Badanie przeprowadzone przez naukowców z NSF NCAR pokazuje, że turbulencje znacznie przyspieszają powstawanie opadów w chmurach, na podstawie zaawansowanych symulacji i danych z kampanii terenowej NASA. Odkrycie to ma kluczowe znaczenie dla poprawy prognoz pogody i klimatu.
Nowe odkrycia mogą potencjalnie ulepszyć modele komputerowe wykorzystywane do prognozowania pogody i klimatu.
Przez dziesięciolecia naukowcy starali się rozwikłać zawiłą i zagadkową sekwencję zdarzeń, która pozwala maleńkim kropelkom w chmurach urosnąć na tyle, że spadają na ziemię. Głębsze zrozumienie tego procesu, zwanego „wąskim gardłem powstającym podczas opadów”, ma kluczowe znaczenie dla ulepszenia symulacji pogody i klimatu za pomocą modeli komputerowych, co z kolei prowadzi do dokładniejszych prognoz.
Teraz zespół badawczy kierowany przez naukowców z amerykańskiego Narodowego Centrum Badań Atmosferycznych (NSF NCAR) odkrył, że turbulentne ruchy powietrza w chmurach odgrywają kluczową rolę we wzroście kropelek i inicjowaniu opadów.
Naukowcy zastosowali zaawansowane modelowanie komputerowe do szczegółowych obserwacji kropel w chmurach cumulus, które wykonano podczas: NASA kampania terenowa. Umożliwiło im to śledzenie wpływu turbulencji na embrionalne kropelki, które ostatecznie łączą się w krople deszczu.
„Badanie to pokazuje, że turbulentny wpływ na koalescencję kropel ma kluczowe znaczenie dla ewolucji rozmiarów kropel i inicjacji deszczu” – powiedział Kamal Kant Chandrakar, główny autor, naukowiec z NSF NCAR. „Turbulencje w chmurach cumulusowych znacznie przyspieszają opady deszczu i prowadzą do ich znacznie większych ilości”.
Chandrakar i jego współpracownicy odkryli, że w symulacjach komputerowych z turbulencjami deszcz pojawiał się około 20 minut wcześniej niż w symulacjach komputerowych bez turbulencji. W symulacjach obejmujących turbulencje masa wody deszczowej była ponad siedmiokrotnie większa.
Badanie opublikowano w czasopiśmie Postępowanie Narodowej Akademii Nauk. Został on sfinansowany przez NASA, Departament Energii USA i NSF.
Od małych kropelek wody po deszcz
Proces powstawania deszczu rozpoczyna się, gdy małe kropelki wody w chmurach kondensują się wokół mikroskopijnych cząstek pyłu, soli lub innych materiałów, zwanych jądrami kondensacji chmur (CCN). Gdy miliony kropel zderzają się ze sobą, łączą się w większe kropelki, które ostatecznie stają się wystarczająco ciężkie, aby wypaść z chmury.
Tworzenie się kropel deszczu może się różnić w zależności od różnych warunków, takich jak rozkład różnych rozmiarów kropel chmur, a także innych czynników, takich jak ruchy turbulentne i właściwości cząstek w chmurze.
Prawidłowe przedstawienie tego procesu w komputerowych modelach zdarzeń pogodowych i systemu klimatycznego jest niezbędne dla poprawy wiarygodności tych modeli. Koalescencja kropelek wody jest ważna nie tylko dla dokładnego przewidywania opadów, ale także dla lepszego zrozumienia ewolucji chmur i stopnia, w jakim odbijają one ciepło z powrotem w przestrzeń kosmiczną, wpływając w ten sposób na temperaturę.
Aby zbadać inicjację opadów, Chandrakar i jego współpracownicy wykorzystali obserwacje rozkładu wielkości kropli wykonane przez samolot badawczy, który wleciał w chmury cumulus congestus podczas kampanii terenowej NASA w 2019 r., filipińskiego eksperymentu Cloud, Aerosol and Monsoon Processes (CAMP2Ex).
Korzystając ze specjalistycznego modelu komputerowego, zespół badawczy opracował serię symulacji o wysokiej rozdzielczości, aby odtworzyć warunki chmur zaobserwowane podczas kampanii i zobaczyć, jak kropelki łączyły się z różnymi turbulentnymi przepływami.
Symulacje wykazały kluczową rolę turbulencji zarówno w zakresie czasu, jak i zasięgu opadów. Wskazali również, że obecność dużego CCN, na którym skupiały się niektóre teorie powstawania deszczu, nie może wyjaśniać obserwowanych rozmiarów i ewolucji kropel. W symulacjach z dużym CCN i niewielką turbulencją koalescencja kropel zachodziła wolniej i generowała mniej opadów.
„Postępowanie deszczu ma fundamentalne znaczenie dla chmur, pogody i całego systemu klimatycznego” – powiedział Chandrakar. „Lepsze zrozumienie tego procesu może wskazać drogę do znacznych ulepszeń naszych modeli komputerowych, a ostatecznie prognoz pogody i prognoz klimatycznych, które pomogą chronić społeczeństwo”.
Odniesienie: „Czy wpływ turbulencji na zderzenia i koalescencję kropel jest kluczem do zrozumienia obserwowanego powstawania deszczu w chmurach?” Kamal Kant Chandrakar, Hugh Morrison, Wojciech W. Grabowski i R. Paul Lawson, 25 czerwca 2024 r., Postępowanie Narodowej Akademii Nauk.
DOI: 10.1073/pnas.2319664121
Niniejszy materiał opiera się na wynikach prac wspieranych przez Narodowe Centrum Badań Atmosferycznych NSF, główną placówkę sponsorowaną przez amerykańską Narodową Fundację Nauki i zarządzaną przez Uniwersytecką Korporację Badań Atmosferycznych.
