Waar komt sneeuw vandaan? Dit lijkt misschien een simpele vraag om over na te denken, aangezien de helft van de planeet tevoorschijn komt na een seizoen van kijken naar grillige vlokken die uit de lucht vallen - en ze van opritten scheppen. Maar een nieuwe studie over hoe water ijs wordt in licht onderkoelde poolwolken, kan je doen nadenken over de eenvoud van het donzige spul. De studie, gepubliceerd door wetenschappers van het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) in de Proceedings van de National Academy of Sciences , bevat nieuw direct bewijs dat verpletterende motregendruppels explosieve "ijsvermenigvuldiging" -gebeurtenissen veroorzaken. De bevindingen hebben implicaties voor weersvoorspellingen, klimaatmodellering, watervoorziening - en zelfs energie- en transportinfrastructuur.

"Onze resultaten werpen nieuw licht op eerdere op laboratoriumexperimenten gebaseerde inzichten over hoe onderkoelde waterdruppels - water dat nog steeds vloeibaar is onder het vriespunt - in ijs en uiteindelijk sneeuw veranderen, " zei Brookhaven Lab atmosferische wetenschapper Edward Luke, de hoofdauteur van het papier. De nieuwe resultaten, van real-world langetermijnwolkradar- en weerballonmetingen in gemengde fasenwolken (bestaande uit vloeibaar water en ijs) bij temperaturen tussen 0 en -10 graden Celsius (32 en 14 ° Fahrenheit), bewijs leveren dat bevriezing van motregendruppels belangrijk is voor de hoeveelheid ijs die zich zal vormen en mogelijk als sneeuw uit deze wolken zal vallen.

"Nu kunnen klimaatmodellen en de weersvoorspellingsmodellen die worden gebruikt om te bepalen hoeveel sneeuw je moet scheppen een sprong voorwaarts maken door veel realistischere fysica te gebruiken om 'secundaire' ijsvorming te simuleren, ' zei Lukas.

Wat is secundair ijs?

Neerslaande sneeuw van onderkoelde wolken is meestal afkomstig van "primaire" ijsdeeltjes, die zich vormen wanneer water kristalliseert op bepaalde kleine stofdeeltjes of aerosolen in de atmosfeer, bekend als ijskiemvormende deeltjes. Echter, bij enigszins onderkoelde temperaturen (d.w.z. 0 tot -10°C), vliegtuigobservaties hebben aangetoond dat wolken veel meer ijskristallen kunnen bevatten dan kan worden verklaard door de relatief weinig aanwezige ijskiemvormende deeltjes. Dit fenomeen houdt de atmosferische onderzoeksgemeenschap al tientallen jaren in verwarring. Wetenschappers hebben gedacht dat de verklaring "secundaire" ijsproductie is, waarin de extra ijsdeeltjes worden gegenereerd uit andere ijsdeeltjes. Maar het proces in actie zien in de natuurlijke omgeving was moeilijk.

Eerdere verklaringen voor hoe secundaire ijsvormen voornamelijk afhankelijk waren van laboratoriumexperimenten en beperkte, bemonsteringsvluchten op basis van kortetermijnvliegtuigen. Een algemeen begrip dat uit verschillende laboratoriumexperimenten naar voren kwam, was dat relatief grote, snel vallende ijsdeeltjes, Rimers genoemd, kan klein "verzamelen" en invriezen, onderkoelde wolkendruppels - die dan meer kleine ijsdeeltjes produceren, splinters genoemd. Maar het blijkt dat zo'n "rijp versplintering" lang niet het hele verhaal is.

De nieuwe resultaten van het noordpoolgebied laten zien dat grotere onderkoelde waterdruppels, geclassificeerd als motregen, spelen een veel belangrijkere rol bij het produceren van secundaire ijsdeeltjes dan algemeen wordt aangenomen.

"Als een ijsdeeltje een van die motregendruppels raakt, het veroorzaakt bevriezing, die eerst een stevige ijsschil rond de druppel vormt, " legde Fan Yang uit, een co-auteur op het papier. "Vervolgens, terwijl de bevriezing naar binnen beweegt, de druk begint op te bouwen omdat water uitzet als het bevriest. Die druk zorgt ervoor dat de motregen uiteenvalt, het genereren van meer ijsdeeltjes."

De gegevens tonen aan dat dit proces van "bevriezende fragmentatie" explosief kan zijn.

"Als je één ijsdeeltje had dat de productie van een ander ijsdeeltje in gang zette, het zou niet zo belangrijk zijn, " zei Luke. "Maar we hebben bewijs geleverd dat, met dit trapsgewijze proces, motregen bevriezingsfragmentatie kan de concentratie van ijsdeeltjes in wolken 10 tot 100 keer verhogen - en zelfs 1 000 bij gelegenheid!

"Onze bevindingen zouden de ontbrekende schakel kunnen zijn voor de mismatch tussen de schaarste aan primaire ijsvormende deeltjes en sneeuwval van deze enigszins onderkoelde wolken."

Miljoenen monsters

De nieuwe resultaten zijn gebaseerd op zes jaar aan gegevens verzameld door een naar boven wijzende Doppler-radar met millimetergolflengte bij de DOE Atmospheric Radiation Measurement (ARM) gebruikersfaciliteit's North Slope of Alaska atmosferisch observatorium in Utqiagvik (voorheen Barrow), Alaska. De radargegevens worden aangevuld met metingen van temperatuur, vochtigheid, en andere atmosferische omstandigheden verzameld door weerballonnen die tijdens de onderzoeksperiode vanuit Utqiagvik zijn gelanceerd.

