Ovanför Atlanten, svullna vita moln skurar över himlen som omges av osynliga passatvindar. De är inte särskilt stora, imponerande eller förlängd, "säger Dr Sandrine Bony, en klimatolog och forskningsdirektör vid French National Center for Scientific Research. "Men de är de mest utbredda molnen på jorden."

Moln är ett av de största frågetecknen i globala klimatmodeller, och ett jokertecken för att förutsäga vad som kommer att hända med klimatet när temperaturen stiger. De spelar en viktig roll för hur mycket av solens strålning som gör det till och fastnar i vår atmosfär. Ju fler moln det finns, desto mer strålning studsar från topparna och reflekteras tillbaka ut i rymden; det betyder också att om det finns fler moln, strålningen som reflekteras av jorden fastnar. Historiskt sett har forskare kämpat för att förstå molnegenskaper, hur de för närvarande beter sig, och hur de kommer att reagera på de ökade temperaturerna som orsakas av klimatförändringarna.

Det handlar om en skala, förklarar Dr Bony. Från atomernas mikroskopiska interaktioner till atmosfärströmmar som verkar över tusentals kilometer, många krafter påverkar hur moln bildas, deras sammansättning och beteende.

Molnen som liknar bomull i Atlanten, som Dr Bony och hennes kollegor studerar, är ett bra exempel. "En liten förändring i deras egenskaper har en enorm inverkan på den globala strålningsbalansen (balansen mellan hur mycket av solens energi som gör det i jordens atmosfär och hur mycket som rymmer), "sa hon. Eftersom dessa moln i fint väder (känt som kumuliforma moln) är så vanliga, en liten förändring har ”enorm” statistisk tyngd i det globala klimatet.

"Det är den största frågan - det finns ingen större fråga, "sade professor Björn Stevens, en direktör för Max Planck Institute for Meteorology i Tyskland och Dr. Bonys medledare för EUREC4A-projektet som undersökte dessa fluffiga vita moln. "I 50 år, människor har gjort klimatprognoser, men alla har haft en falsk representation av moln. "Dessa prognoser, han säger, har lidit av en otillräcklig förståelse för de faktorer som avgör hur grumligt klimatet kommer att bli och inte har representerats korrekt i modellerna.

Fältförsök

EUREC4A -projektet, som började som ett blygsamt fältförsök för att mäta luftrörelse och grumlighet, lockade många partners och utvidgades. I slutet, det omfattade fem bemannade och sex fjärrstyrda forskningsflygplan, fyra havsforskande fartyg, en flottilj av drifters och segelflygplan, en rad satelliter, och mätningar från Barbados Cloud Observatory.

"Experimentet växte i komplexitet och omfattning för att ta upp ett antal andra fascinerande frågor, "sade professor Stevens, som hur mycket och hur lätt moln regnar, och hur virvlar i havet och molnen ovan påverkar varandra. Teamet skriver just nu sina resultat, och hoppas att deras mätningar kommer att ge svaren på dessa frågor. "Vi kommer att sätta grunden för en ny uppsättning klimatmodeller, " han sa.

För Dr. Bony, nästa steg sträcker sig bortom att förstå molnegenskaper och det område de täcker.

"Nu, vi upptäcker att det inte bara är den totala ytan, men också hur moln distribueras och organiseras, "sa hon. Mönstren som de bildar kan också påverka hur de blockerar eller absorberar strålning, och denna information kan ha konsekvenser för molnens roll i klimatförändringen.

Dr Jan Härter, en specialist på atmosfärisk komplexitet vid Leibniz Center for Tropical Marine Research, Jacobs University Bremen, Tyskland och Niels Bohr -institutet i Danmark, undersöker denna fråga i sitt INTERAKTION -projekt. "Många typer av moln visar funktioner i organisationen, men åskmoln (i tropikerna) visar självorganisation, "sa han. INTERAKTION ser på hur åskväder samlas, använda simulering samt utveckla grundläggande modeller för deras beteende.

