Var kommer snön ifrån? Det här kan tyckas vara en enkel fråga att fundera på när halva planeten kommer fram från en säsong av att se nyckfulla flingor falla från himlen – och skyffla dem från uppfarter. Men en ny studie om hur vatten blir till is i lätt underkylda arktiska moln kan få dig att tänka om enkelheten i de fluffiga grejerna. Studien, publicerad av forskare från det amerikanska energidepartementets (DOE) Brookhaven National Laboratory i Proceedings of the National Academy of Sciences , inkluderar nya direkta bevis på att sprängande duggregn droppar driver explosiva "isförökning"-händelser. Fynden har konsekvenser för väderprognoser, klimatmodellering, vattenförsörjning – och till och med energi- och transportinfrastruktur.

"Våra resultat kastar nytt ljus över tidigare labexperimentbaserad förståelse om hur underkylda vattendroppar - vatten som fortfarande är flytande under fryspunkten - förvandlas till is och så småningom snö, " sa Brookhaven Labs atmosfärforskare Edward Luke, huvudförfattaren på tidningen. De nya resultaten, från verkliga långtidsmolnradar och väderballongmätningar i moln i blandade faser (som består av flytande vatten och is) vid temperaturer mellan 0 och -10 grader Celsius (32 och 14° Fahrenheit), tillhandahålla bevis för att isande fragmentering av duggregn är viktig för hur mycket is som kommer att bildas och potentiellt falla från dessa moln som snö.

"Nu kan klimatmodeller och väderprognosmodeller som används för att bestämma hur mycket snö du måste skotta göra ett steg framåt genom att använda mycket mer realistisk fysik för att simulera "sekundär" isbildning, " sa Luke.

Vad är sekundär is?

Utfällande snö från underkylda moln kommer vanligtvis från "primära" ispartiklar, som bildas när vatten kristalliserar på utvalda små dammfläckar eller aerosoler i atmosfären, kända som iskärnbildande partiklar. Dock, vid lätt underkylda temperaturer (d.v.s. 0 till -10°C), flygplansobservationer har visat att moln kan innehålla mycket fler iskristaller än vad som kan förklaras av de relativt få is-kärnbildande partiklar som finns. Detta fenomen har förbryllat den atmosfäriska forskarvärlden i årtionden. Forskare har trott att förklaringen är "sekundär" isproduktion, där de ytterligare ispartiklarna genereras från andra ispartiklar. Men att fånga processen i aktion i den naturliga miljön har varit svårt.

Tidigare förklaringar till hur sekundära isformer förlitade sig främst på laboratorieexperiment och begränsade, kortsiktiga flygplansbaserade provtagningsflygningar. En vanlig uppfattning som kom från flera labbexperiment var att relativt stora, snabbt fallande ispartiklar, kallas rimers, kan "samla" och frysa små, underkylda molndroppar – som sedan producerar fler små ispartiklar, kallas splitter. Men det visar sig att sådan "rimsplittring" inte är nästan hela historien.

De nya resultaten från Arktis visar att större underkylda vattendroppar, klassas som duggregn, spelar en mycket viktigare roll för att producera sekundära ispartiklar än vad man brukar tro.

"När en ispartikel träffar en av dessa duggregn, det utlöser frysning, som först bildar ett fast isskal runt droppen, " förklarade Fan Yang, en medförfattare på tidningen. "Sedan, när frysningen rör sig inåt, trycket börjar byggas eftersom vattnet expanderar när det fryser. Det trycket får duggregnet att splittras, genererar fler ispartiklar."

Uppgifterna visar att denna "frysande fragmentering"-process kan vara explosiv.

"Om du hade en ispartikel som utlöste produktionen av en annan ispartikel, det skulle inte ha så stor betydelse, " sa Luke. "Men vi har tillhandahållit bevis för att med denna kaskadprocess, frysning av duggregn kan öka ispartikelkoncentrationerna i moln med 10 till 100 gånger – och till och med 1, 000 vid tillfälle!

"Våra fynd kan ge den felande länken för obalansen mellan bristen på primära iskärnbildande partiklar och snöfall från dessa lätt underkylda moln."

Miljontals prover

De nya resultaten är beroende av sex års data som samlats in av en uppåtriktad millimetervåglängdsdopplerradar vid DOE Atmospheric Radiation Measurement (ARM) användaranläggningens North Slope of Alaska atmosfäriskt observatorium i Utqiagvik (tidigare Barrow), Alaska. Radardata kompletteras med mätningar av temperatur, fuktighet, och andra atmosfäriska förhållanden insamlade av väderballonger som skjutits upp från Utqiagvik under hela studieperioden.

