Christine Chiu van de Colorado State University onderzoekt wolken. Ze noemt ze 'gecompliceerde 3D-objecten die snel evolueren'.

Ze bestudeert wolken van onder en van alle kanten met scannende wolkenradars en van bovenaf met satellietgegevens. Haar onderzoek doet ertoe. Wolkeigenschappen zijn de belangrijkste determinanten van het energiebudget van de aarde, zijn echter niet goed vertegenwoordigd in de huidige modellen.

Het verontrustend brede scala aan voorspellingen van het huidige aardsysteem, Chiu zegt, "is deels een gevolg van onnauwkeurige wolkeneigenschappen in klimaatmodellen."

Om modellen te verbeteren, het is noodzakelijk om de fysieke processen en stralingseffecten van wolken en neerslag beter te begrijpen.

Daartoe, Chiu en collega's in Colorado, het Verenigd Koninkrijk, en Finland begonnen in juli 2018 te werken aan een driejarig onderzoeksproject dat een blijvende puzzel van cloudmicrofysica aanpakt. Waarom overschrijdt de waargenomen concentratie van ijsdeeltjes in een wolkensysteem vaak, met verschillende ordes van grootte, het nabijgelegen aantal primaire ijskernen?

In totaal, waarom wordt er zoveel ijs in wolken gemaakt van zo weinig zichtbare ingrediënten?

Wetenschappers hebben een naam voor deze onverwachte toename van ijsdeeltjes:secundaire ijsproductie, of SIP.

In de afgelopen 70 jaar, onderzoekers hebben veel mechanismen verondersteld die SIP zouden kunnen verklaren, zoals uiteengezet in dit overzichtsartikel uit 2017 in het Bulletin van de American Meteorological Society.

De drie mechanismen die van primair belang zijn voor Chiu, de hoofdonderzoeker van het project (PI), krijgen veel aandacht in de huidige discussies. Maar het is niet duidelijk welke de overheersende is, of hoe SIP-initiatie en -vorming varieert met cloudtypes.

Chiu en haar team zijn van plan deze en andere SIP-procesvragen aan te pakken, en (belangrijk) om te ontdekken hoe deze processen straling en neerslag beïnvloeden.

Hun onderzoeksproject - om SIP in continentale wolken te beoordelen - wordt gefinancierd door het Atmospheric System Research (ASR) -programma van het Amerikaanse Department of Energy (DOE).

Chiu is sinds 2006 vrijwel continu betrokken bij ASR-onderzoek.

rimmen, Verpletterend, en botsingen

Van de drie SIP-mechanismen waarop Chiu zich richt, is er een die voor het eerst werd verondersteld in 1943. Rijpsplintering treedt op wanneer grote ijsdeeltjes zoals sneeuwvlokken of graupel (sneeuwpellets) onderkoelde vloeistofdruppels verzamelen, het genereren van talrijke splinters van ijs.

Bevroren druppelversplintering vindt plaats wanneer grotere druppels bevriezen, dan splinteren. Hoe lager de temperatuur, hoe hoger de verbrijzelingssnelheid.

IJs-ijs botsing, het derde veronderstelde SIP-mechanisme, gebeurt wanneer breekbare ijskristallen, bedekt met dunne naalden of slanke dendrieten, gemakkelijk breken tijdens botsingen met elkaar.

Sommige waarnemingen en modelsimulaties hebben gesuggereerd dat de drie SIP-mechanismen samen kunnen optreden, zegt Chiu, maar onder welke voorwaarden? "De microfysische processen zijn veel te ingewikkeld."

Aanvullend, is SIP het belangrijkste proces van allemaal? "Mensen weten eigenlijk niet, " zegt ze. "Maar het begin van de ijsdeeltjesconcentratie kennen is een belangrijke plaats om naartoe te gaan."

Op het werk

Om wat antwoorden te krijgen, "we kraken nu gegevens, ' zegt Chi.

Bij CSU, in de eerste fase van het project, ze werkt samen met Nicholas Kedzuf, een masterstudent, om naar gegevens te kijken en een uitgebreide inventaris op te stellen van de eigenschappen van ijsdeeltjes. ("Het is een absoluut genot om met zo'n uitstekende student te werken, " zegt Chi.)

De gegevens zijn afkomstig van een veldcampagne in 2014 in Finland genaamd Biogene Aerosols-Effects on Clouds and Climate (BAECC), ondersteund door DOE's Atmospheric Radiation Measurement (ARM) gebruikersfaciliteit.