Självorganisation

Moln kan organisera sig av många skäl, som när de befinner sig ovanför ett stadsområde som tenderar att vara varmare än landsbygden på grund av all betong och asfalt. Självorganisation uppstår när moln bildas och samlas även om förhållandena nedanför och solljuset ovanför dem är enhetliga.

Åskväder, känd som cumulonimbus (som kommer från det latinska cumulus 'heaped' och nimbus 'rainstorm'), är höga vertikala moln som ofta ger regn. Dessa moln är den dominerande molntypen i tropikerna och är också nyckeln till att förstå den globala strålningsbalansen. "De är på den breddgrad där det mesta av värmen kommer till jorden, och solens strålning är mycket starkare där, "sade Dr Härter. Dessa tornliknande moln påverkar hur mycket solljus som kommer in i atmosfären, som har direkta konsekvenser för uppvärmningen.

"Frågan är hur mycket dessa höga moln förändras i kluster när, till exempel, temperaturförändringar, "sa han. Men som de flesta frågor som rör moln, detta är en svår fråga att svara på.

INTERAKTION närmar sig saken från två olika perspektiv:det ena är att köra simuleringar, som kräver mycket datortid, och en annan är att utveckla "leksaks" -modeller som förklarar grundläggande åskväder-molninteraktioner.

"Toy -modeller är mycket grundläggande simuleringar som talar om de grundläggande interaktionerna mellan åskmoln. Till exempel, Dr Härter och hans kollegor försöker förstå hur dessa moln "talar" till varandra och organiserar sig själva genom att bryta ner dessa komplexa fysiska interaktioner i sina grundkomponenter.

När det är åskväder, det mesta av regnet faller till marken men en del av det avdunstar i luften under molnet. Denna luft, efter att ha införlivat den kyliga fukten, blir en kall pool, "Härter förklarar." Denna avdunstning är avgörande för att kommunicera signaler från ett moln till ett annat. "

Om det finns hundratals och tusentals moln i ett stort område, de kalla poolerna under dem stöter på varandra, trycka luften upp i de kallare delarna av atmosfären och så nya moln av åskväder.

En av deras "leksaks" -modeller visar hur dessa kalla pooler interagerar och denna cykel - av kalla pooler som kolliderar och genererar nya moln - kan pågå i generationer (en varar cirka sex timmar) moln, kodar minnen från tidigare moln och stormar in i det aktuella molnet. The cold pools can continue to influence cloud generation for weeks.

These very basic models are necessary, says Dr. Härter, in order to remove some of the unknowns for simulating cloud behaviour, such as how these cold pools interact. The team's simulations already incorporate parameters such as wind speed, humidity, temperatur, and cloud composition, which is the different ratios of water, is, and an icy mixture called graupel.

Echoing EUREC4A's Dr. Bony and Prof. Stevens, Dr. Härter said:"We don't know how clouds work, especially these thunderstorm clouds that take place at scales that are hard or impossible to resolve with the current climate models."

Simulation

To take the sheer scale of cloud and their driving forces into consideration, an accurate simulation would have to include disparate variables from the motion of atoms and the energy they dissipate (nanometres) through to the Earth's rotation and global winds on the scale of about 10, 000km. "The very best we can do for, säga, a week of simulations is to resolve (the 100-metre scale) for an area of one kilometre by one kilometre, or so, " he said. "And that is a big simulation."

The ultimate goal of the project is to have a model for cloud organisation that captures the interactions between past and present thunderstorm clouds, and feed this information into the next generation of climate models. The next step is to begin a field work and feed new measurements into their models.

"We need to have a clearer understanding of the different cloud-system feedbacks to make a strong statement on climate change here, " Dr. Härter said. "The models have different ways of representing tall clouds and low clouds, and that is something that cannot be resolved without closer observational data."

And in order to prepare for a warming climate, and predict how the world's insulating cloud layer will change, first we need to understand how it operates now.