Da dove viene la neve? Questa può sembrare una semplice domanda su cui riflettere mentre metà del pianeta emerge da una stagione in cui si osservano stravaganti fiocchi cadere dal cielo e li spalano dai vialetti. Ma un nuovo studio su come l'acqua diventa ghiaccio nelle nuvole artiche leggermente sovraraffreddate potrebbe farti ripensare alla semplicità delle cose soffici. Lo studio, pubblicato da scienziati del Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) nel Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze , include nuove prove dirette che goccioline frantumate provocano eventi esplosivi di "moltiplicazione del ghiaccio". I risultati hanno implicazioni per le previsioni meteorologiche, modellistica climatica, forniture idriche e persino infrastrutture energetiche e di trasporto.

"I nostri risultati gettano nuova luce sulla precedente comprensione basata su esperimenti di laboratorio su come le goccioline d'acqua super raffreddate - acqua che è ancora liquida al di sotto del punto di congelamento - si trasformano in ghiaccio e infine neve, ", ha detto lo scienziato atmosferico del Brookhaven Lab Edward Luke, l'autore principale della carta. I nuovi risultati, da misurazioni radar delle nuvole a lungo termine e mongolfiere del mondo reale in nuvole a fase mista (composte da acqua liquida e ghiaccio) a temperature comprese tra 0 e -10 gradi Celsius (32 e 14° Fahrenheit), fornire prove che il congelamento della frammentazione delle gocce di pioggerellina è importante per la quantità di ghiaccio che si formerà e che potenzialmente cadrà da queste nuvole come neve.

"Ora i modelli climatici e i modelli di previsione del tempo utilizzati per determinare quanta neve dovrai spalare possono fare un balzo in avanti utilizzando una fisica molto più realistica per simulare la formazione di ghiaccio "secondario", " ha detto Luca.

Cos'è il ghiaccio secondario?

La neve che precipita dalle nuvole superraffreddate di solito proviene da particelle di ghiaccio "primarie", che si formano quando l'acqua cristallizza su piccoli granelli selezionati di polvere o aerosol nell'atmosfera, note come particelle nucleanti di ghiaccio. Però, a temperature leggermente sovraraffreddate (cioè, da 0 a -10°C), le osservazioni degli aerei hanno mostrato che le nuvole possono contenere molti più cristalli di ghiaccio di quanti possano essere spiegati dalle relativamente poche particelle nucleanti presenti. Questo fenomeno ha sconcertato per decenni la comunità della ricerca atmosferica. Gli scienziati hanno pensato che la spiegazione fosse la produzione di ghiaccio "secondaria", in cui le particelle di ghiaccio aggiuntive vengono generate da altre particelle di ghiaccio. Ma catturare il processo in azione nell'ambiente naturale è stato difficile.

Le precedenti spiegazioni su come si forma il ghiaccio secondario si basavano principalmente su esperimenti di laboratorio e su voli di campionamento su aeromobili a breve termine. Una comprensione comune che è emersa da diversi esperimenti di laboratorio era che relativamente grande, particelle di ghiaccio in rapida caduta, chiamati rimer, può "raccogliere" e congelare minuscolo, goccioline di nubi superraffreddate, che poi producono particelle di ghiaccio più piccole, chiamate schegge. Ma si scopre che tale "scheggia di brina" non è quasi l'intera storia.

I nuovi risultati dell'Artico mostrano che goccioline d'acqua superraffreddate più grandi, classificato come pioviggine, svolgono un ruolo molto più importante nella produzione di particelle di ghiaccio secondario di quanto comunemente si pensi.

"Quando una particella di ghiaccio colpisce una di quelle gocce di pioggia, innesca il congelamento, che prima forma un solido guscio di ghiaccio attorno alla goccia, " ha spiegato Fan Yang, un coautore sulla carta. "Quindi, mentre il gelo si muove verso l'interno, la pressione inizia a crescere perché l'acqua si espande quando si congela. Quella pressione fa frantumare la pioggerellina, generando più particelle di ghiaccio."

I dati mostrano che questo processo di "frammentazione congelante" può essere esplosivo.

"Se avessi una particella di ghiaccio che innesca la produzione di un'altra particella di ghiaccio, non sarebbe così significativo, " Luke ha detto. "Ma abbiamo fornito la prova che, con questo processo a cascata, la frammentazione del congelamento della pioggerella può aumentare le concentrazioni di particelle di ghiaccio nelle nuvole da 10 a 100 volte e persino 1, 000 a volte!

"I nostri risultati potrebbero fornire l'anello mancante per la mancata corrispondenza tra la scarsità di particelle primarie di nucleazione del ghiaccio e le precipitazioni nevose da queste nuvole leggermente sovraraffreddate".

Milioni di campioni

I nuovi risultati dipendono da sei anni di dati raccolti da un radar Doppler a lunghezza d'onda millimetrica rivolto verso l'alto presso l'osservatorio atmosferico del DOE Atmospheric Radiation Measurement (ARM) della struttura dell'utente North Slope of Alaska a Utqiagvik (ex Barrow), dell'Alaska. I dati radar sono integrati da misurazioni di temperatura, umidità, e altre condizioni atmosferiche raccolte dai palloni meteorologici lanciati da Utqiagvik durante il periodo di studio.

