Ian N. Williams è un ricercatore presso il Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL), dove è ricercatore principale in un programma chiamato accoppiamento terra-atmosfera e convezione nel ciclo dell'acqua.

Più in generale, la sua ricerca coinvolge molti fili all'interno del mondo della scienza dell'atmosfera. Tra le pubblicazioni del primo autore di Williams ci sono studi sulla radiazione solare e sul frumento invernale, eventi di vortice polare, e la convezione tropicale e le nuvole, un interesse ricorrente da quando ha concluso la sua tesi su questo argomento all'Università di Chicago (Ph.D., 2012).

Ultimamente, però, Williams trascorre molto del suo tempo sul progetto di interazione terra-atmosfera, sponsorizzato da Atmospheric System Research (ASR), un programma del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti. (Sul sito LBNL, il suo progetto ASR è combinato con un altro sul forzante radiativo.)

Le interazioni terra-atmosfera erano precedentemente guidate dalla scienziata senior Margaret Torn, con cui Williams e altri sette ricercatori lavorano nel dominio del programma Biosphere-Atmosphere di Torn. È un ramo della Divisione di scienze del clima e dell'ecosistema di LBNL. Oltre alla ricerca sull'ASR, tocca la modellizzazione del clima e la scienza dell'ecosistema terrestre.

Tra le altre occupazioni, Williams e il suo team di progetto stanno lavorando su modi per migliorare i modelli predittivi del sistema terrestre affinando le rappresentazioni del modo in cui i processi terrestri (compreso il carbonio, acqua, e cicli energetici) si collegano alle nuvole, radiazioni e precipitazioni.

"Le superfici del terreno hanno influenze sul clima che dobbiamo correggere, " lui dice.

Indice dell'area fogliare

In parte, ottenere quelle influenze giuste richiede di entrare nelle erbacce, letteralmente. Questo è, comprendere il ruolo della vegetazione nelle interazioni terra-atmosfera o, più generalmente, il suo ruolo nel ciclo dell'acqua.

In precedenza, si pensava che l'umidità del suolo fosse il principale fattore di variazione della frazione evaporativa, un rapporto che misura come l'energia è "suddivisa" sulle superfici terrestri tra calore latente e sensibile. Può essere utilizzato per dedurre il bilancio energetico giornaliero, un parametro importante nei modelli climatici.

Williams una volta tenne un discorso intitolato "Rimettere la terra nelle interazioni terra-atmosfera, "il punto è, lui dice, "che senza considerare la vegetazione non stai davvero arrivando alle interazioni."

In un documento del 2015 che Williams chiama "fondamentale, " lui e Torn sostengono una nuova metrica che fa perno principalmente sull'indice dell'area fogliare (LAI) e sull'assorbimento di anidride carbonica invece dell'umidità del suolo come correlato della frazione evaporativa.

LAI viene utilizzato per quantificare la chioma delle piante. È anche utile nel predire l'evapotraspirazione, che influisce sul bilancio energetico della superficie terrestre.

"Abbiamo rivisitato ciò che controlla il flusso di calore superficiale, " ha detto Williams del giornale, e ha scoperto "che è influenzato da più cose che dall'umidità del suolo, "comprese la traspirazione e la fotosintesi.

Williams è stato anche autore principale di un articolo successivo del 2016 con Torn e altri. Hanno testato l'idea LAI in una versione del modello del sistema terrestre comunitario del Centro nazionale per la ricerca atmosferica e hanno dimostrato che una migliore rappresentazione della vegetazione ha migliorato l'acutezza predittiva del modello per quanto riguarda la temperatura e le precipitazioni.

Miglioramenti nei modelli della superficie terrestre, hanno concluso, può migliorare la previsione degli estremi climatici.

"I modelli sono troppo vincolati dall'umidità del suolo" da sola, dice Williams, "che ha un impatto sulla previsione del clima".

Per uno, lui dice, se l'evaporazione dell'umidità dalla superficie è "erroneamente bassa, che può portare a bias di previsione, (comprese) le temperature troppo calde."

Il prossimo articolo relativo a Williams-Torn, ora in revisione, esamina in modo più specifico gli impatti di questo nuovo schema modello sulle previsioni di nubi convettive e precipitazioni su scale stagionali.

Interpretazione dei flussi di carbonio

Williams era ancora alla scuola di specializzazione quando per due estati (2006 e 2009), ha lavorato presso LBNL come assistente di ricerca. Strappato era lì, insieme ad altri due scienziati che sarebbero futuri coautori:l'esperto di ecosistemi terrestri William Riley e Sebastien Biraud, la cui specialità è osservare e misurare i gas in tracce nell'atmosfera.

"È lì che ho davvero imparato a conoscere il ciclo del carbonio e a mettere la fotosintesi nei modelli del sistema terrestre, " dice. "Sono stato fortunato ad avere quell'esposizione all'inizio".

Williams è tornato come borsista post-dottorato (2012-2016) dopo il suo dottorato di ricerca. lavorare sulla convezione tropicale. Ma ha portato con sé qualcos'altro dal Dipartimento di Scienze Geofisiche dell'Università di Chicago:un apprezzamento per il lavoro interdisciplinare.

Il suo relatore di tesi, Raymond Pierrehumbert, ora professore di fisica all'Università di Oxford, "mi ha insegnato l'importanza di pensare al clima come un sistema accoppiato, "dice Williams, "e quanto puoi sbagliarti se non adotti un approccio sistemico e guardi invece all'insolazione di un componente. È questa prospettiva sistemica che dà al lavoro interdisciplinare la sua importanza per me."

Mentre Williams ha preso quella lezione come Ph.D. alunno, coltivò anche un interesse per problemi di geologia e paleoclima.

