Christine Chiu från Colorado State University undersöker moln. Hon kallar dem "komplicerade 3D-objekt som utvecklas snabbt."

Hon studerar moln underifrån och på alla sidor med skannande molnradarer och uppifrån med satellitdata. Hennes forskning spelar roll. Molnegenskaper är de viktigaste bestämningsfaktorerna för jordens energibudget, men är inte tillräckligt representerade i nuvarande modeller.

Det oroväckande stora utbudet av dagens jordsystemsprognoser, Chiu säger, "är delvis ett resultat av felaktiga molnegenskaper i klimatmodeller."

För att förbättra modellerna, det är nödvändigt för att bättre förstå de fysiska processerna och strålningseffekterna av moln och nederbörd.

För detta ändamål, Chiu och kollegor i Colorado, Storbritannien, och Finland började arbeta i juli 2018 med ett treårigt forskningsprojekt som tar upp ett bestående pussel av molnmikrofysik. Varför överstiger den observerade koncentrationen av ispartiklar i ett molnsystem ofta, av flera storleksordningar, det närliggande antalet primära iskärnor?

Kortfattat, varför görs så mycket is i moln av så få synliga ingredienser?

Forskare har ett namn för denna oväntade förbättring av ispartiklar:sekundär isproduktion, eller SIP.

Under de senaste 70 åren har forskare har antagit många mekanismer som kan förklara SIP, som beskrivs i denna granskningsrapport 2017 i Bulletin of the American Meteorological Society.

De tre mekanismerna av primärt intresse för Chiu, projektets huvudutredare (PI), få mycket uppmärksamhet i aktuella diskussioner. Men det är inte klart vilken som är den dominerande, eller hur SIP -initiering och bildning varierar med molntyper.

Chiu och hennes team tänker konfrontera dessa och andra SIP -processfrågor, och (viktigare) för att upptäcka hur dessa processer påverkar strålning och nederbörd.

Deras forskningsprojekt - för att bedöma SIP i kontinentala moln - finansieras av U.S. Department of Energy (DOE) Atmospheric System Research (ASR) -programmet.

Chiu har varit en del av ASR -forskning nästan kontinuerligt sedan 2006.

Fälgning, Skakande, och kollisioner

Bland de tre SIP -mekanismerna som Chiu fokuserar på är en som först antogs 1943. Rimsplittering uppstår när stora ispartiklar som snöflingor eller graupel (snöpellets) samlar superkylda vätskedroppar, genererar många isfläckar.

Fryst droppkrossning sker när större droppar fryser, sedan splinter. Ju lägre temperatur, ju högre hastigheter för krossning.

Is-kollision, den tredje hypotesen SIP -mekanism, händer när ömtåliga iskristaller, belagd med tunna nålar eller smala dendriter, brytas lätt upp vid kollisioner med varandra.

Vissa observationer och modelsimuleringar har antytt att de tre SIP -mekanismerna kan hända tillsammans, säger Chiu - men under vilka förutsättningar? "De mikrofysiska processerna är alldeles för komplicerade."

Dessutom, är SIP den viktigaste processen av allt? "Folk vet faktiskt inte, "säger hon." Men att veta början på ispartikelkoncentrationen är en viktig plats att gå. "

På jobbet

För att börja få några svar, "vi knäcker data nu, säger Chiu.

På CSU, i projektets första fas, hon arbetar med Nicholas Kedzuf, en masterstudent, att titta på data och upprätta en omfattande inventering av ispartikelegenskaper. ("Det är en absolut glädje att få arbeta med en så bra student, säger Chiu.)

Uppgifterna är från en fältekampanj 2014 i Finland som heter Biogenic Aerosols — Effects on Clouds and Climate (BAECC), stöds av DOE:s användaranläggning för atmosfärisk strålningsmätning (ARM).

ARM håller fasta långsiktiga och bärbara kortsiktiga atmosfäriska observatorier över hela världen. Den samlar också in, kvalitetskontroller, och arkiverar alla sina fältdata. (Chiu har använt ARM -data sedan 2003.)

