Boven de Atlantische Oceaan, gezwollen witte wolken razen door de lucht, geteisterd door onzichtbare passaatwinden. Ze zijn niet 'bijzonder groot, indrukwekkend of uitgebreid, " zegt dr. Sandrine Bony, een klimatoloog en onderzoeksdirecteur bij het Franse Nationale Centrum voor Wetenschappelijk Onderzoek. "Maar het zijn de meest alomtegenwoordige wolken op aarde."

Wolken zijn een van de grootste vraagtekens in wereldwijde klimaatmodellen, en een joker bij het voorspellen van wat er met het klimaat zal gebeuren als de temperatuur stijgt. Ze spelen een cruciale rol in hoeveel van de zonnestraling onze atmosfeer binnenkomt en vast komt te zitten. Hoe meer wolken er zijn, hoe meer straling van hun toppen weerkaatst en terug in de ruimte wordt gereflecteerd; het betekent ook dat als er meer wolken zijn, de straling die door de aarde wordt gereflecteerd, wordt gevangen. Historisch gezien hebben onderzoekers moeite gehad om cloudeigenschappen te begrijpen, hoe ze zich momenteel gedragen, en hoe ze zullen reageren op de verhoogde temperaturen als gevolg van klimaatverandering.

Het komt neer op een kwestie van schaal, legt dr. Bony uit. Van de microscopische interacties van atomen tot atmosferische stromen die over duizenden kilometers werken, veel krachten beïnvloeden hoe wolken ontstaan, hun samenstelling en gedrag.

De wolken die lijken op watten in de Atlantische Oceaan, die Dr. Bony en haar collega's bestuderen, zijn een goed voorbeeld. "Een kleine verandering in hun eigenschappen heeft een enorme impact op de wereldwijde stralingsbalans (de balans tussen hoeveel van de energie van de zon in de atmosfeer van de aarde terechtkomt en hoeveel ontsnapt), "zei ze. Omdat deze mooiweerwolken (bekend als cumuliforme wolken) zo gewoon zijn, een kleine verandering heeft een 'groot' statistisch gewicht in het mondiale klimaat.

"Het is de grootste vraag - er is geen grotere vraag, " zei professor Bjorn Stevens, een directeur van het Max Planck Instituut voor Meteorologie in Duitsland en Dr. Bony's co-leider van het EUREC4A-project dat deze pluizige witte wolken wilde onderzoeken. "Al 50 jaar mensen hebben klimaatprojecties gemaakt, maar ze hebben allemaal een valse voorstelling van wolken gehad." Deze projecties, hij zegt, hebben geleden onder een onvoldoende begrip van de factoren die bepalen hoe bewolkt het klimaat zal zijn en zijn niet goed weergegeven in de modellen.

Veld experiment

Het EUREC4A-project, dat begon als een bescheiden veldexperiment om luchtbeweging en bewolking te meten, tal van partners aangetrokken en uitgebreid. Uiteindelijk, het omvatte vijf bemande en zes op afstand bestuurde onderzoeksvliegtuigen, vier zeegaande onderzoeksschepen, een vloot van zwervers en zweefvliegtuigen, een reeks satellieten, en metingen van het Barbados Cloud Observatory.

"Het experiment groeide in complexiteit en reikwijdte om een ​​aantal andere fascinerende vragen te beantwoorden, " zei prof. Stevens, zoals hoeveel en hoe gemakkelijk wolken regenen, en hoe wervelingen in de oceaan en de wolken erboven elkaar beïnvloeden. Het team schrijft momenteel hun resultaten op, en hoopt dat hun metingen de antwoorden op deze vragen zullen geven. "We zullen een grondwaarheid bepalen voor een nieuwe reeks klimaatmodellen, " hij zei.

Voor dr. Bony, de volgende stap gaat verder dan het begrijpen van cloudeigenschappen en het gebied dat ze bestrijken.

"Nutsvoorzieningen, we ontdekken dat het niet alleen de totale oppervlakte is, maar ook de manier waarop wolken worden verspreid en georganiseerd, " zei ze. De patronen die ze vormen, kunnen ook van invloed zijn op hoe ze straling blokkeren of absorberen, en deze informatie kan gevolgen hebben voor de rol van wolken in klimaatverandering.

Dr. Jan Härter, een specialist in atmosferische complexiteit bij het Leibniz Centre for Tropical Marine Research, de Jacobs Universiteit Bremen, Duitsland en het Niels Bohr Instituut in Denemarken, onderzoekt deze vraag in zijn INTERACTION-project. "Veel soorten clouds vertonen kenmerken van organisatie, maar onweerswolken (in de tropen) tonen zelforganisatie, " zei hij. INTERACTIE kijkt naar hoe onweersbuien clusteren, met behulp van simulatie en het ontwikkelen van basismodellen voor hun gedrag.