ARM onderhoudt vaste lange termijn en draagbare korte termijn atmosferische observatoria over de hele wereld. Het verzamelt ook, kwaliteitscontroles, en archiveert al zijn veldgegevens. (Chiu gebruikt ARM-gegevens sinds 2003.)

BAECC is ontworpen om belangrijke details te verkrijgen over processen met betrekking tot aerosol, wolk, en sneeuwvorming die momenteel niet goed worden begrepen of goed worden weergegeven in aardesysteemmodellen.

Tijdens de veldcampagne onderzoekers gebruikten samenvallende metingen met meerdere instrumenten, een primeur tijdens een veldstudie van sneeuw- en ijsmicrofysica.

Andere instrumenten leverden de uitgebreide aerosolmetingen die Chiu nodig heeft om het aantal primaire ijskernen te berekenen. "Zonder de concentratie van primaire ijskernen te kennen, " zegt Chi, "We zullen niet kunnen weten of er 'secundaire' ijsproductie plaatsvindt."

Metingen tijdens BAECC werden verzameld in de ijskoude uithoeken van Finse boreale bossen, vaak tijdens diepe bewolking en hevige regen, wat handig is voor de missie van het ASR-project.

"Secundaire ijsproductie wordt verondersteld plaats te vinden in een vrij smalle temperatuurzone tussen min-3 en min-15 graden Celsius, " zegt Chiu. "We wilden onze kansen vergroten om die ijsproductie te observeren. Hoge breedtegraad is onze ideale omgeving."

De unieke, de eerste multifrequentie-radarmetingen die tijdens BAECC zijn gedaan, vormen een van de meest complete radargegevenssets in het ARM-archief, ze zegt, maar de gegevens zijn nog niet volledig benut.

Twee BAECC-dataveteranen uit Finland werken mee aan het huidige ASR-project van Chiu:Tuukka Petäjä van de Universiteit van Helsinki, en David Brus van het Finse Meteorologisch Instituut.

Betere modellen vooruit

passend, Chiu wordt vergezeld door V. Chandrasekar van CSU, een internationaal bekende autoriteit op het gebied van radarsystemen en co-PI van het ASR-project.

"Radardata speelt een belangrijke rol in dit project, "zegt ze. "Chandrasekar zal ons helpen om het beste uit deze radarwaarnemingen te halen."

Om de hoogste gegevenskwaliteit voor de cloud-ophaalmethode te bereiken, Chiu werkt ook nauw samen met ARM-radarinstrumentmentoren Bradley Isom en Nitin Bharadwaj. Beiden bevinden zich in het Pacific Northwest National Laboratory in Richland, Washington.

Een andere CSU-collega gaat helpen in het ASR-project. Susan van den Heever, een expert in cloud microfysica, houdt toezicht op het regionale atmosferische modelleringssysteem, of RAM. Het model zal worden gebruikt om de resultaten van het project te evalueren.

Van den Heever zegt dat secundaire ijsprocessen een grote rol spelen bij "neerslagproductie, cloud-stralingsforcering, en aambeelddynamiek." Reden te meer om ze op procesniveau beter te begrijpen, zij voegt toe, en om ze te vertegenwoordigen in onderzoeks- en voorspellingsmodellen.

Om het project in gang te zetten, Chiu schreef de wetenschappelijke vragen en het algoritme voor het ophalen van de cloud. Zodra zij en de anderen zeker zijn van het ophalen van de cloud, ze zullen RAMS gebruiken om hun nieuwe begrip van SIP te testen.

"Als het lukt, we zullen met nauwkeurigere secundaire ijsparametrisaties komen, ", zegt Chiu. "Dat zal leiden tot modellen die het ijswatergehalte en de straling beter voorspellen."

Uiteindelijk, ze hoopt dat het project zal helpen bij het verbeteren van de manier waarop ijsmicrofysica wordt weergegeven in modellen en daardoor fouten in geschatte wereldwijde neerslag en straling zal verminderen.

'Het is echt nieuw'

Het doel van het team is om kritieke kennishiaten op te vullen over microfysische processen, zegt Chiu. "Wolken zijn nog steeds in veel opzichten mysterieus."

De bredere missie van het project is om de aandacht te vestigen op de behoefte aan langdurige, veel voorkomend, robuuste observaties voor het karakteriseren van SIP-processen.

historisch, het evalueren van rijpversplintering en andere SIP-mechanismen zijn afhankelijk van observatiegegevens van vliegtuigen. Maar Chiu en haar team bedenken een methode om ook de krachtige grondradars van ARM te integreren om de concentratie van ijsdeeltjes beter te kwantificeren.

