“次生”冰和雪的爆炸起因

  雪从哪里来?这似乎是一个值得思考的简单问题,因为这个季节有一半的行星是在观看异想天开的薄片从天上掉下来并将它们从车道上铲掉的季节出现的。但是一项关于水如何在略微过冷的北极云中变成冰的新研究可能会让您重新考虑蓬松物质的简单性。这项研究是由美国能源部(DOE)布鲁克海文国家实验室的科学家在美国国家科学院院刊上发表的,其中包括新的直接证据,证明细雨飞落的水滴会驱动爆炸性的“冰繁殖”事件。这些发现对天气预报,气候模型,供水,甚至能源和运输基础设施都有影响。

“次生”冰和雪的爆炸起因

  布鲁克海文实验室的大气科学家爱德华·卢克(Edward Luke)说:“我们的研究结果为先前基于实验室实验的理解提供了新的认识,即过冷水滴(仍处于冰点以下的液态水)如何变成冰,最终变成雪。”纸。新的结果来自现实世界的长期云雷达和在0至-10摄氏度(32至14华氏度)温度下的混合相云(由液态水和冰组成)中的天气气球测量结果细雨滴的冻结碎片对于形成多少冰并可能从这些云层像雪一样掉落很重要。

  卢克说:“现在,用于确定必须铲多少雪的气候模型和天气预报模型可以通过使用更现实的物理方法来模拟'二次'冰的形成而实现飞跃。”

  什么是二次冰?

  过冷云中的积雪通常来自“主要”冰粒,当水在大气中精选的微小尘埃或气溶胶斑点上结晶时,就会形成“主要”冰粒。但是,在略微过冷的温度(即0至-10°C)下,飞机的观测结果表明,与所存在的相对少的冰核颗粒相比,云所含冰晶的数量要多得多。数十年来,这种现象一直困扰着大气研究界。科学家认为,这种解释是“二次”制冰,其中其他冰粒会产生额外的冰粒。但是要在自然环境中付诸实践是很困难的。

  先前关于次生冰形成方式的解释主要取决于实验室实验和有限的基于飞机的短期采样飞行。几个实验室实验得出的一个普遍共识是,相对较大的快速下落的冰粒(称为边缘冰)可以“收集”并冻结微小的过冷云滴,然后产生更细的冰粒(称为碎片)。但是事实证明,这种“ rim裂”并不是故事的全部。

  北极的新结果表明,被分类为毛毛雨的较大的过冷水滴在产生次级冰粒中起着比通常认为的重要得多的作用。

  该论文的合著者范扬解释说:“当冰粒碰到其中的细雨滴时,就会触发冻结,这首先会在滴周围形成坚固的冰壳。” “然后,当冰冻向内移动时,压力开始建立,因为水在冰冻时膨胀。该压力导致毛毛雨滴破碎,产生更多的冰粒。”

  数据表明,这种“冻结碎片”过程可能具有爆炸性。

  卢克说:“如果有一种冰粒触发另一种冰粒的产生,那将不会那么重要。” “但是我们提供的证据表明,在这种级联过程中,细雨冻结碎片可以使云中的冰粒浓度提高10到100倍,有时甚至可以达到1000倍!

  “我们的发现可能为主要的冰核颗粒的稀缺与这些略微过冷的云的降雪之间的不匹配提供了缺失的联系。”

  数以百万计的样品

  新的结果铰链于六个月六年原应于美国能源部通过向上的毫米波长多普勒雷达收集的数据的大气辐射测量(ARM)的用户工具的阿拉斯加北坡在Utqiagvik(原巴罗),阿拉斯加大气观测站。在整个研究期间,从Utqiagvik发射的气象气球收集的温度,湿度和其他大气条件的测量值对雷达数据进行了补充。

  Brookhaven Lab的大气科学家和研究合著者Pavlos Kollias也是石溪大学大气科学系的教授,他对这种毫米波长雷达数据的收集至关重要,这使得科学家有可能推论出次级冰是如何形成的。

  “ ARM自1990年代以来就率先使用短波云雷达,以更好地了解云的微物理过程以及它们如何影响当今地球上的天气。我们的团队领导了其数据采样策略的优化,因此有关云和降水过程的信息如可以得到这项研究中提出的一种。”

  雷达的毫米级波长使其对云中的冰粒和水滴的大小具有独特的敏感性。它的双重极化提供了有关颗粒形状的信息,使科学家能够识别针状冰晶-在略微过冷的云层条件下,次级冰粒的优先形状。每几秒钟记录一次的多普勒光谱观测可提供有关存在多少粒子以及它们落到地面的速度有多快的信息。这些信息对于弄清边缘,毛毛雨和次生冰粒的位置至关重要。

  科学家使用卢克,杨和科利阿斯开发的先进的自动分析技术,扫描了数百万个多普勒雷达光谱,以按大小和形状将粒子分类到数据桶中,并将数据与同时存在的天气气球观测结果进行了匹配。过冷的云水,温度和其他变量。详细的数据挖掘使他们能够比较在不同条件下产生的二次冰针的数量:仅存在边缘,边缘加上细雨滴或仅存在细雨。

  卢克说:“庞大的观测量使我们第一次将次级冰信号从所有其他正在发生的大气过程的'背景噪声'中剔除,并量化了次级冰事件的发生方式和条件。”

  结果很明显:过冷的毛毛雨滴产生的冰激增事件非常多,而边缘气候则更多。

  短期和长期影响

  这些真实的数据使科学家能够量化各种云条件下的“冰倍增因子”,这将提高气候模型和天气预报的准确性。

  该研究的另一位合著者安德鲁·沃格曼(Andrew Vogelmann)说:“天气预报模型无法处理云微物理过程的全部复杂性。我们需要节省计算量,否则您将永远得不到预报。” “要做到这一点,您必须弄清楚物理的哪些方面最重要,然后在模型中尽可能准确,简单地说明该物理。这项研究清楚地表明,了解这些混合相云中的毛毛雨是必不可少的。”

  除了帮助您预算需要多少额外时间来铲除车道并开始工作外,更清楚地了解造成二次冰层形成的原因,可以帮助科学家更好地预测全年流域积雪以提供饮用水。新数据还将帮助我们更好地了解云将持续多长时间,这对气候将产生重要影响。

  杨说:“二次生​​冰产生的更多冰粒将对降水,太阳辐射(多少阳光云反射回太空),水循环以及混合相云的演化产生巨大影响。”

  Luke和Vogelmann指出,云的寿命对北极的气候尤其重要,而北极的气候对地球的整体能量平衡非常重要。

  沃格尔曼说:“其中既有过冷液态水又有冰粒的混合相云在北极地区可能持续数周之久。” “但是,如果有一堆冰粒,它们会像雪一样落到​​地面上,然后被清除掉。然后,阳光就会直射,开始加热地面或海洋表面。” ”

  这可能会改变地面上冰雪的季节性,导致融化,进而减少阳光反射并增加热量。

  “如果我们能够在气候模型中预测某些因素将改变冰的形成,细雨和其他因素的平衡,那么我们将具有更好的能力来预测未来的天气和气候,并且可能会更好为应对这些影响做好准备。”卢克说。

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