Vanuit de ruimte, grote dekken van dicht bij elkaar staande stratocumuluswolken lijken op heldere katoenen ballen die boven de oceaan zweven. Ze beslaan uitgestrekte gebieden - letterlijk duizenden kilometers van de subtropische oceanen - en blijven weken tot maanden hangen.

Omdat deze zeewolken meer zonnestraling reflecteren dan het oppervlak van de oceaan, het aardoppervlak afkoelen, de levensduur van stratocumuluswolken is een belangrijk onderdeel van de stralingsbalans van de aarde. Het is nodig, dan, om de levensduur van wolken nauwkeurig weer te geven in de aardesysteemmodellen (ESM) die worden gebruikt om toekomstige klimaatomstandigheden te voorspellen. Turbulentie - luchtbewegingen die op kleine schaal plaatsvinden - is in de eerste plaats verantwoordelijk voor de levensduur van mariene stratocumuluswolken.

Motregen - neerslag bestaande uit waterdruppels kleiner dan een halve millimeter in diameter - is constant aanwezig in en onder deze mariene wolkensystemen. Omdat deze kleine druppels invloed hebben op en worden beïnvloed door turbulentie onder zeewolken, wetenschappers moeten meer weten over hoe motregen de turbulentie in deze wolken beïnvloedt om nauwkeurigere klimaatvoorspellingen mogelijk te maken.

Een team onder leiding van Virendra Ghate, een atmosferische wetenschapper, en Maria Cadeddu, een van de belangrijkste atmosferisch onderzoeksingenieurs in de Environmental Science-divisie van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), bestudeert sinds 2017 de impact van motregen in zeewolken. Hun unieke dataset trok de aandacht van onderzoekers van het Lawrence Livermore National Laboratory van DOE.

Ongeveer drie jaar geleden, een medewerker uit Livermore, die leidden tot nationale inspanningen om de weergave van wolken in klimaatmodellen te verbeteren, riep op tot observationele studies gericht op motregen-turbulentie-interacties. Dergelijke studies bestonden op dat moment niet vanwege de beperkte reeks waarnemingen en het gebrek aan technieken om alle geofysische eigenschappen van zorg af te leiden.

"De analyse van de ontwikkelde dataset stelde ons in staat om aan te tonen dat motregen de turbulentie onder stratocumuluswolken vermindert - iets dat in het verleden alleen werd aangetoond door modelsimulaties, " zei Ghate. "De rijkdom van de ontwikkelde gegevens zal ons in staat stellen om in de toekomst verschillende fundamentele vragen met betrekking tot motregen-turbulentie-interacties aan te pakken."

Het Argonne-team ging op zoek naar het karakteriseren van de eigenschappen van de wolken met behulp van observaties op de locatie in de oostelijke Noord-Atlantische Oceaan van de Atmospheric Radiation Measurement (ARM), een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit, en gegevens van instrumenten aan boord van geostationaire en polaire satellieten. De instrumenten verzamelen technische variabelen, zoals spanningen en temperaturen. Het team combineerde metingen van verschillende instrumenten om eigenschappen van de waterdamp en motregen in en onder de wolken af ​​te leiden.

Ghate en Cadeddu waren geïnteresseerd in geofysische variabelen, zoals het gehalte aan wolkenwater, motregen deeltjesgrootte en anderen. Dus ontwikkelden ze een nieuw algoritme dat synergetisch alle noodzakelijke parameters ophaalde die betrokken zijn bij motregen-turbulentie-interacties. Het algoritme gebruikt gegevens van verschillende ARM-instrumenten, waaronder radar, lidar en radiometer - om de geofysische variabelen van belang af te leiden:grootte (of diameter) van neerslagdruppels, hoeveelheid vloeibaar water overeenkomend met wolkendruppels, en neerslagdruppels. Met behulp van de gegevens van ARM, Ghate en Cadeddu hebben deze parameters afgeleid, vervolgens drie observatiestudies publiceren die zich richtten op twee verschillende ruimtelijke organisaties van stratocumuluswolken om de motregen-turbulentie-interacties in deze wolkensystemen te karakteriseren.

Hun resultaten leidden tot een samenwerking met modelbouwers uit Livermore. In die poging, het team gebruikte observaties om de weergave van motregen-turbulentie-interacties in DOE's Energy Exascale Earth System Model (E3SM) te verbeteren.

"De observatiereferenties van de ophaaltechniek van Ghate en Cadeddu hebben ons geholpen te bepalen dat versie 1 van E3SM onrealistische motregenprocessen produceert. Onze gezamenlijke studie impliceert dat uitgebreide onderzoeken van de gemodelleerde wolken- en motregenprocessen met observatiereferenties nodig zijn voor de huidige klimaatmodellen, " zei Xue Zheng, een stafwetenschapper in de atmosfeer, Aarde, en energiedivisie bij Livermore.

Zei Cadeddu:"Over het algemeen, de unieke expertise hier in het lab is te danken aan ons vermogen om van de ruwe data naar de fysieke parameters te gaan en van daaruit naar de fysieke processen in de wolken. De gegevens en de instrumenten zelf zijn erg moeilijk te gebruiken omdat het meestal externe sensoren zijn die niet direct meten wat we nodig hebben (bijv. regensnelheid of vloeibaar waterpad); in plaats daarvan, ze meten elektromagnetische eigenschappen zoals terugverstrooiing, Doppler-spectra en uitstraling. In aanvulling, het ruwe signaal wordt vaak beïnvloed door artefacten, lawaai, aerosolen en neerslag. De onbewerkte gegevens zijn ofwel direct gerelateerd aan de fysieke grootheden die we willen meten door middel van goed gedefinieerde sets vergelijkingen, of ze zijn indirect gerelateerd. In het laatste geval, het afleiden van de fysieke grootheden betekent het oplossen van wiskundige vergelijkingen genaamd 'inverse problemen' die, zelf, zijn ingewikkeld. Het feit dat we nieuwe manieren hebben kunnen ontwikkelen om de fysieke eigenschappen van de wolken te kwantificeren en er betrouwbare informatie over te extraheren, is een grote prestatie. En het heeft ons in de voorhoede geplaatst van onderzoek naar dit soort wolken."

Omdat ze zich alleen hebben gericht op de weinige aspecten van de complexe motregen-turbulentie-interacties, Ghate en Cadeddu zijn van plan hun onderzoek voort te zetten. Ze zijn ook van plan zich te concentreren op andere regio's, zoals de Noordelijke Stille Oceaan en de Zuid-Atlantische Oceaan, waar de wolk, motregen en turbulentie eigenschappen verschillen enorm van die in de Noord-Atlantische Oceaan.