Verzamelen waterdruppels zich in wolken? Onderzoekers bevestigen twee decennia aan theorie met een beeldvormingsinstrument in de lucht.

Zoals regendruppels die over de ramen van je auto strijken terwijl je door een regenbui rijdt, waterdruppels in wolken reizen in stroomlijnen van de luchtstroom, waarbij ze luchtstromen volgen, meestal zonder elkaar aan te raken. Echter, de lucht in wolken heeft de neiging turbulent te zijn, zoals elke nerveuze vlieger kan bevestigen, en wervelende turbulente lucht zorgt ervoor dat druppeltjes clusteren.

Al 20 jaar, atmosferische wetenschappers hebben vermoed dat waterdruppels inderdaad in wolken clusteren, grotendeels vanwege de wetenschap dat turbulente luchtstromen vol draaiende draaikolken zijn die vloeistoffen goed mengen. Maar wolken wervelen op zulke grote schalen, dat de twijfel bleef bestaan ​​of de door een computer gesimuleerde of in een laboratorium opgewekte turbulentie naar de atmosfeer kon worden vertaald. Een team van atmosferische wetenschappelijke onderzoekers heeft instrumenten naar de atmosfeer zelf gebracht, en hebben bevestigd dat waterdruppels inderdaad samenklonteren in wolken.

Het artikel, "Fijnschalige druppelclustering in atmosferische wolken:3D-radiale distributiefunctie van digitale holografie in de lucht, " werd in november gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven .

Om deze vaststelling te doen, de onderzoekers namen hun experimenten mee naar de lucht, met behulp van een holografisch instrument in de lucht dat bekend staat als de HOLODEC, afkorting voor de holografische detector voor wolken. Het instrument is bevestigd onder de vleugel van het Gulfstream-V High-performance Instrumented Airborne Platform for Environmental Research-vliegtuig dat wordt geëxploiteerd door het National Center for Atmospheric Research (NCAR) en de National Science Foundation (NSF). De HOLODEC lijkt op een klauw, de uitsteeksels kunnen driedimensionale beelden opnemen om de vorm vast te leggen, grootte en ruimtelijke positie van alles wat er tussen gaat.

"Het clusteringsignaal dat we hebben waargenomen is erg klein, zoals zo vaak in de wetenschap, een zorgvuldige analyse moest worden uitgevoerd om een ​​klein signaal te detecteren en ons ervan te overtuigen dat het echt was, " zei Raymond Shaw, hoogleraar natuurkunde en directeur van het doctoraatsprogramma atmosferische wetenschappen.

Uitgebreid door de lucht

Susanne Glienke, die een gastdoctoraal onderzoeker was aan de Michigan Technological University van het Max-Planck Institute for Chemistry en de Johannes Gutenberg-University in Mainz, Duitsland, voerde de gegevensverzameling en holografische beeldanalyse uit. Ze gaf de informatie vervolgens door aan Mike Larsen, universitair hoofddocent aan het College of Charleston en Michigan Tech alumnus, die keek naar hoe dicht druppeltjes clusteren door de kans te berekenen om twee druppeltjes op een bepaalde afstand van elkaar te vinden in vergelijking met de kans om ze op dezelfde afstand te vinden in een willekeurig verdeelde omgeving. Hij stelde vast dat clustering van druppeltjes meer uitgesproken wordt bij kleinere deeltjes-tot-deeltje afstanden.

"Als druppels zich in de wolken verzamelen, ze hebben meer kans om te botsen, "Glienke zei. "Collisies verhogen de snelheid waarmee druppeltjes groeien, en daarom kan de tijd die nodig is tot de neerslag begint te verminderen."

Glienke merkt op dat kennis over clustering de algemene kennis van wolken verbetert en kan leiden tot verbeteringen in het voorspellen van het gedrag van wolken:wanneer gaan ze regenen? Hoe lang zullen de wolken duren?

Aanvullend, afgezien van het beïnvloeden van regen, clustering verkort ook de levensduur van de cloud. Als een wolk sneller verdwijnt, het heeft een kleinere invloed op het stralingsbudget - en beïnvloedt het wereldwijde klimaat, als er veel wolken bij betrokken zijn.

Het experiment vereiste een lang continu monster, het vliegtuig door stratocumuluswolkdekken op constante hoogte vliegen.

"We wisten niet zeker of we een signaal zouden kunnen detecteren, Shaw zei. "De wolken die we hebben bemonsterd zijn zwak turbulent, maar hebben het voordeel dat ze verspreid zijn over honderden kilometers, zodat we lang konden samplen en gemiddeld."

Zeewolken gedragen zich anders dan wolken boven land. Continentale wolken hebben meestal kleinere druppeltjes, door meer overvloedige wolkencondensatiekernen, die nodig zijn om water te laten condenseren. continentale wolken, die doorgaans turbulenter zijn, hebben meer kans op geclusterde druppels.

Alles is mogelijk

Omdat de wolken die in het onderzoek werden onderzocht niet bijzonder turbulent waren, wat betekende dat een willekeurige verdeling van druppels waarschijnlijker was, het maakte de aanwezigheid van geclusterde druppeltjes des te belangrijker.

"We waren opgewonden en sceptisch tegelijk, toen we voor het eerst een signaal zagen verschijnen uit de zeer luidruchtige gegevens, " zei Shaw. "Er was veel discussie en testen voor nodig om er zeker van te zijn dat het signaal significant was en geen instrumenteel artefact.

Shaw merkt op dat deze validatie belangrijk is voor de atmosferische wetenschap omdat het gedetecteerde clusteringsignaal consistent is met concepten die in de afgelopen twee decennia zijn ontwikkeld, gebaseerd op lab en theoretisch werk.

"In wolken met meer intense turbulentie, het clusteringsignaal zou veel sterker kunnen zijn, en kan de snelheid beïnvloeden waarmee wolkendruppels botsen om motregendruppels te vormen, "Zei Shaw. "Maar hoe dat precies gebeurt, zal meer werk vergen."

Uit het onderzoek blijkt dat er nog veel te leren valt over wolken en hun effecten op de planeet.