Zelforganisatie

Wolken kunnen zich om vele redenen organiseren, zoals wanneer ze zich boven een stedelijk gebied bevinden dat vanwege al het beton en asfalt de neiging heeft heter te zijn dan het platteland. Zelforganisatie vindt plaats wanneer wolken zich vormen en clusteren, ook al zijn de omstandigheden eronder en het zonlicht erboven uniform.

Onweerswolken, bekend als cumulonimbus (wat afkomstig is van het Latijnse cumulus 'opgehoopt' en nimbus 'regenbui'), zijn hoge verticale wolken die vaak regen brengen. Deze wolken zijn het dominante type wolk in de tropen en zijn ook de sleutel tot het begrijpen van de wereldwijde stralingsbalans. "Ze bevinden zich op de breedtegraad waar de meeste warmte naar de aarde komt, en de straling van de zon is daar veel sterker, " zei Dr. Härter. Deze torenachtige wolken beïnvloeden hoeveel zonlicht de atmosfeer binnenkomt, wat directe gevolgen heeft voor de opwarming.

"De vraag is hoeveel veranderen deze hoge wolken in clustering wanneer, bijvoorbeeld, temperatuurveranderingen, "zei hij. Echter, zoals de meeste problemen met wolken, dit is een moeilijke vraag om te beantwoorden.

INTERACTION benadert de zaak vanuit twee verschillende perspectieven:de ene is om simulaties uit te voeren, die veel rekentijd vergen, en een andere is het ontwikkelen van 'speelgoed'-modellen die fundamentele interacties tussen onweer en wolken verklaren.

'Speelgoed'-modellen zijn zeer eenvoudige simulaties die spreken over de fundamentele interacties tussen onweerswolken. Dr. Härter en zijn collega's proberen te begrijpen hoe deze wolken met elkaar 'spreken' en zichzelf organiseren door deze complexe fysieke interacties op te splitsen in hun basiscomponenten.

Als er onweer is, de meeste regen valt op de grond, maar een deel ervan verdampt in de lucht onder de wolk. deze lucht, het kille vocht hebben opgenomen, wordt een 'koud zwembad, " legt Härter uit. "Deze verdamping is cruciaal bij het communiceren van signalen van de ene wolk naar de andere."

Als er honderden en duizenden wolken zijn in een groot gebied, de koude poelen eronder botsen tegen elkaar, lucht naar de koudere delen van de atmosfeer duwen en nieuwe onweerswolken zaaien.

Een van hun 'speelgoed'-modellen laat zien hoe deze koude poelen op elkaar inwerken en deze cyclus - van koude poelen die botsen en nieuwe wolken genereren - kan generaties duren (een duurt ongeveer zes uur) van wolken, het coderen van de herinneringen aan vroegere wolken en stormen in de huidige actuele wolk. De koude poelen kunnen de wolkengeneratie nog wekenlang blijven beïnvloeden.

These very basic models are necessary, says Dr. Härter, in order to remove some of the unknowns for simulating cloud behaviour, such as how these cold pools interact. The team's simulations already incorporate parameters such as wind speed, vochtigheid, temperatuur, and cloud composition, which is the different ratios of water, ijs, and an icy mixture called graupel.

Echoing EUREC4A's Dr. Bony and Prof. Stevens, Dr. Härter said:"We don't know how clouds work, especially these thunderstorm clouds that take place at scales that are hard or impossible to resolve with the current climate models."

Simulation

To take the sheer scale of cloud and their driving forces into consideration, an accurate simulation would have to include disparate variables from the motion of atoms and the energy they dissipate (nanometres) through to the Earth's rotation and global winds on the scale of about 10, 000km. "The very best we can do for, zeggen, a week of simulations is to resolve (the 100-metre scale) for an area of one kilometre by one kilometre, or so, " he said. "And that is a big simulation."

The ultimate goal of the project is to have a model for cloud organisation that captures the interactions between past and present thunderstorm clouds, and feed this information into the next generation of climate models. The next step is to begin a field work and feed new measurements into their models.

"We need to have a clearer understanding of the different cloud-system feedbacks to make a strong statement on climate change here, " Dr. Härter said. "The models have different ways of representing tall clouds and low clouds, and that is something that cannot be resolved without closer observational data."

And in order to prepare for a warming climate, and predict how the world's insulating cloud layer will change, first we need to understand how it operates now.