Sopra l'Oceano Atlantico, gonfie nuvole bianche corrono nel cielo sbattute da invisibili alisei. Non sono particolarmente grandi, impressionante o esteso, "dice la dottoressa Sandrine Bony, climatologo e direttore di ricerca presso il Centro nazionale francese per la ricerca scientifica. "Ma sono le nuvole più onnipresenti sulla Terra".

Le nuvole sono uno dei maggiori punti interrogativi nei modelli climatici globali, e un jolly nel prevedere cosa accadrà al clima con l'aumento delle temperature. Svolgono un ruolo fondamentale nel determinare quanta parte della radiazione solare entra e rimane intrappolata nella nostra atmosfera. Più nuvole ci sono, più radiazioni rimbalzano sulle loro sommità e vengono riflesse nello spazio; significa anche che se ci sono più nuvole, la radiazione riflessa dalla Terra rimane intrappolata. Storicamente i ricercatori hanno faticato a comprendere le proprietà del cloud, come si comportano attualmente, e come reagiranno all'aumento delle temperature causato dal cambiamento climatico.

Si tratta di una questione di scala, spiega il dottor Bony. Dalle interazioni microscopiche degli atomi alle correnti atmosferiche che agiscono su migliaia di chilometri, molte forze influenzano il modo in cui si formano le nuvole, loro composizione e comportamento.

Le nuvole che somigliano al cotone idrofilo nell'Atlantico, che studiano la dottoressa Bony e i suoi colleghi, sono un buon esempio. "Un piccolo cambiamento nelle loro proprietà ha un enorme impatto sull'equilibrio radiativo globale (l'equilibrio tra quanta energia solare entra nell'atmosfera terrestre e quanta fuoriesce), " disse. Poiché queste nuvole di bel tempo (conosciute come nuvole cumuliformi) sono così comuni, un piccolo cambiamento ha un "enorme" peso statistico nel clima globale.

"È la domanda più grande, non c'è una domanda più grande, " ha detto il professor Bjorn Stevens, un direttore dell'Istituto Max Planck per la meteorologia in Germania e co-leader del Dr. Bony nel progetto EUREC4A che si proponeva di indagare su queste soffici nuvole bianche. "Da 50 anni, le persone hanno fatto proiezioni climatiche, ma tutti hanno avuto una falsa rappresentazione delle nuvole." Queste proiezioni, lui dice, hanno sofferto di una comprensione inadeguata dei fattori che determinano quanto sarà nuvoloso il clima e non sono stati adeguatamente rappresentati nei modelli.

Esperimento sul campo

Il progetto EUREC4A, che iniziò come un modesto esperimento sul campo per misurare il movimento dell'aria e la nuvolosità, attirato numerosi partner e ampliato la portata. Alla fine, comprendeva cinque velivoli di ricerca con equipaggio e sei a pilotaggio remoto, quattro navi da ricerca oceaniche, una flottiglia di vagabondi e alianti, una serie di satelliti, e misurazioni dal Barbados Cloud Observatory.

"L'esperimento è cresciuto in complessità e portata per affrontare una serie di altre affascinanti domande, " ha detto il prof. Stevens, come quanto e con quanta facilità piovono le nuvole, e come i vortici nell'oceano e le nuvole sopra si influenzano a vicenda. Il team sta attualmente scrivendo i risultati, e spera che le loro misurazioni forniranno le risposte a queste domande. "Stabiliremo una verità fondamentale per una nuova serie di modelli climatici, " Egli ha detto.

Per il dottor Bony, il passaggio successivo va oltre la comprensione delle proprietà del cloud e dell'area che coprono.

"Ora, stiamo scoprendo che non è solo l'area totale, ma anche il modo in cui i cloud sono distribuiti e organizzati, " ha detto. I modelli che formano potrebbero anche influenzare il modo in cui bloccano o assorbono le radiazioni, e queste informazioni potrebbero avere implicazioni per il ruolo delle nuvole nel cambiamento climatico.

Dott. Jan Härter, uno specialista della complessità atmosferica presso il Leibniz Center for Tropical Marine Research, la Jacobs University di Brema, Germania e l'Istituto Niels Bohr in Danimarca, sta indagando su questa domanda nel suo progetto INTERACTION. "Molti tipi di cloud mostrano caratteristiche di organizzazione, ma le nuvole temporalesche (ai tropici) mostrano l'auto-organizzazione, " ha detto. INTERACTION guarda come si raggruppano i temporali, utilizzando la simulazione e sviluppando modelli di base per il loro comportamento.