"Non puoi separare la geologia dalla biologia su queste scale temporali, " lui dice, "e questo è sempre stato nella mia mente lì:l'importanza della biologia."

Modelli terra-superficie, Una nuova

Quella vasta esperienza intellettuale durante il dottorato di ricerca. gli studi hanno preparato Williams molto bene, non solo per i problemi che gli sono stati presentati alla LBNL (interpretazione dei gas in traccia e dei flussi di carbonio) ma anche per una transizione a quella che chiama "la terza generazione di modelli terra-superficie".

Questa transizione è iniziata intorno al 2005, dice Williams. "Era la prima volta che le piante venivano incluse nei modelli climatici in modo meccanicistico, tenendo conto dei cicli accoppiati del carbonio e dell'acqua, " grazie al lavoro pionieristico di Joseph Berry, un esperto di interazioni biosfera-atmosfera ora presso la Carnegie Institution for Science. (Williams ha interagito con lui durante la sua prima estate al laboratorio di Torn nel 2005.)

Anche oggi, Aggiunge, "questi tipi di modelli sono piuttosto nuovi. Non abbiamo esplorato tutte le incertezze e le conseguenze per il clima".

Ancora, è impossibile separare il clima dal ciclo del carbonio su scale decadali.

"È una prospettiva necessaria, "dice Williams, un riconoscimento, per uno, che col tempo le foreste possono sprofondare in praterie, "il che avrebbe un effetto di prim'ordine sul ciclo dell'acqua. I modelli atmosferici che stiamo sviluppando devono essere resistenti a questi cambiamenti. Non possiamo semplicemente mettere a punto i modelli per la superficie terrestre di oggi".

È un lavoro importante.

"Il semplice fatto è che il clima è influenzato dalla superficie terrestre a causa dei flussi di acqua ed energia all'interfaccia terra-atmosfera, "dice Williams, in un gioco di umidità del suolo, tipi di piante, e l'altezza della chioma della pianta, che può essere pollici a centinaia di piedi.

Tutte queste interazioni fanno anche parte del problema della parametrizzazione delle nuvole convettive.

"La convezione è il risultato di una sequenza, una catena di processi, " dice. "È importante ottenere ogni anello di questa catena nel modo giusto".

Guardando il tempo

Quando iniziò il liceo, Williams e la sua famiglia si trasferirono dalla periferia di Philadelphia (dove ha vissuto l'epica Blizzard del 1993) alla periferia di Kansas City, Kansas, "dove solo pochi mesi dopo che siamo arrivati ​​lì, le sirene tornado suonarono. Il tempo era davvero diverso".

Quando la prima cellula di tempesta stava percorrendo la sua città, Williams si è rifugiato in una stanza del seminterrato dove ha visto il dramma svolgersi su una vecchia TV in bianco e nero. "Ricordo ancora com'era l'eco radar, " lui dice.

Le persone in Kansas conoscono il tempo, preoccupartene, guardalo, e conoscere il gergo, lui dice. "Jet a bassa quota, sistemi convettivi. La gente è abbastanza informata".

Presto lo fu anche Williams. All'età di 15 anni stava monitorando i dati del National Weather Service e leggendo discussioni sulle previsioni tecniche online e studiando attentamente i libri di testo per cercare termini che non conosceva.

Nel suo secondo anno, Williams stava scaricando dati meteorologici numerici, scansione delle previsioni meteorologiche stagionali, e indagando, in un anno di El Niño, gli effetti delle temperature superficiali degli oceani sul clima.

"Mi sono interessato alla scienza più in generale attraverso il mio interesse per la scienza dell'atmosfera, " dice dei suoi anni di liceo. "Dopo di che, Ho preso la fisica più seriamente. Ho preso la matematica più seriamente".

Williams, un pianista, ha iniziato il college presso l'Università del Kansas per studiare musica. Ma dopo, attratto dallo studio delle scienze atmosferiche, si è trasferito alla Cornell University (BS 2005, SM. 2007).

"La passione per la comprensione del tempo e del clima era solo qualcosa a cui continuavo a tornare, " lui dice.

"Abbracciare la complessità"

All'Università di Chicago, Williams ha coperto molto terreno e mare nella sua ricerca di dottorato. Ha esaminato due questioni:l'effetto radiativo delle nuvole convettive ai tropici ("una grande preoccupazione per la proiezione del clima, "dice) e l'accoppiamento tra la superficie dell'oceano e il bilancio energetico della Terra.

Oggi a LBNL, il prossimo futuro implica "abbracciare la complessità, " dice Williams. Ciò include la combinazione di dati osservativi con modelli atmosferici ad alta risoluzione che sono accoppiati a modelli di superficie terrestre, il tutto per studiare l'interazione con le nuvole "in modo sperimentale, " lui dice.

C'è vita per lui al di fuori della scienza?

Qualche volta, dice Williams. Gli piace fare escursioni giornaliere con sua moglie e, ultimamente, leggere di altri scienziati, compreso il premio Nobel Ernest O. Lawrence, il fondatore di LBNL.

Un libro ha lanciato quello che lui chiama "il mio attuale programma di lettura":la storia del 2007 del dendrocronologo Edmund Schulman, che sviluppò registrazioni climatiche da antichi pini bristlecone. (Alcuni sono ben più di 4, 000 anni.)

La sua ultima incursione nella stampa è stata "The Brothers Vonnegut:Science and Fiction in the House of Magic, " una doppia biografia dello scienziato delle nuvole Bernard Vonnegut e del romanziere Kurt Vonnegut Jr.

"È interessante, leggendo le loro storie, ", dice Williams di colleghi scienziati. "Alcuni di questi possono essere collegati:le difficoltà di una carriera scientifica e il modo in cui hanno trovato la loro strada".