BAECC utformades för att få viktiga detaljer om processer relaterade till aerosol, moln, och snöbildning som för närvarande inte är väl förstådd eller väl representerad i jordsystemmodeller.

Under fältkampanjen, forskare använde sammanfallande mätinstrumentmätningar, en första under en fältstudie av snö- och ismikrofysik.

Andra instrument gav de omfattande aerosolmätningarna som Chiu behöver för att beräkna antalet primära iskärnor. "Utan att veta koncentrationen av primära iskärnor, säger Chiu, "vi kommer inte att kunna veta om" sekundär "isproduktion sker."

Mätningar under BAECC samlades in i de frysta delarna av finska boreala skogar, ofta under djupa moln och kraftigt regn - vilket är användbart för ASR -projektets uppdrag.

"Sekundär isproduktion antas inträffa vid en ganska smal temperaturzon mellan minus-3 och minus-15 grader Celsius, "säger Chiu." Vi ville öka våra chanser att observera den isproduktionen. Hög breddgrad är vår idealiska miljö. "

Den unika, förstagångsfrekvensradarmätningar gjorda under BAECC omfattar en av de mest kompletta radardatauppsättningarna i ARM-arkivet, hon säger, men uppgifterna har ännu inte utnyttjats fullt ut.

Två BAECC-dataveteraner från Finland är samarbetspartners i Chius nuvarande ASR-projekt:Tuukka Petäjä vid Helsingfors universitet, och David Brus från Finlands meteorologiska institut.

Bättre modeller framåt

Passande, Chiu får sällskap av CSU:s V. Chandrasekar, en internationellt känd myndighet om radarsystem och co-PI för ASR-projektet.

"Radardata spelar en viktig roll i detta projekt, "säger hon." Chandrasekar hjälper oss att få ut det bästa av dessa radarobservationer. "

För att uppnå högsta datakvalitet för molnhämtningsmetoden, Chiu arbetar också nära med ARM radarinstrument mentorer Bradley Isom och Nitin Bharadwaj. Båda ligger vid Pacific Northwest National Laboratory i Richland, Washington.

En annan CSU -kollega hjälper till i ASR -projektet. Susan van den Heever, en expert på molnmikrofysik, övervakar det regionala atmosfäriska modelleringssystemet, eller RAMS. Modellen kommer att användas för att utvärdera projektets resultat.

Van den Heever säger att sekundära isprocesser spelar en stor roll i "nederbördsproduktion, molnstrålande tvingande, och städdynamik. "Desto större anledning att förstå dem bättre på processnivå, tillägger hon, och att representera dem i forsknings- och prognosmodeller.

För att sätta igång projektet, Chiu skrev vetenskapliga frågor samt algoritmen för molnhämtning. När hon och de andra är övertygade om deras molnhämtning, de kommer att köra RAMS för att testa deras nya förståelse för SIP.

"Om det lyckas, vi kommer med mer exakta sekundära isparameteriseringar, "säger Chiu." Det kommer att leda till modeller som bättre förutsäger isvatteninnehåll och strålning. "

I slutet, hon hoppas att projektet kommer att bidra till att förbättra hur ismikrofysik representeras i modeller och därför minska fel i uppskattad global nederbörd och strålning.

'Det är verkligen nytt'

Teamets mål är att fylla i kritiska kunskapsluckor om mikrofysiska processer, säger Chiu. "Moln är fortfarande på många sätt mystiska."

Det bredare uppdraget för projektet är att uppmärksamma behovet av långsiktiga, frekvent, robusta observationer för att karakterisera SIP -processer.

Historiskt sett utvärdering av rimsplittering och andra SIP -mekanismer beror på observationsdata från flygplan. Men Chiu och hennes team utarbetar en metod för att även införliva ARM:s kraftfulla markbaserade radar för att bättre kvantifiera ispartikelkoncentrationen.