Brookhaven Lab atmosfärsforskare och studiemedförfattare Pavlos Kollias, som också är professor i atmosfärsvetenskap vid Stony Brook University, var avgörande för insamlingen av dessa millimetervåglängds radardata på ett sätt som gjorde det möjligt för forskarna att härleda hur sekundär is bildades.

"ARM har banat väg för användningen av kortvågiga molnradarer sedan 1990-talet för att bättre förstå molns mikrofysiska processer och hur de påverkar vädret på jorden idag. Vårt team ledde optimeringen av sin datasamplingsstrategi så att information om moln och nederbördsprocesser som t.ex. en som presenteras i denna studie kan erhållas, sa Kollias.

Radarns våglängd i millimeterskala gör den unikt känslig för storleken på ispartiklar och vattendroppar i moln. Dess dubbla polarisering ger information om partikelform, gör det möjligt för forskare att identifiera nålliknande iskristaller - den föredragna formen av sekundära ispartiklar i lätt underkylda molnförhållanden. Dopplerspektraobservationer som registreras med några sekunders mellanrum ger information om hur många partiklar som finns och hur snabbt de faller mot marken. Denna information är avgörande för att ta reda på var det finns rimers, dugga, och sekundära ispartiklar.

Med hjälp av sofistikerade automatiserade analystekniker utvecklade av Luke, Yang, och Kollias, forskarna skannade igenom miljontals av dessa Doppler-radarspektra för att sortera partiklarna i datahinkar efter storlek och form – och matchade data med samtidiga väderballongobservationer om närvaron av underkylt molnvatten, temperatur, och andra variabler. Den detaljerade datautvinningen gjorde det möjligt för dem att jämföra antalet sekundära isnålar som genererades under olika förhållanden:i närvaro av bara rimers, rimers plus duggregn, eller bara duggregna.

"Den stora mängden observationer tillåter oss för första gången att lyfta den sekundära issignalen ur "bakgrundsbruset" från alla andra atmosfäriska processer som äger rum - och kvantifiera hur och under vilka omständigheter sekundära ishändelser inträffar, " sa Luke.

Resultaten var tydliga:förhållanden med underkylda duggregn gav dramatiska isförökningshändelser, många fler än rimers.

Kort- och långsiktiga effekter

Dessa verkliga data ger forskarna möjligheten att kvantifiera "ismultiplikationsfaktorn" för olika molnförhållanden, vilket kommer att förbättra noggrannheten i klimatmodeller och väderprognoser.

"Väderprognosmodeller kan inte hantera hela komplexiteten i molnets mikrofysiska processer. Vi måste hushålla med beräkningarna, annars skulle du aldrig få en prognos, sa Andrew Vogelmann, en annan medförfattare till studien. "Att göra det, du måste ta reda på vilka aspekter av fysiken som är viktigast, och sedan redogöra för den fysiken så exakt och enkelt som möjligt i modellen. Denna studie gör det klart att det är viktigt att veta om duggregn i dessa moln med blandade faser."

Förutom att hjälpa dig att budgetera hur mycket extra tid du behöver för att skotta din uppfart och ta dig till jobbet, en tydligare förståelse för vad som driver sekundär isbildning kan hjälpa forskare att bättre förutsäga hur mycket snö som kommer att samlas i vattendelar för att ge dricksvatten under hela året. De nya uppgifterna kommer också att bidra till att förbättra vår förståelse av hur länge molnen kommer att stanna kvar, vilket har viktiga konsekvenser för klimatet.

"Fler ispartiklar som genereras av sekundär isproduktion kommer att ha en enorm inverkan på nederbörden, solstrålning (hur mycket solljusmoln reflekterar tillbaka till rymden), vattnets kretslopp, och utvecklingen av moln med blandade faser, " sa Yang.

Molnets livslängd är särskilt viktig för klimatet i Arktis, Luke och Vogelmann noterade, och det arktiska klimatet är mycket viktigt för den övergripande energibalansen på jorden.

"Blandfasmoln, som har både underkylt flytande vatten och ispartiklar, kan pågå i veckor i sträck i Arktis, " sa Vogelmann. "Men om du har en hel massa ispartiklar, molnet kan rensas ut efter att de växer och faller till marken som snö. Då har du solljus som kan gå rakt igenom för att börja värma upp marken eller havsytan."

Det kan förändra säsongsvariationen av snö och is på marken, orsakar smältning och sedan ännu mindre reflektion av solljus och mer uppvärmning.

"Om vi ​​i en klimatmodell kan förutsäga att något kommer att förändra balansen i isbildningen, dugga, och andra faktorer, då kommer vi att ha en bättre förmåga att förutse vad vi kan förvänta oss i framtida väder och klimat, och eventuellt vara bättre förberedda på dessa effekter, " sa Luke.