Radars gebruiken om de SIP-puzzel op te lossen "is een project met een hoog risico, "zegt ze. "Het is echt nieuw. We proberen iets te achterhalen op manieren die nog nooit eerder zijn gedaan buiten een laboratorium of vliegtuiggegevens om."

In een deel van haar eerdere ASR-onderzoek Chiu nam methodologische sprongen in het verkrijgen van microfysische en optische eigenschappen, met behulp van wat ze "synergetische" metingen van wolkenradar noemt, lidar, en kortegolfspectrometers.

Chiu vindt manieren om te profiteren van de invloed van wolken en straling op waarnemingen met teledetectie. Bijvoorbeeld, ze combineerde zonnestralingsmetingen en radarplakken om hoge resolutie, voor het eerst driedimensionale wolkenvelden in zowel bewolkte als gebroken wolkensituaties.

Ze noemt dat "een belangrijke stap om ons begrip van cloudlevenscycli en cloudorganisatie te verbeteren."

Chiu en haar collega's ontwikkelden ook een nieuwe methode om tegelijkertijd verticale profielen van zowel wolken als motregen op te halen. Het is bekend dat motregen vaak de waargenomen radarreflectie domineert. Ze stelden een manier voor om dat te omzeilen door actieve teledetectie te gebruiken op mariene grenslaagwolken.

De gegevens kwamen van acht transecten van de Stille Oceaan door een Horizon Lines-containerschip uitgerust met atmosferische instrumenten tijdens de Marine ARM GPCI Investigation of Clouds (MAGIC) veldcampagne van 2012 en 2013.

Chiu heeft ook veldonderzoek gedaan op de Azoren, dienen als mede-onderzoeker voor de Aerosol- en Cloud-experimenten in de Oost-Noord-Atlantische Oceaan (ACE-ENA) -campagne. De studie van lage bewolking en mariene grenslaagaerosolen vond plaats in zomer 2017 en winter 2018.

"Ik vind de verweven interacties tussen motregen, wolken, spuitbussen, dynamiek, en straling fascinerend, ' zegt Chi.

Een pad naar cloudwetenschap

De moed om risico's aan te gaan, en ver reizen om haar doelen te bereiken, heeft tot nu toe het leven van Chiu gekenmerkt.

Geboren in Taiwan, en vroeg goed in wiskunde en natuurkunde, ze nam haar eerste wetenschappelijke risico op 13-jarige leeftijd. Nog op de middelbare school, ze had een vraag over scheikunde en mailde die brutaal naar de legendarische Wu Ta-You, nu bekend als de 'vader van de Chinese natuurkunde'.

Hij schreef een handgeschreven antwoord van 10 pagina's terug. Het schudde haar van vreugde.

"Je kunt je voorstellen hoe ik me voelde, " zegt Chiu. "Hij somde verschillende argumenten op en legde uit hoe de vraag moest worden opgelost. Het was de eerste keer dat ik zag dat het kennen van het antwoord misschien niet het belangrijkste is - dat het proces zelf leuker is!"

Ze voegt eraan toe:"Ik was nog maar een klein meisje uit een niet zo goed ontwikkelde stad, dus zijn brief inspireerde en raakte me echt. Daar ben ik altijd dankbaar voor."

In plaats van een astronaut te zijn

Bachelor's degree studies at Taiwan's National Central University gave Chiu her first taste of atmospheric science—an interest that sprang up after she realized she could not be an astronaut, her first science love. "I am severely nearsighted, " she confesses, "and get motion sickness."

At Purdue University in Indiana, Chiu earned her Ph.D., which took her deep into satellite observations for precipitation.

As a postdoctoral researcher, she joined the Joint Center for Earth Systems Technology at the University of Maryland, Baltimore County. Tegelijkertijd, Chiu was a researcher at NASA's Goddard Space Flight Center.

Her time at Goddard, says Chiu, "really shaped my whole career, " in part because of her mentors, Warren Wiscombe (now retired) and Alexander Marshak.

Then came a teaching and research stint at the University of Reading in the United Kingdom, where she joined a prestigious cloud remote sensing group. (A former Reading colleague, Shannon Mason, is a collaborator on the current ASR project.)

Since the fall of 2017, Chiu has been an associate professor at CSU, where her research group investigates remote sensing, radiative transfer, and the interactions of clouds, spuitbussen, neerslag, and radiation.

Tegelijkertijd, she sees clouds for what they also are:beautiful.

"I do enjoy, intellectually, working with observations, " says Chiu. "But I never look at clouds and wonder how many droplets they contain."