Science >> Wetenschap >  >> Natuur

Wetenschappers demonstreren met hoge resolutie dat lidar de geboortezone van wolkendruppeltjes ziet, een allereerste observatie op afstand

Een bovenaanzicht van de lidar. Een laser vuurt vanuit de opening aan de rechterkant en vervolgens opent de opening van de telescoop aan de linkerkant zijn "oog" kort om fotonen op te vangen die door de atmosfeer worden terugverstrooid. Credit:Kevin Coughlin/Brookhaven National Laboratory

Een team onder leiding van atmosferische wetenschappers van het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie heeft de allereerste observaties op afstand van de fijnschalige structuur aan de basis van wolken gedemonstreerd. De resultaten zijn zojuist gepubliceerd in npj Climate and Atmospheric Science laten zien dat het grensvlak tussen lucht en wolken geen perfecte grens is, maar eerder een overgangszone is waar aerosoldeeltjes die in de atmosfeer van de aarde zweven aanleiding geven tot de druppels die uiteindelijk wolken vormen.



"We zijn geïnteresseerd in deze 'druppelactiveringszone', waar de meeste wolkendruppels aanvankelijk worden gevormd aan de wolkenbasis, omdat het aantal druppels dat daar wordt gevormd de latere stadia en eigenschappen van de wolk zal beïnvloeden, inclusief hoeveel zonlicht een wolk reflecteert en de waarschijnlijkheid van neerslag", zegt atmosferische wetenschapper Fan Yang uit Brookhaven, de eerste auteur van het artikel.

"Als er meer aërosolen in de atmosfeer zijn, hebben wolken doorgaans meer druppels, maar de druppels zullen elk kleiner zijn, wat betekent dat ze meer zonlicht kunnen reflecteren", zei Yang. "Dit zou kunnen helpen om onze opwarmende aarde af te koelen", merkte hij op.

Maar om de impact van deze aerosol-wolk-interacties op het klimaatsysteem nauwkeurig te kunnen voorspellen, hebben wetenschappers een manier nodig om de concentraties van de wolkendruppeltjes te meten, zonder dat ze in veel wolken omhoog hoeven te vliegen om monsters te verzamelen.

"Dit blijft een van de grootste uitdagingen in ons vakgebied", zei Yang.

De nieuwe teledetectiemetingen en -methode bieden een nieuwe manier om de druppelconcentratie te schatten, waardoor wetenschappers inzicht kunnen krijgen in de manier waarop veranderingen in de atmosferische aërosolniveaus de wolken en het klimaat kunnen beïnvloeden.

Wolken gedetailleerder zien

Atmosferische lidars – die laserstralen de atmosfeer in sturen en de signalen meten van licht dat wordt terugverstrooid door moleculen, aërosolen en wolkendruppels in de atmosfeer – worden op grote schaal gebruikt om de afstand tot de wolkenbasis te meten. Maar traditionele lidars kunnen geen gedetailleerde structuren binnen de wolkenbasis oplossen, omdat ze doorgaans een resolutie van 10 meter of meer hebben.

"Tien meter is als de hoogte van een gebouw", zei Yang, waarbij hij opmerkte dat deze schaal grote objecten kan detecteren. "Maar om te weten hoeveel verdiepingen of ramen dat gebouw heeft, heb je een veel fijnere resolutie nodig."

Om details binnen de cloudbasis te zien, werkte het Brookhaven-team samen met collega's van Stevens Institute of Technology (SIT) en Raymetrics S.A. om een ​​nieuw soort lidar te bouwen. Hun apparaat, beschreven in een eerdere publicatie, is een tijdafhankelijke, tijdgecorreleerde lidar met enkele fotonentelling (T2 lidar) met een resolutie tot 10 centimeter. Dat is een twee ordes van grootte hogere resolutie dan traditionele atmosferische lidars.

"Met zo'n hoge resolutie onthullen de T2 lidar-waarnemingen de overgangszone waar aerosoldeeltjes waterdamp absorberen om te worden omgezet in wolkendruppeltjes," zei Yang.

"We hebben onze ongekende fijnschalige T2-waarnemingen van het wolkenbasisgebied gebruikt om een ​​theoretisch model te ontwikkelen om de concentratie van wolkendruppeltjes te schatten op basis van door T2 gemeten terugverstrooiingssignalen", voegde hij eraan toe.

Wetenschappers van het Brookhaven National Laboratory demonstreerden de allereerste waarnemingen op afstand van de fijnschalige structuur in de geboortezone van wolkendruppels – de basis van wolken waar druppels zich vormen rond aërosoldeeltjes die in de atmosfeer van de aarde zweven. De techniek zal wetenschappers inzicht geven in de interacties tussen aërosolwolken en hun impact op klimaat en weer. Credit:Kevin Coughlin/Brookhaven National Laboratory

Een uniek kenmerk van de T2-lidar is de toepassing van de time-gating-techniek, waarbij de detector wordt gedwongen zijn 'oog' te openen om metingen uit te voeren in een smal observatievenster in de atmosfeer.