Autorganizzazione

Le nuvole possono organizzarsi per molte ragioni, come quando si trovano al di sopra di un'area urbana che tende ad essere più calda della campagna a causa di tutto il cemento e l'asfalto. L'auto-organizzazione si verifica quando le nuvole si formano e si raggruppano anche se le condizioni sottostanti e la luce del sole sopra di esse sono uniformi.

Nubi temporalesche, noto come cumulonimbus (che deriva dal latino cumulus 'ammucchiato' e nimbus 'tempesta'), sono alte nuvole verticali che spesso portano pioggia. Queste nubi sono il tipo dominante di nubi ai tropici e sono anche la chiave per comprendere l'equilibrio radiativo globale. "Sono alla latitudine in cui la maggior parte del calore arriva sulla Terra, e la radiazione del sole è molto più forte lì, " ha detto il dottor Härter. Queste nuvole a forma di torre influenzano la quantità di luce solare che entra nell'atmosfera, che ha implicazioni dirette per il riscaldamento.

"La domanda è quanto cambiano queste nuvole alte nel raggrupparsi quando, Per esempio, variazioni di temperatura, " ha detto. Tuttavia, come la maggior parte dei problemi che riguardano le nuvole, Questa è una difficile domanda a cui rispondere.

INTERACTION sta affrontando la questione da due diverse prospettive:una è eseguire simulazioni, che richiedono una grande quantità di tempo di calcolo, e un altro è sviluppare modelli "giocattolo" che spieghino le interazioni fondamentali tra temporale e nube.

I modelli "giocattolo" sono simulazioni molto semplici che parlano delle interazioni fondamentali tra le nuvole temporalesche. Ad esempio, Il Dr. Härter ei suoi colleghi stanno cercando di capire come queste nuvole "parlano" tra loro e si auto-organizzano scomponendo queste complesse interazioni fisiche nelle loro componenti di base.

Quando c'è un temporale, la maggior parte della pioggia cade a terra ma una parte evapora nell'aria sotto la nuvola. quest'aria, avendo incorporato l'umidità fredda, diventa una 'piscina fredda, " Spiega Härter. "Questa evaporazione è fondamentale per comunicare i segnali da una nuvola all'altra".

Se ci sono centinaia e migliaia di nuvole in una vasta area, le pozze fredde sotto di loro si scontrano, spingendo l'aria nelle parti più fredde dell'atmosfera e seminando nuove nuvole temporalesche.

Uno dei loro modelli "giocattolo" descrive come interagiscono queste pozze fredde e questo ciclo - di pozze fredde che si scontrano e generano nuove nuvole - può durare per generazioni (una dura circa sei ore) di nuvole, codificare i ricordi delle nuvole e delle tempeste passate nella nuvola attuale. The cold pools can continue to influence cloud generation for weeks.

These very basic models are necessary, says Dr. Härter, in order to remove some of the unknowns for simulating cloud behaviour, such as how these cold pools interact. The team's simulations already incorporate parameters such as wind speed, umidità, temperatura, and cloud composition, which is the different ratios of water, Ghiaccio, and an icy mixture called graupel.

Echoing EUREC4A's Dr. Bony and Prof. Stevens, Dr. Härter said:"We don't know how clouds work, especially these thunderstorm clouds that take place at scales that are hard or impossible to resolve with the current climate models."

Simulation

To take the sheer scale of cloud and their driving forces into consideration, an accurate simulation would have to include disparate variables from the motion of atoms and the energy they dissipate (nanometres) through to the Earth's rotation and global winds on the scale of about 10, 000km. "The very best we can do for, dire, a week of simulations is to resolve (the 100-metre scale) for an area of one kilometre by one kilometre, or so, " he said. "And that is a big simulation."

The ultimate goal of the project is to have a model for cloud organisation that captures the interactions between past and present thunderstorm clouds, and feed this information into the next generation of climate models. The next step is to begin a field work and feed new measurements into their models.

"We need to have a clearer understanding of the different cloud-system feedbacks to make a strong statement on climate change here, " Dr. Härter said. "The models have different ways of representing tall clouds and low clouds, and that is something that cannot be resolved without closer observational data."

And in order to prepare for a warming climate, and predict how the world's insulating cloud layer will change, first we need to understand how it operates now.