Un team guidato da scienziati atmosferici del Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti ha effettuato le prime osservazioni remote della struttura su piccola scala alla base delle nuvole. I risultati, appena pubblicati su npj Climate and Atmospheric Science , mostrano che l'interfaccia aria-nube non è un confine perfetto ma piuttosto una zona di transizione in cui le particelle di aerosol sospese nell'atmosfera terrestre danno origine alle goccioline che alla fine formano le nuvole.
"Siamo interessati a questa 'zona di attivazione delle goccioline', dove la maggior parte delle goccioline della nuvola si formano inizialmente alla base della nuvola, perché il numero di goccioline formate lì influenzerà le fasi successive e le proprietà della nuvola, inclusa la quantità di luce solare che una nuvola riflette e la probabilità di precipitazioni", ha detto lo scienziato atmosferico di Brookhaven Fan Yang, il primo autore dell'articolo.
"Se ci sono più aerosol nell'atmosfera, le nuvole tendono ad avere più goccioline, ma le goccioline saranno più piccole, il che significa che possono riflettere più luce solare", ha detto Yang. "Questo potrebbe aiutare a raffreddare il riscaldamento della Terra", ha osservato.
Ma per prevedere con precisione gli impatti di queste interazioni aerosol-nuvole sul sistema climatico, gli scienziati hanno bisogno di un modo per misurare le concentrazioni del numero di goccioline di nuvole, senza dover volare in molte nuvole per raccogliere campioni.
"Questa rimane una delle sfide più grandi nel nostro campo", ha affermato Yang.
Le nuove misurazioni e il nuovo metodo di telerilevamento forniscono un nuovo modo per stimare la concentrazione di goccioline, che consentirà agli scienziati di ottenere informazioni su come i cambiamenti nei livelli di aerosol atmosferici potrebbero influenzare le nuvole e il clima.
I lidar atmosferici, che inviano raggi laser nell’atmosfera e misurano i segnali di luce retrodiffusi da molecole, aerosol e goccioline di nubi nell’atmosfera, sono stati ampiamente utilizzati per misurare la distanza dalla base delle nubi. Ma i lidar tradizionali non sono in grado di risolvere strutture dettagliate all'interno della base nuvolosa perché in genere hanno una risoluzione di 10 metri o più.
"Dieci metri sono come l'altezza di un edificio", ha detto Yang, sottolineando la capacità di questa scala di rilevare oggetti di grandi dimensioni. "Ma per sapere quanti piani o finestre ha un edificio, avresti bisogno di una risoluzione molto più precisa."
Per vedere i dettagli all’interno della base cloud, il team di Brookhaven ha lavorato con i colleghi dello Stevens Institute of Technology (SIT) e della Raymetrics S.A. per costruire un nuovo tipo di lidar. Il loro dispositivo, descritto in una pubblicazione precedente, è un lidar a conteggio di fotoni singoli, temporizzato e correlato al tempo (lidar T2) con una risoluzione fino a 10 centimetri. Si tratta di una risoluzione superiore di due ordini di grandezza rispetto ai tradizionali lidar atmosferici.
"Con una risoluzione così elevata, le osservazioni del lidar T2 rivelano la zona di transizione in cui le particelle di aerosol assorbono il vapore acqueo per essere trasformate in goccioline di nuvole", ha affermato Yang.
"Abbiamo utilizzato le nostre osservazioni T2 su scala fine senza precedenti della regione della base delle nubi per sviluppare un modello teorico per stimare la concentrazione di goccioline di nubi sulla base dei segnali di retrodiffusione misurati in T2", ha aggiunto.
Una caratteristica unica del lidar T2 è l'applicazione della tecnica time-gating, che costringe il rilevatore ad aprire il suo "occhio" per effettuare misurazioni in una ristretta finestra di osservazione nell'atmosfera.
"Questa volta il gating ci permette di 'guardare' una specifica regione di interesse all'interno della nuvola. Questo è diverso da un lidar convenzionale, dove l'"occhio" del lidar è generalmente aperto, essendo pronto a catturare fotoni retrodiffusi quasi sempre ," ha detto Yang.
Impostando il ritardo tra l'impulso laser del lidar T2 e l'apertura dell'occhio su diversi intervalli di tempo, gli scienziati possono campionare segnali in diverse regioni attraverso la nuvola.
Il dispositivo ha anche una velocità di ripetizione molto elevata, emettendo 20.000 impulsi laser al secondo.
"Possiamo conoscere le proprietà delle nuvole da come i segnali retrodiffusi sono distribuiti all'interno della finestra di osservazione", ha detto Yang.
Per rendere la tecnica veramente utile per misurazioni remote accurate nel mondo reale, il lidar T2 dovrà essere adeguatamente calibrato. Cioè, gli scienziati devono comprendere appieno come i segnali luminosi misurati corrispondono alle proprietà delle nuvole nel mondo reale in modo da poter mettere a punto gli algoritmi computazionali che hanno scritto per metterli in relazione tra loro.
Le misurazioni lidar tradizionali delle nuvole atmosferiche vengono talvolta verificate e calibrate facendo volare un aereo attraverso le nuvole per catturare campioni di goccioline. Gli scienziati cercano di calibrare le letture lidar con le "vere" proprietà delle goccioline provenienti dalle misurazioni in situ degli aerei.
"Il problema è che il telerilevamento e le misurazioni in situ di solito non sono localizzate insieme", ha detto Yang. Cioè, è altamente improbabile che un lidar che punta verso l'alto con una risoluzione grossolana e un aereo che vola orizzontalmente per raccogliere un sottile flusso di campioni stiano raccogliendo dati sulla stessa parte della nuvola allo stesso tempo.
Per migliorare questa situazione, il team di Brookhaven e SIT sta utilizzando una tecnica simile a quella utilizzata nel lidar T2 per costruire un lidar con una risoluzione ancora più fine, fino a un centimetro. Utilizzando questo lidar ad alta risoluzione per effettuare osservazioni in una camera a nebbia in laboratorio, saranno in grado di abbinare i segnali di retrodiffusione con misurazioni in situ delle proprietà fisiche delle nuvole effettuate nello stesso momento e nella stessa posizione.
"Quindi potremo riportare il lidar nell'atmosfera reale ed avere più fiducia nel modo in cui le nostre misurazioni lidar si riferiscono alle proprietà delle nuvole, come il numero di goccioline, la concentrazione e la distribuzione", ha affermato Yang.
"Questo è solo l'inizio", ha osservato Yang. "Il nostro studio evidenzia i vantaggi derivanti dall'applicazione di tecnologie avanzate per osservare le nubi atmosferiche su scala submetrica, che possono aprire nuove strade per far progredire la nostra comprensione delle proprietà microfisiche e dei processi delle nuvole che sono cruciali per il tempo e il clima."
Ulteriori informazioni: Fan Yang et al, Un lidar a fotone singolo osserva le nuvole atmosferiche su scala decimetrica:risoluzione dell'attivazione delle goccioline all'interno della base delle nuvole, npj Climate and Atmospheric Science (2024). DOI:10.1038/s41612-024-00644-y
Informazioni sul giornale: npj Scienze del clima e dell'atmosfera
Fornito dal Brookhaven National Laboratory
