Kijk eens naar de wolken, als er op dit moment een in je lucht is. Kijk naar de golven, de witte verheven plukjes tegen de blauwe lucht. Of, afhankelijk van uw weer, kijk hoe de zachte grijze randen samenvloeien tot gemengde tinten die door de lucht naar de grond slepen.

Ze zijn een inspiratie voor de meesten van ons, maar een nachtmerrie voor klimaatwetenschappers. Wolken zijn uitzonderlijk complexe wezens, en die complexiteit maakt het moeilijk te voorspellen hoe en waar ze zich zullen vormen - wat jammer is, omdat die voorspellingen essentieel zijn voor het begrijpen van neerslagpatronen en hoe ons klimaat in de toekomst zal veranderen.

Maar onderzoekers van de Universiteit van Utah hebben misschien een manier gevonden om de moeilijkheid om de vorming van wolken te voorspellen aanzienlijk te verminderen. De resultaten, vandaag gepubliceerd in Journal of Geophysical Research-atmospheres zou een belangrijke leemte kunnen opvullen in het begrip van wetenschappers over hoe klimaatverandering kan uitpakken.

"We gebruikten eenvoudige thermodynamica, " zegt professor in de atmosferische wetenschappen Tim Garrett, "om te voorspellen dat er veel kleine wolken zouden zijn en weinig grote wolken in verhoudingen die aan eenvoudige wiskundige wetten voldoen."

Wolken zijn klimaat-wildcards

wolken, vooral die in de tropen, maken deel uit van het systeem van de aarde voor het afvoeren van overtollige warmte die door de zon wordt gegenereerd. Daarom zijn ze belangrijk voor klimaatwetenschappers. Ze maken deel uit van een verticale transportband, het optillen van hete, drijvende lucht naar een hoogte waar de warmte gemakkelijk kan worden uitgestraald in de koude duisternis van de ruimte. Maar wolken kunnen ook op andere manieren met warmte spelen.

"Bedenk hoe snel een wolk de temperatuur kan veranderen tijdens een zomerpicknick, ", zegt postdoctoraal wetenschapper en co-auteur van de studie Ian Glenn. "Een kleine verandering in de fractie of verdeling van zelfs een paar kleine wolken op een verder mooie heldere dag kan een uitje maken of breken."

Wolken groeien en krimpen voortdurend terwijl ze lucht uitwisselen met de omringende droge lucht. Tot dusver, het is onduidelijk hoe wolken een rol spelen bij de effecten van de wereldwijde klimaatverandering - zullen wolken de opwarming vertragen? Of versterken? Zorgt de opwarming voor meer wolken? Als, welke regio's worden het meest getroffen?

Die onzekerheid is te zien in het bereik van waarden van klimaatgevoeligheid, of de temperatuurreactie op een verdubbeling van koolstofdioxide in de atmosfeer. Volgens de huidige prognoses kan de stijging tussen de 1,5 en 4,5 graden Celsius liggen. Het is moeilijk om het veel meer dan dat vast te pinnen vanwege het probleem om de rol van wolken en neerslag in een veranderend klimaat te begrijpen.

"Zowel het lage als het hoge bereik is slecht nieuws voor de beschaving, "Garret zegt, "maar één is duidelijk veel rampzaliger - dus het is een behoorlijk belangrijk probleem om goed te krijgen."

Wolken zijn zeer complex

Onderzoekers benaderden het probleem van wolken eerder door te proberen de complexiteitslagen te begrijpen die inherent zijn aan hoe wolken omgaan met het oppervlak, de lucht en zelfs zichzelf. Studie co-auteur Steven Krueger zegt dat de fysieke processen in wolken variëren van wolkendruppels, op micrometerschaal, tot grootschalige cloudsystemen die zich over een continent kunnen uitstrekken. En de inherente turbulentie van wolken creëert wervelingen - spiralen van turbulente energie - die de voorspellende kracht uitrekken van zelfs de beste wolkenmodellen die op supercomputers draaien.

"Om alle schalen van de mondiale atmosfeer te modelleren, van de kleinste turbulente wervelingen tot de wereldwijde schaal zou ongeveer een miljard miljard keer kosten wat we momenteel in onze computers kunnen gebruiken, " zegt Krueger. "We kunnen alle wolkenfysica volledig berekenen in een volume van ongeveer 1 meter aan een kant, ongeveer 10 minuten, tegen een rekenprijs van 10, 000 CPU-uren."