Brookhaven Lab atmosferische wetenschapper en studie co-auteur Pavlos Kollias, die ook een professor is in de afdeling atmosferische wetenschappen aan de Stony Brook University, was cruciaal voor het verzamelen van deze millimetergolflengte-radargegevens op een manier die het de wetenschappers mogelijk maakte om af te leiden hoe secundair ijs werd gevormd.

"ARM is sinds de jaren negentig een pionier in het gebruik van wolkenradars met een korte golflengte om de microfysische processen van wolken beter te begrijpen en hoe deze het weer op aarde vandaag de dag beïnvloeden. Ons team leidde de optimalisatie van hun databemonsteringsstrategie, zodat informatie over wolken- en neerslagprocessen zoals de een die in deze studie wordt gepresenteerd, kan worden verkregen, ' zei Kollias.

De golflengte van de radar op millimeterschaal maakt hem uniek gevoelig voor de grootte van ijsdeeltjes en waterdruppels in wolken. De dubbele polarisatie geeft informatie over de vorm van deeltjes, waardoor wetenschappers naaldachtige ijskristallen kunnen identificeren - de voorkeursvorm van secundaire ijsdeeltjes in enigszins onderkoelde wolkenomstandigheden. Doppler-spectra-waarnemingen die om de paar seconden zijn opgenomen, geven informatie over hoeveel deeltjes er aanwezig zijn en hoe snel ze naar de grond vallen. Deze informatie is van cruciaal belang om uit te zoeken waar er rimers zijn, motregen, en secundaire ijsdeeltjes.

Met behulp van geavanceerde geautomatiseerde analysetechnieken ontwikkeld door Luke, Yang, en Kollias, de wetenschappers scanden miljoenen van deze Doppler-radarspectra om de deeltjes op grootte en vorm in data-emmers te sorteren - en koppelden de gegevens aan gelijktijdige waarnemingen van weerballonnen over de aanwezigheid van onderkoeld wolkenwater, temperatuur, en andere variabelen. Dankzij de gedetailleerde datamining konden ze het aantal secundaire ijsnaalden vergelijken dat onder verschillende omstandigheden werd gegenereerd:in de aanwezigheid van enkel rimers, rimers plus motregendruppels, of gewoon motregen.

"Het enorme aantal waarnemingen stelt ons voor het eerst in staat om het secundaire ijssignaal uit de 'achtergrondruis' van alle andere atmosferische processen te halen - en te kwantificeren hoe en onder welke omstandigheden secundaire ijsgebeurtenissen plaatsvinden, ' zei Lukas.

De resultaten waren duidelijk:omstandigheden met onderkoelde motregendruppels produceerden dramatische ijsvermenigvuldiging, veel meer dan rimers.

Effecten op korte en lange termijn

Deze real-world gegevens geven de wetenschappers de mogelijkheid om de "ijsvermenigvuldigingsfactor" voor verschillende wolkencondities te kwantificeren, wat de nauwkeurigheid van klimaatmodellen en weersvoorspellingen zal verbeteren.

"Weervoorspellingsmodellen kunnen de volledige complexiteit van de microfysische cloudprocessen niet aan. We moeten bezuinigen op de berekeningen, anders zou je nooit een voorspelling krijgen, " zei Andrew Vogelmann, een andere co-auteur van het onderzoek. "Om dat te doen, je moet uitzoeken welke aspecten van de fysica het belangrijkst zijn, en die fysica vervolgens zo nauwkeurig en eenvoudig mogelijk in het model te verantwoorden. Deze studie maakt duidelijk dat kennis over motregen in deze gemengde fasenwolken essentieel is."

Naast het helpen van je budget hoeveel extra tijd je nodig hebt om je oprit te scheppen en aan het werk te gaan, een beter begrip van wat secundaire ijsvorming drijft, kan wetenschappers helpen beter te voorspellen hoeveel sneeuw zich zal ophopen in stroomgebieden om het hele jaar door van drinkwater te voorzien. De nieuwe gegevens zullen ook helpen ons begrip te verbeteren van hoe lang wolken blijven bestaan, wat belangrijke gevolgen heeft voor het klimaat.

"Meer ijsdeeltjes gegenereerd door secundaire ijsproductie zullen een enorme impact hebben op neerslag, zonnestraling (hoeveel zonlichtwolken terugkaatsen in de ruimte), de Water cyclus, en de evolutie van wolken met gemengde fasen, ' zei Yang.

De levensduur van de wolken is vooral belangrijk voor het klimaat in het noordpoolgebied, Luke en Vogelmann merkten op, en het Arctische klimaat is erg belangrijk voor de algehele energiebalans op aarde.

"Gemengde fase wolken, die zowel onderkoeld vloeibaar water als ijsdeeltjes bevatten, kan weken achtereen duren in het noordpoolgebied, "Zei Vogelmann. "Maar als je een hele hoop ijsdeeltjes hebt, de wolk kan worden opgeruimd nadat ze zijn gegroeid en als sneeuw op de grond vallen. Dan heb je zonlicht dat er recht doorheen kan om de grond of het oceaanoppervlak op te warmen."

Dat zou de seizoensgebondenheid van sneeuw en ijs op de grond kunnen veranderen, waardoor smelten en dan nog minder weerkaatsing van zonlicht en meer verwarming.

"Als we in een klimaatmodel kunnen voorspellen dat iets de balans van ijsvorming gaat veranderen, motregen, en andere factoren, dan zullen we beter kunnen anticiperen op wat we kunnen verwachten in toekomstig weer en klimaat, en mogelijk beter voorbereid zijn op deze effecten, ' zei Lukas.