Christine Chiu della Colorado State University indaga sulle nuvole. Li chiama "oggetti 3D complicati che si evolvono rapidamente".

Studia le nuvole dal basso e da tutti i lati con i radar delle nuvole a scansione e dall'alto con i dati satellitari. La sua ricerca conta. Le proprietà del cloud sono le determinanti principali del bilancio energetico della Terra, tuttavia non sono rappresentati bene nei modelli attuali.

La gamma sconcertante di previsioni del sistema terrestre odierno, Chiu dice, "è in parte il risultato di proprietà delle nuvole imprecise nei modelli climatici".

Per migliorare i modelli, è necessario comprendere meglio i processi fisici e gli effetti radiativi delle nuvole e delle precipitazioni.

A quello scopo, Chiu e colleghi in Colorado, il Regno Unito, e la Finlandia hanno iniziato a lavorare a luglio 2018 su un progetto di ricerca triennale che affronta un enigma duraturo della microfisica delle nuvole. Perché la concentrazione osservata di particelle di ghiaccio in un sistema di nuvole spesso supera, di diversi ordini di grandezza, il vicino numero di nuclei di ghiaccio primari?

Insomma, perché così tanto ghiaccio nelle nuvole viene fatto con così pochi ingredienti apparenti?

Gli scienziati hanno un nome per questo inaspettato miglioramento delle particelle di ghiaccio:produzione di ghiaccio secondario, o SIP.

Negli ultimi 70 anni, i ricercatori hanno ipotizzato molti meccanismi che potrebbero spiegare la SIP, come delineato in questo documento di revisione del 2017 nel Bulletin of the American Meteorological Society.

I tre meccanismi di primario interesse per Chiu, il ricercatore principale del progetto (PI), ottenere molta attenzione nelle discussioni in corso. Ma non è chiaro quale sia quello predominante, o come l'inizio e la formazione di SIP variano a seconda dei tipi di cloud.

Chiu e il suo team intendono affrontare queste e altre domande sul processo SIP, e (cosa importante) scoprire come questi processi influenzano le radiazioni e le precipitazioni.

Il loro progetto di ricerca, per valutare la SIP nelle nuvole continentali, è finanziato dal programma Atmospheric System Research (ASR) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE).

Chiu fa parte della ricerca ASR quasi ininterrottamente dal 2006.

Riding, frantumazione, e collisioni

Tra i tre meccanismi SIP su cui si concentra Chiu ce n'è uno ipotizzato per la prima volta nel 1943. La scheggiatura del rime si verifica quando grandi particelle di ghiaccio rigonfio come fiocchi di neve o graupel (pellet di neve) raccolgono goccioline di liquido super raffreddato, generando numerose schegge di ghiaccio.

La frantumazione delle gocce congelate avviene quando le goccioline più grandi si congelano, poi scheggia. Più bassa è la temperatura, maggiore è il tasso di frantumazione.

collisione ghiaccio-ghiaccio, il terzo meccanismo SIP ipotizzato, accade quando fragili cristalli di ghiaccio, ricoperti di sottili aghi o esili dendriti, si rompono facilmente durante le collisioni tra loro.

Alcune osservazioni e simulazioni di modelli hanno suggerito che i tre meccanismi SIP possono avvenire insieme, dice Chiu, ma a quali condizioni? "I processi microfisici sono troppo complicati".

Inoltre, SIP è il processo più importante di tutti? "La gente in realtà non sa, " dice. "Ma conoscere l'inizio della concentrazione delle particelle di ghiaccio è un posto importante dove andare".

Al lavoro

Per iniziare a ricevere alcune risposte, "stiamo craccando i dati ora, "dice Chiu.

Alla CSU, nella prima fase del progetto, sta lavorando con Nicholas Kedzuf, uno studente di master, esaminare i dati e stabilire un inventario completo delle proprietà delle particelle di ghiaccio. ("È una gioia assoluta lavorare con uno studente così eccellente, "dice Chiu.)

I dati provengono da una campagna sul campo del 2014 in Finlandia chiamata Biogenic Aerosols—Effects on Clouds and Climate (BAECC), supportato dalla struttura per gli utenti della misurazione delle radiazioni atmosferiche (ARM) del DOE.

ARM mantiene osservatori atmosferici fissi a lungo termine e portatili a breve termine in tutto il mondo. Raccoglie inoltre, controlli di qualità, e archivia tutti i suoi dati sul campo. (Chiu utilizza i dati ARM dal 2003.)