Att införliva radar för att lösa SIP-pusslet "är ett högriskprojekt, "säger hon." Det är verkligen nytt. Vi försöker hämta något på sätt som ingen någonsin har gjort tidigare utanför laboratorie- eller flygdata. "

I några av hennes tidigare ASR -undersökningar, Chiu tog metodiska steg för att hämta mikrofysiska och optiska egenskaper, använder vad hon kallar "synergistiska" mätningar från molnradar, lidar, och kortvågsspektrometrar.

Chiu hittar sätt att dra nytta av hur moln och strålning påverkar fjärranalysobservationer. Till exempel, hon kombinerade solstrålningsmätningar och radarskivor för att hämta högupplöst, tredimensionella molnfält för första gången i både mulet och brutet moln.

Hon kallar det "ett viktigt steg för att förbättra vår förståelse av molnlivscykler och molnorganisation."

Chiu och hennes kollegor utvecklade också en ny metod för att samtidigt hämta vertikala profiler av både moln och duggregn. Det är välkänt att duggregn ofta dominerar observerad radarreflektivitet. De föreslog en väg runt det medan de använde aktiv fjärranalys på marina gränslagermoln.

Uppgifterna kom från åtta transekter av Stilla havet med ett containerfartyg från Horizon Lines utrustat med atmosfäriska instrument under fältkampanjen Marine ARM GPCI Investigation of Clouds (MAGIC) 2012 och 2013.

Chiu har också gjort fältforskning på Azorerna, fungerar som medforskare för kampanjen Aerosol och moln i östra Nordatlanten (ACE-ENA). Studiet av låga moln och marina gränslager aerosoler ägde rum sommaren 2017 och vintern 2018.

"Jag hittar de sammanflätade interaktionerna mellan duggregn, moln, aerosoler, dynamik, och strålande fascinerande, säger Chiu.

En väg till molnvetenskap

Modet att möta risker, och att resa långt för att uppnå sina mål, har präglat Chius liv hittills.

Född i Taiwan, och bra tidigt på matte och fysik, hon tog sin första vetenskapliga risk vid 13 års ålder. Fortfarande på gymnasiet, hon hade en fråga om kemi och skickade frimodigt den till legendariska Wu Ta-You, nu känd som "Fadern till kinesisk fysik".

Han skrev tillbaka ett 10-sidigt handskrivet svar. Det skakade henne av glädje.

"Du kan föreställa dig hur jag kände, "säger Chiu." Han listade flera argument och förklarade hur man skulle lösa frågan. Det var första gången jag såg att att veta svaret kanske inte är det viktigaste - att själva processen är roligare! "

Hon tillägger:"Jag var bara en liten flicka från en inte så väl utvecklad stad, så hans brev inspirerade och berörde mig verkligen. Jag är alltid tacksam för det. "

Istället för att vara astronaut

Kandidatexamen vid Taiwans National Central University gav Chiu sin första smak av atmosfärisk vetenskap - ett intresse som växte fram efter att hon insåg att hon inte kunde vara astronaut, her first science love. "I am severely nearsighted, " she confesses, "and get motion sickness."

At Purdue University in Indiana, Chiu earned her Ph.D., which took her deep into satellite observations for precipitation.

As a postdoctoral researcher, she joined the Joint Center for Earth Systems Technology at the University of Maryland, Baltimore County. På samma gång, Chiu was a researcher at NASA's Goddard Space Flight Center.

Her time at Goddard, says Chiu, "really shaped my whole career, " in part because of her mentors, Warren Wiscombe (now retired) and Alexander Marshak.

Then came a teaching and research stint at the University of Reading in the United Kingdom, where she joined a prestigious cloud remote sensing group. (A former Reading colleague, Shannon Mason, is a collaborator on the current ASR project.)

Since the fall of 2017, Chiu has been an associate professor at CSU, where her research group investigates remote sensing, radiative transfer, and the interactions of clouds, aerosoler, nederbörd, and radiation.

På samma gång, she sees clouds for what they also are:beautiful.

"I do enjoy, intellectually, working with observations, " says Chiu. "But I never look at clouds and wonder how many droplets they contain."