Le gocce d'acqua si accumulano all'interno delle nuvole? I ricercatori confermano due decenni di teoria con uno strumento di imaging aereo.

Come gocce di pioggia che sfrecciano sui finestrini della tua auto mentre guidi durante un temporale, le gocce d'acqua nelle nuvole viaggiano in linee di flusso d'aria, seguendo le correnti d'aria di solito senza toccarsi. Però, l'aria all'interno delle nuvole tende ad essere turbolenta, come ogni viaggiatore nervoso può attestare, e l'aria turbolenta vorticosa fa raggruppare le goccioline.

Per 20 anni, gli scienziati atmosferici hanno ipotizzato che le goccioline d'acqua si ammassino davvero all'interno delle nuvole, in gran parte dovuto alla consapevolezza che i flussi d'aria turbolenti sono pieni di vortici rotanti che mescolano bene i fluidi. Ma le nuvole turbinano su scale così vaste, che persistevano i dubbi se la turbolenza simulata da un computer o generata in laboratorio potesse essere traslata nell'atmosfera. Un team di ricercatori di scienze atmosferiche ha portato gli strumenti nell'atmosfera stessa, e hanno confermato che le gocce d'acqua si raggruppano effettivamente all'interno delle nuvole.

L'articolo, "Raggruppamento di goccioline su scala fine nelle nuvole atmosferiche:funzione di distribuzione radiale 3D dall'olografia digitale aerotrasportata, " è stato pubblicato a novembre sulla rivista Lettere di revisione fisica .

Per fare questa determinazione, i ricercatori hanno portato i loro esperimenti in cielo, utilizzando uno strumento olografico aereo noto come HOLODEC, abbreviazione di rivelatore olografico per le nuvole. Lo strumento è fissato sotto l'ala del velivolo Gulfstream-V High-performance Instrumented Airborne Platform for Environmental Research gestito dal National Center for Atmospheric Research (NCAR) e dalla National Science Foundation (NSF). L'HOLODEC assomiglia ad un artiglio, i suoi rebbi possono registrare immagini tridimensionali per catturare la forma, dimensione e posizione spaziale di tutto ciò che passa in mezzo.

"Il segnale di clustering che abbiamo osservato è davvero piccolo, così come spesso accade nella scienza, è stata necessaria un'attenta analisi per rilevare un piccolo segnale e per convincerci che fosse reale, " ha detto Raymond Shaw, professore di fisica e direttore del programma di dottorato in scienze dell'atmosfera.

Esteso attraverso il cielo

Susanne Glienke, che era un ricercatore di dottorato in visita presso la Michigan Technological University dal Max-Planck Institute for Chemistry e dalla Johannes Gutenberg-University di Mainz, Germania, ha condotto la raccolta dei dati e l'analisi dell'immagine olografica. Ha poi passato le informazioni a Mike Larsen, professore associato presso il College of Charleston e alumnus del Michigan Tech, che hanno osservato quanto strettamente le goccioline si raggruppano calcolando la probabilità di trovare due goccioline distanziate a una distanza specifica rispetto alla probabilità di trovarle alla stessa distanza in un ambiente distribuito casualmente. Ha determinato che il raggruppamento di goccioline diventa più pronunciato a distanze più piccole da particella a particella.

"Se le goccioline si accumulano nelle nuvole, hanno maggiori probabilità di scontrarsi, " disse Glienke. "Le collisioni aumentano la velocità con cui crescono le goccioline, e quindi può diminuire il tempo necessario prima che inizi la precipitazione."

Glienke osserva che conoscere il clustering migliora la conoscenza generale delle nuvole e può portare a miglioramenti nella previsione del comportamento delle nuvole:quando pioveranno? Quanto dureranno le nuvole?

Inoltre, oltre a influenzare la pioggia, il clustering riduce anche la durata del cloud. Se una nuvola si dissolve più velocemente, ha un'influenza minore sul bilancio delle radiazioni e influenza il clima globale, se sono coinvolte molte nuvole.

L'esperimento ha richiesto un lungo campione continuo, far volare l'aereo attraverso ponti di stratocumuli a un'altitudine costante.

"Non eravamo sicuri se saremmo stati in grado di rilevare un segnale, " Shaw ha detto. "Le nuvole che abbiamo campionato sono debolmente turbolente, ma hanno il vantaggio di essere dislocati su centinaia di chilometri, così abbiamo potuto campionare e fare una media per molto tempo."

Le nuvole marine si comportano in modo diverso dalle nuvole terrestri. Le nuvole continentali hanno tipicamente goccioline più piccole, a causa di nuclei di condensazione della nube più abbondanti, necessari per la condensazione dell'acqua. nuvole continentali, che sono in genere più turbolenti, hanno maggiori probabilità di avere goccioline raggruppate.

Il cielo è il limite

Poiché le nuvole esaminate nello studio non erano particolarmente turbolente, il che significava che una distribuzione casuale di goccioline era più probabile, rendeva ancora più importante la presenza di goccioline raggruppate.

"Eravamo eccitati e scettici allo stesso tempo, quando abbiamo visto per la prima volta un segnale emergere dai dati molto rumorosi, " Shaw ha detto. "Ci sono volute molte discussioni e test per essere sicuri che il segnale fosse significativo e non un artefatto strumentale.

Shaw osserva che questa convalida è importante per il campo della scienza dell'atmosfera perché il segnale di clustering rilevato è coerente con i concetti sviluppati negli ultimi due decenni, basato sul lavoro di laboratorio e teorico.

"Nelle nuvole con turbolenze più intense, il segnale di clustering potrebbe essere molto più forte, e potrebbe influenzare la velocità con cui le goccioline delle nuvole si scontrano per formare gocce di pioggerella, " Shaw ha detto. "Ma esattamente come ciò accadrà avrà bisogno di più lavoro."

La ricerca mostra che c'è ancora molto da imparare sulle nuvole e sui loro effetti sul pianeta.