"Deze tijdpoort stelt ons in staat om naar een specifiek interessegebied in de wolk te 'kijken'. Dit verschilt van een conventionele lidar, waarbij het 'oog' van de lidar over het algemeen open is en bijna altijd klaar is om terugverstrooide fotonen op te vangen. ," zei Yang.

Door de tijdsvertraging tussen de laserpuls van de T2 lidar en de opening van het oog in te stellen op verschillende tijdsintervallen, kunnen de wetenschappers signalen in verschillende regio's in de wolk bemonsteren.

Het apparaat heeft ook een zeer hoge herhalingssnelheid en vuurt 20.000 laserpulsen per seconde af.

"We kunnen meer leren over de eigenschappen van de cloud door de manier waarop de terugverstrooide signalen binnen het observatievenster worden verdeeld", aldus Yang.

Toepassing voor observaties van wolkenkamers

Om de techniek echt bruikbaar te maken voor nauwkeurige metingen in de echte wereld op afstand, zal de T2 lidar goed moeten worden gekalibreerd. Dat wil zeggen dat wetenschappers volledig moeten begrijpen hoe de gemeten lichtsignalen overeenkomen met de eigenschappen van wolken in de echte wereld, zodat ze de computeralgoritmen die ze hebben geschreven kunnen verfijnen om de ene met de andere in verband te brengen.

Traditionele lidarmetingen van atmosferische wolken worden soms gecontroleerd en gekalibreerd door een vliegtuig door wolken te laten vliegen om druppelmonsters te vangen. Wetenschappers proberen de lidar-metingen te kalibreren met de "echte" eigenschappen van druppels uit de in-situ vliegtuigmetingen.

"Het probleem is dat de teledetectie- en in-situmetingen meestal niet op dezelfde locatie plaatsvinden", zei Yang. Dat wil zeggen dat het zeer onwaarschijnlijk is dat een naar boven gerichte lidar met een grove resolutie en een horizontaal vliegend vliegtuig om een ​​dunne monsterstroom te verzamelen tegelijkertijd gegevens verzamelen over hetzelfde deel van de wolk.

Om deze situatie te verbeteren, gebruikt het team van Brookhaven en SIT een techniek die vergelijkbaar is met wat ze gebruikten in de T2-lidar om een ​​lidar te bouwen met een nog fijnere resolutie – tot op één centimeter. Door deze lidar met hogere resolutie te gebruiken om waarnemingen te doen in een wolkenkamer in een laboratorium, kunnen ze terugverstrooiingssignalen matchen met in-situ metingen van de fysieke eigenschappen van wolken die op hetzelfde moment en op dezelfde locatie zijn genomen. P>

"Dan kunnen we de lidar weer in de echte atmosfeer brengen en meer vertrouwen hebben in hoe onze lidar-metingen zich verhouden tot wolkeneigenschappen zoals het aantal druppels, de concentratie en de distributie," zei Yang.

"Dit is nog maar een begin", merkte Yang op. "Onze studie benadrukt de voordelen van het toepassen van geavanceerde technologieën om atmosferische wolken op submeterschaal te observeren, wat nieuwe wegen kan openen voor het bevorderen van ons begrip van microfysische eigenschappen en processen van wolken die cruciaal zijn voor weer en klimaat."

Meer informatie: Fan Yang et al., Een lidar met één foton observeert atmosferische wolken op decimeterschaal:het oplossen van de activering van druppels binnen de wolkenbasis, npj Climate and Atmospheric Science (2024). DOI:10.1038/s41612-024-00644-y

Journaalinformatie: npj Klimaat- en atmosferische wetenschap

Geleverd door Brookhaven National Laboratory




Meer >

Meer >

Hoofdlijnen

  1. Hoe leven met roofdieren inheemse soorten kan helpen overleven
  2. Voordelen van biosolids verspreid over tientallen jaren van onderzoek
  3. Hoe slecht zijn invasieve planten voor vogels? Uit onderzoek blijkt dat grootschalige verwijdering mogelijk geen beoogde voordelen heeft
  4. Zullen tropische bergboomsoorten zich aanpassen aan de opwarming?
  5. Nieuw ontdekt eiwit kan worden gebruikt om levensreddende antischimmelmiddelen te produceren
  6. Amerikaanse melkkoeien vormen het topje van de ijsberg nu de vogelgriep zich wereldwijd onder zoogdieren verspreidt, zegt ecoloog
  7. Verdraaide seks zorgt ervoor dat slakken in spiegelbeeld face-to-face kunnen paren, onderzoek vindt
  8. Hoe gaan ziekten van de ene soort naar de andere?
  9. Onderzoek werpt nieuw licht op hoe organismen energie gebruiken in een menigte

Wetenschap