BAECC è stato progettato per ottenere importanti dettagli sui processi legati all'aerosol, nube, e la formazione della neve che non sono attualmente ben comprese o ben rappresentate nei modelli del sistema terrestre.

Durante la campagna sul campo, ricercatori hanno distribuito misurazioni multi-strumento coincidenti, una prima durante uno studio sul campo della microfisica della neve e del ghiaccio.

Altri strumenti hanno fornito le misurazioni complete dell'aerosol di cui Chiu ha bisogno per calcolare il numero di nuclei di ghiaccio primari. "Senza conoscere la concentrazione dei nuclei di ghiaccio primari, "dice Chiu, "non saremo in grado di sapere se si verifica una produzione di ghiaccio 'secondaria'".

Le misurazioni durante il BAECC sono state raccolte nelle zone gelide delle foreste boreali finlandesi, spesso in condizioni di nuvole profonde e forti piogge, il che è utile alla missione del progetto ASR.

"Si ritiene che la produzione di ghiaccio secondario avvenga in una zona di temperatura piuttosto stretta tra meno-3 e meno-15 gradi Celsius, " dice Chiu. "Volevamo aumentare le nostre possibilità di osservare quella produzione di ghiaccio. L'alta latitudine è il nostro ambiente ideale".

L'unico, le prime misurazioni radar multifrequenza effettuate durante BAECC comprendono uno dei set di dati radar più completi nell'archivio ARM, lei dice, ma i dati non sono ancora stati sfruttati appieno.

Due veterani dei dati BAECC dalla Finlandia sono collaboratori nell'attuale progetto ASR di Chiu:Tuukka Petäjä dell'Università di Helsinki, e David Brus dell'Istituto meteorologico finlandese.

Migliori modelli avanti

opportunamente, Chiu è affiancato da V. Chandrasekar della CSU, un'autorità di fama internazionale sui sistemi radar e co-PI del progetto ASR.

"I dati radar giocano un ruolo importante in questo progetto, " dice. "Chandrasekar ci aiuterà a ottenere il meglio da queste osservazioni radar."

Per ottenere la massima qualità dei dati per il metodo di recupero cloud, Chiu lavora anche a stretto contatto con i mentori dello strumento radar ARM Bradley Isom e Nitin Bharadwaj. Entrambi sono al Pacific Northwest National Laboratory a Richland, Washington.

Un altro collega della CSU aiuterà nel progetto ASR. Susan van den Heever, un esperto di microfisica delle nuvole, sovrintende al Sistema Regionale di Modellazione Atmosferica, o RAM. Il modello sarà utilizzato per valutare i risultati del progetto.

Van den Heever afferma che i processi secondari del ghiaccio svolgono un ruolo importante nella "produzione di precipitazioni, forzante cloud-radiative, e dinamiche dell'incudine." Ragione in più per comprenderle meglio a livello di processo, lei aggiunge, e rappresentarli in modelli di ricerca e previsione.

Per mettere in moto il progetto, Chiu ha scritto le domande di scienza e l'algoritmo di recupero del cloud. Una volta che lei e gli altri saranno sicuri del loro recupero della nuvola, eseguiranno RAMS per testare la loro nuova comprensione di SIP.

"In caso di successo, forniremo parametrizzazioni del ghiaccio secondario più accurate, " dice Chiu. "Ciò porterà a modelli che prevedono meglio il contenuto di acqua ghiacciata e le radiazioni".

Alla fine, spera che il progetto contribuirà a migliorare il modo in cui la microfisica del ghiaccio è rappresentata nei modelli e quindi a ridurre gli errori nella stima delle precipitazioni globali e delle radiazioni.

"È davvero nuovo"

L'obiettivo del team è quello di colmare le lacune di conoscenza critiche sui processi microfisici, dice Chiu. "Le nuvole sono ancora per molti versi misteriose."

La missione più ampia del progetto è richiamare l'attenzione sulla necessità di frequente, osservazioni robuste per caratterizzare i processi SIP.

Storicamente, la valutazione della scheggiatura della brina e di altri meccanismi SIP dipende dai dati osservativi degli aerei. Ma Chiu e il suo team stanno escogitando un metodo per incorporare anche i potenti radar terrestri di ARM per quantificare meglio la concentrazione di particelle di ghiaccio.