Om die complexiteit te omzeilen, klimaatmodelleurs simuleren grote schalen terwijl ze vereenvoudigende veronderstellingen maken over kleinschalige processen. Maar wat als er een andere manier is - wat als clouds eenvoudige wiskundige principes volgen die de statistieken van de complexiteit van clouds kunnen nabootsen zonder enorme computerbronnen nodig te hebben?

Wolken zijn lekkende leidingen

Laten we teruggaan naar het concept van wolken als kanalen van warmte naar de bovenste atmosfeer. een lange, scherp, witte wolk bestaat uit waterdruppels, in tegenstelling tot het duidelijke, blauw, relatief drogere lucht eromheen. De witte, natte wolken en het blauw, droge lucht staat voortdurend met elkaar in contact, een gemeenschappelijke grens delen. Het is deze grens die Garrett aan het denken zette.

Terwijl waterdruppels zich in wolken vormen, er komt een beetje warmte vrij, waardoor de wolken in de atmosfeer drijven. Garrett zegt dat dit wolken efficiënt maakt in hun taak om warmte van de grond te tillen - en ook betekent dat de hete, opstijgende lucht is turbulent en kan tijdens het stijgen uit de zijkanten van de wolk stromen.

"Dit besef over wolken als lekkende leidingen deed me denken dat de plek om wolken en klimaat te begrijpen niet hun gebieden waren die naar beneden keken, zoals gewoonlijk de focus was, maar in plaats daarvan hun randen, ' zegt Garrett.

Hij begon de thermodynamica langs de randen en randen van wolken te bestuderen, en ontdekte dat de totale horizontale omtrek van wolken, turbulente uitwisselingen van warmte en vochtigheid over wolkenranden en het verticale temperatuur- en vochtigheidsprofiel van de atmosfeer kunnen allemaal gerelateerd zijn. Een opmerkelijk voordeel:atmosferische verticale temperatuur- en vochtigheidsprofielen zijn relatief eenvoudig te voorspellen in veranderende klimaten, dus de link naar de hoeveelheid wolken vereenvoudigt een notoir moeilijk probleem.

Enkele andere principes van wolkendynamiek die voortkwamen uit de vergelijkingen van de auteurs:Concurrentie tussen wolken om atmosferische warmte en vocht helpt verklaren hoeveel wolken zich vormen. Het product van het aantal wolken en hun omtrek blijft constant, een wiskundige wet die bekend staat als schaalinvariantie. Dit betekent dat een groot aantal wolken een arme omtrek heeft, terwijl een paar gelukkigen rijk zijn. Ook, deze relaties tussen verschillende grootteklassen van wolken blijken onafhankelijk te zijn van de atmosferische temperatuur. Daarover zo meer.

Garrett en zijn collega's testten hun theoretische bevindingen door hun statistische model te vergelijken met een van de megamodellen van wolkenvorming, het Giga-LES-model. Het simuleert een volledige 24 uur atmosferische tijd over een gebied van 400 vierkante kilometer met hoge resolutie. Een 24-uurs simulatie duurt 300, 000 processoruren om te voltooien. Garretts model, gebaseerd op slechts een paar regels natuurkundige vergelijkingen, reproduceerde belangrijke statistieken van de afmetingen en vormen van wolken in het dynamische Giga-LES-model tot op 13 procent.

Er zijn dingen die een statistisch model niet kan, natuurlijk. "Het kan niet laten zien, bijvoorbeeld, een wolk die lijkt op Mickey Mouse die op een bepaalde tijd of plaats verschijnt, "Garret zegt, "dus het is het meest geschikt voor voorspellingen over het klimaat op de lange termijn in plaats van het weer op de korte termijn."

Wolken volgen de regels

Dus, wat betekent dit voor modelbouwers van klimaatverandering die willen weten hoe wolken zullen reageren op de opwarming van de aarde?

"Dit is nogal speculatief, "Garret zegt, "maar de suggestie van onze studie is dat de feedback van het wolkenklimaat klein kan zijn, omdat tropische wolken zichzelf zullen herschikken in een warmer klimaat om hun huidige lage impact op de oppervlaktetemperaturen voort te zetten." Met andere woorden, terwijl de totale hoeveelheid bewolking kan toenemen, de verhoudingen van wolkengroottes op verschillende hoogten zullen waarschijnlijk niet veel veranderen. Als dit model bewezen is, klimaatwetenschappers kunnen misschien wat gemakkelijker ademen, wetende dat wolken waarschijnlijk de opwarming van de aarde niet zullen versterken.

"Als deze cloudfeedbacks kleiner zijn dan eerder verwacht, "Garret zegt, "de aarde warmt misschien niet zo snel op als onze ergste angsten."

Lees hier het volledige onderzoek.