кристаллы льда. Однако при слегка переохлажденных температурах (т.е. от 0 до -10°C) авиационные наблюдения показали, что облака могут содержать гораздо больше кристаллов льда, чем это можно объяснить наличием относительно небольшого количества образующих лед частиц. Это явление десятилетиями озадачивало сообщество исследователей атмосферы. Ученые думали, что объяснением является «вторичное» производство льда, при котором дополнительные частицы льда образуются из других частиц льда. Но поймать процесс в действии в естественной среде было сложно.
Предыдущие объяснения образования вторичных льдов в основном основывались на лабораторных экспериментах и ограниченных краткосрочных полетах для отбора проб с самолетов. Общее понимание, появившееся в результате нескольких лабораторных экспериментов, заключалось в том, что относительно большие, быстро падающие частицы льда, называемые римерами, могут «собирать» и замораживать крошечные переохлажденные облачные капельки, которые затем производят более мелкие ледяные частицы, называемые осколками. Но оказывается, что такое «расщепление инея» далеко не все.
Новые результаты, полученные в Арктике, показывают, что более крупные переохлажденные капли воды, классифицируемые как изморось, играют гораздо более важную роль в образовании вторичных частиц льда, чем принято считать.
«Когда частица льда попадает в одну из этих капель моросящего дождя, она вызывает замерзание, которое сначала формирует твердую ледяную оболочку вокруг капли», - объяснил Фан Ян, соавтор статьи. «Затем, когда замерзание движется внутрь, давление начинает расти, потому что вода расширяется при замерзании. Это давление заставляет морось рассыпаться, образуя больше ледяных частиц».
Данные показывают, что этот процесс «замораживания фрагментации» может быть взрывоопасным.
"Если бы у вас была одна ледяная частица, вызывающая производство одной другой ледяной частицы, это не было бы таким значительным", - сказал Люк. «Но мы предоставили доказательства того, что при таком каскадном процессе фрагментация из-за моросящего замерзания может увеличить концентрацию ледяных частиц в облаках в 10-100 раз, а иногда даже в 1000 раз!
"Наши результаты могут дать недостающее звено для несоответствия между нехваткой первичных частиц, образующих зародыши льда, и снегопадом из этих слегка переохлажденных облаков."
Миллионы образцов
Новые результаты основаны на шестилетних данных, собранных направленным вверх доплеровским радаром миллиметрового диапазона в атмосферной обсерватории North Slope of Alaska пользовательского объекта Министерства энергетики США по измерению атмосферной радиации (ARM) в Уткиагвике (ранее Барроу), Аляска.. Радиолокационные данные дополняются измерениями температуры, влажности и других атмосферных условий, собранными метеорологическими зондами, запущенными из Уткиагвика в течение всего периода исследования.
Ученый-атмосферник из Брукхейвенской лаборатории и соавтор исследования Павлос Коллиас, который также является профессором отделения атмосферных наук в Университете Стоуни-Брук, сыграл решающую роль в сборе данных радара миллиметрового диапазона, что сделало его ученым удалось сделать вывод о том, как образовался вторичный лед.
ARM с 1990-х годов является пионером в использовании коротковолновых облачных радаров, чтобы лучше понять микрофизические процессы в облаках и то, как они влияют на погоду на Земле сегодня. Наша команда руководила оптимизацией своей стратегии выборки данных, чтобы информация об и процессы осаждения, подобные представленному в этом исследовании, могут быть получены», - сказал Коллиас.
Миллиметровая длина волны радара делает его уникально чувствительным к размерам частиц льда и капель воды в облаках. Его двойная поляризация дает информацию о форме частиц, что позволяет ученым идентифицировать игольчатые кристаллы льда - предпочтительную форму вторичных частиц льда в условиях слегка переохлажденного облака. Наблюдения за доплеровскими спектрами, записываемые каждые несколько секунд, дают информацию о том, сколько частиц присутствует и как быстро они падают на землю. Эта информация имеет решающее значение для определения наличия изморози, изморози и вторичных частиц льда.
Используя сложные методы автоматизированного анализа, разработанные Люком, Янгом и Коллиасом, ученые просканировали миллионы этих доплеровских радиолокационных спектров, чтобы отсортировать частицы в сегменты данных по размеру и форме, и сопоставить данные с современным метеозондом. наблюдения за наличием переохлажденной облачной воды, температурой и другими переменными. Детальный анализ данных позволил им сравнить количество вторичных ледяных иголок, образовавшихся в разных условиях: при наличии только римеров, римеров плюс моросящие капли или просто морось..
"Огромный объем наблюдений позволяет нам впервые выделить вторичный ледовый сигнал из "фонового шума" всех других происходящих в атмосфере процессов - и количественно определить, как и при каких обстоятельствах происходят вторичные ледовые явления., - сказал Люк.
Результаты были ясны: условия с переохлажденными каплями мороси приводили к драматическому размножению льда, намного большему, чем римеры.
Краткосрочные и долгосрочные последствия
Эти реальные данные дают ученым возможность количественно определить «коэффициент размножения льда» для различных облачных условий, что повысит точность климатических моделей и прогнозов погоды.
«Модели прогнозирования погоды не могут справиться со всей сложностью облачных микрофизических процессов. Нам нужно экономить на вычислениях, иначе вы никогда не получите прогноз», - сказал Эндрю Фогельманн, еще один соавтор исследования. изучение. «Чтобы сделать это, вы должны выяснить, какие аспекты физики наиболее важны, а затем максимально точно и просто учесть эту физику в модели. Это исследование ясно показывает, что знание морося в этих облаках со смешанной фазой необходимо."
Помимо помощи в планировании того, сколько дополнительного времени вам понадобится, чтобы расчистить подъездную дорожку и приступить к работе, более четкое понимание того, что приводит к образованию вторичного льда, может помочь ученым лучше предсказать, сколько снега скопится в водоразделах, чтобы обеспечить питье воды в течение всего года. Новые данные также помогут улучшить наше понимание того, как долго будут держаться облака, что имеет важные последствия для климата.
«Больше частиц льда, образующихся при производстве вторичного льда, будет иметь огромное влияние на осадки, солнечную радиацию (насколько облака солнечного света отражают обратно в космос), круговорот воды и эволюцию смешанных фаз облаков», - Ян. сказал.
Срок жизни облаков особенно важен для климата Арктики, отметили Люк и Фогельманн, а арктический климат очень важен для общего энергетического баланса на Земле.
«Облака со смешанной фазой, в которых есть как переохлажденная жидкая вода, так и частицы льда, могут существовать в Арктике неделями», - сказал Фогельманн. «Но если у вас есть целая куча ледяных частиц, облако может очиститься после того, как они вырастут и упадут на землю в виде снега. Тогда у вас будет солнечный свет, способный пройти прямо сквозь него, чтобы начать нагревать землю или поверхность океана."
Это может изменить сезонность снега и льда на земле, вызывая таяние, а затем еще меньшее отражение солнечного света и больший нагрев.
Если мы сможем предсказать в климатической модели, что что-то изменит баланс образования льда, мороси и других факторов, тогда у нас будет больше возможностей предвидеть, чего ожидать от погоды и климата в будущем., и, возможно, лучше подготовиться к этим ударам, - сказал Люк.