Incorporare radar per risolvere il puzzle SIP "è un progetto ad alto rischio, " dice. "E 'davvero nuovo. Stiamo cercando di recuperare qualcosa in modi che nessuno ha mai fatto prima al di fuori dei dati di un laboratorio o di un aereo".

In alcune delle sue precedenti ricerche sull'ASR, Chiu ha compiuto progressi metodologici nel recupero di proprietà microfisiche e ottiche, usando quelle che lei chiama misurazioni "sinergiche" dal radar cloud, lidar, e spettrometri ad onde corte.

Chiu trova modi per sfruttare il modo in cui le nuvole e le radiazioni influenzano le osservazioni di telerilevamento. Per esempio, ha combinato le misurazioni della radiazione solare e le sezioni radar per recuperare l'alta risoluzione, campi di nubi tridimensionali per la prima volta sia in situazioni di cielo coperto che di nubi sparse.

Lo definisce "un passo fondamentale per migliorare la nostra comprensione dei cicli di vita del cloud e dell'organizzazione del cloud".

Chiu e i suoi colleghi hanno anche sviluppato un nuovo metodo per recuperare simultaneamente i profili verticali di nuvole e pioggerella. È ben noto che la pioggerellina spesso domina la riflettività radar osservata. Hanno proposto un modo per aggirare questo problema utilizzando il telerilevamento attivo sulle nuvole dello strato limite marino.

I dati provengono da otto transetti dell'Oceano Pacifico da una nave portacontainer Horizon Lines dotata di strumenti atmosferici durante la campagna sul campo Marine ARM GPCI Investigation of Clouds (MAGIC) del 2012 e 2013.

Chiu ha anche svolto ricerche sul campo nelle Azzorre, prestando servizio come co-investigatore per la campagna Aerosol and Cloud Experiments in the Eastern North Atlantic (ACE-ENA). Lo studio delle nuvole basse e degli aerosol dello strato limite marino si è svolto nell'estate 2017 e nell'inverno 2018.

"Trovo le interazioni intrecciate tra pioggerella, nuvole, aerosol, dinamica, e radiazioni affascinanti, "dice Chiu.

Un percorso verso la scienza del cloud

Il coraggio di affrontare i rischi, e viaggiare lontano per raggiungere i suoi obiettivi, ha caratterizzato la vita di Chiu finora.

Nato a Taiwan, e bravo presto in matematica e fisica, ha preso il suo primo rischio scientifico all'età di 13 anni. Ancora alle scuole medie, aveva una domanda sulla chimica e l'ha audacemente spedita al leggendario Wu Ta-You, ora conosciuto come il "Padre della fisica cinese".

Ha scritto una risposta scritta a mano di 10 pagine. La scosse di gioia.

"Puoi immaginare come mi sentivo, " dice Chiu. "Ha elencato diversi argomenti e ha spiegato come risolvere la questione. È stata la prima volta che ho visto che conoscere la risposta potrebbe non essere la cosa più importante, che il processo stesso è più divertente!"

Aggiunge:"Ero solo una ragazzina di una città non molto sviluppata, quindi la sua lettera mi ha davvero ispirato e toccato. Sono sempre grato per questo".

Invece di essere un astronauta

Gli studi di laurea presso la National Central University di Taiwan hanno dato a Chiu il suo primo assaggio di scienza dell'atmosfera, un interesse che è sorto dopo aver realizzato che non poteva essere un'astronauta, il suo primo amore per la scienza. "I am severely nearsighted, " she confesses, "and get motion sickness."

At Purdue University in Indiana, Chiu earned her Ph.D., which took her deep into satellite observations for precipitation.

In qualità di ricercatore post-dottorato, she joined the Joint Center for Earth Systems Technology at the University of Maryland, Baltimore County. Allo stesso tempo, Chiu was a researcher at NASA's Goddard Space Flight Center.

Her time at Goddard, says Chiu, "really shaped my whole career, " in part because of her mentors, Warren Wiscombe (now retired) and Alexander Marshak.

Then came a teaching and research stint at the University of Reading in the United Kingdom, where she joined a prestigious cloud remote sensing group. (A former Reading colleague, Shannon Mason, is a collaborator on the current ASR project.)

Since the fall of 2017, Chiu has been an associate professor at CSU, where her research group investigates remote sensing, radiative transfer, and the interactions of clouds, aerosol, precipitazione, e radiazioni.

Allo stesso tempo, she sees clouds for what they also are:beautiful.

"I do enjoy, intellectually, working with observations, " says Chiu. "But I never look at clouds and wonder how many droplets they contain."