Pavlos Kollias, scienziato dell'atmosfera del Brookhaven Lab e coautore dello studio, che è anche professore nella divisione di scienze atmosferiche alla Stony Brook University, è stato fondamentale per la raccolta di questi dati radar a lunghezza d'onda millimetrica in modo da consentire agli scienziati di dedurre come si è formato il ghiaccio secondario.

"ARM ha aperto la strada all'uso di radar per nuvole a lunghezza d'onda corta dagli anni '90 per comprendere meglio i processi microfisici delle nuvole e come questi influenzano il tempo sulla Terra oggi. Il nostro team ha guidato l'ottimizzazione della loro strategia di campionamento dei dati in modo che le informazioni sui processi di nuvole e precipitazioni come il quello presentato in questo studio può essere ottenuto, " disse Kollia.

La lunghezza d'onda in scala millimetrica del radar lo rende particolarmente sensibile alle dimensioni delle particelle di ghiaccio e delle gocce d'acqua nelle nuvole. La sua doppia polarizzazione fornisce informazioni sulla forma delle particelle, consentendo agli scienziati di identificare i cristalli di ghiaccio aghiformi, la forma preferenziale delle particelle di ghiaccio secondarie in condizioni di nubi leggermente sovraraffreddate. Le osservazioni degli spettri Doppler registrate ogni pochi secondi forniscono informazioni su quante particelle sono presenti e quanto velocemente cadono verso il suolo. Questa informazione è fondamentale per capire dove ci sono i rimer, pioggerella, e particelle di ghiaccio secondario.

Utilizzando sofisticate tecniche di analisi automatizzate sviluppate da Luke, Yang, e Kollias, gli scienziati hanno scansionato milioni di questi spettri radar Doppler per ordinare le particelle in contenitori di dati per dimensione e forma e hanno abbinato i dati con le osservazioni contemporanee di palloncini meteorologici sulla presenza di acqua nuvolosa super raffreddata, temperatura, e altre variabili. Il data mining dettagliato ha permesso loro di confrontare il numero di aghi di ghiaccio secondari generati in diverse condizioni:in presenza di soli rimer, rime più gocce d'acqua, o semplicemente piovigginare.

"L'enorme volume di osservazioni ci consente per la prima volta di estrarre il segnale del ghiaccio secondario dal "rumore di fondo" di tutti gli altri processi atmosferici in atto e quantificare come e in quali circostanze si verificano gli eventi di ghiaccio secondario, " ha detto Luca.

I risultati sono stati chiari:le condizioni con gocce d'acqua pioviggine super raffreddate hanno prodotto drammatici eventi di moltiplicazione del ghiaccio, molti più dei rimer.

Impatti a breve e lungo termine

Questi dati del mondo reale offrono agli scienziati la possibilità di quantificare il "fattore di moltiplicazione del ghiaccio" per varie condizioni nuvolose, che migliorerà l'accuratezza dei modelli climatici e delle previsioni meteorologiche.

"I modelli di previsione del tempo non sono in grado di gestire l'intera complessità dei processi microfisici del cloud. Dobbiamo risparmiare sui calcoli, altrimenti non faresti mai una previsione, " ha detto Andrew Vogelmann, un altro coautore dello studio. "Fare quello, devi capire quali aspetti della fisica sono più importanti, e quindi rendere conto di tale fisica nel modo più accurato e semplice possibile nel modello. Questo studio chiarisce che è essenziale conoscere la pioggerella in queste nuvole a fase mista".

Oltre ad aiutarti a calcolare quanto tempo in più avrai bisogno per spalare il vialetto e andare al lavoro, una comprensione più chiara di ciò che guida la formazione del ghiaccio secondario può aiutare gli scienziati a prevedere meglio quanta neve si accumulerà nei bacini idrografici per fornire acqua potabile durante tutto l'anno. I nuovi dati aiuteranno anche a migliorare la nostra comprensione di quanto tempo rimarranno le nuvole, che ha importanti conseguenze per il clima.

"Più particelle di ghiaccio generate dalla produzione di ghiaccio secondario avranno un enorme impatto sulle precipitazioni, radiazione solare (quanta luce solare le nuvole riflettono nello spazio), il ciclo dell'acqua, e l'evoluzione delle nuvole a fase mista, " ha detto Yang.

La durata delle nuvole è particolarmente importante per il clima nell'Artico, Luke e Vogelmann notarono, e il clima artico è molto importante per il bilancio energetico globale sulla Terra.

"Nuvole a fase mista, che contengono sia acqua liquida super raffreddata che particelle di ghiaccio, può durare per settimane nell'Artico, " ha detto Vogelmann. "Ma se hai un sacco di particelle di ghiaccio, la nuvola può essere cancellata dopo che sono cresciute e cadere a terra come neve. Quindi avrai la luce del sole in grado di passare direttamente per iniziare a riscaldare il suolo o la superficie dell'oceano".

Che potrebbe cambiare la stagionalità della neve e del ghiaccio sul terreno, provocando lo scioglimento e quindi ancora meno riflesso della luce solare e più riscaldamento.

"Se possiamo prevedere in un modello climatico che qualcosa cambierà l'equilibrio della formazione del ghiaccio, pioggerella, e altri fattori, allora avremo una migliore capacità di anticipare cosa aspettarci nel tempo e nel clima futuri, e possibilmente essere meglio preparati per questi impatti, " ha detto Luca.