I årtionden, att förstå beteendet hos ett kärnsvampmoln gjordes med noggrann analys av observationer som gjordes under testeran. Gamla foton, föråldrad film och ofullständig väderdata gjorde exakta beräkningar svåra. Nu, med resultat publicerade i Atmosfärisk miljö , Forskare från Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) förbättrar vår förståelse av nukleär molnuppgång med hjälp av ett allmänt antaget och starkt validerat vädermodelleringsverktyg.

Weather Research and Forecasting (WRF)-modellen har varit en stöttepelare i väderprognoser och molnmodellering i decennier. Modellens källkod underhålls av National Center for Atmospheric Research, men det är samhällsutvecklat, med hjälp av flera bidrag från forskare vid LLNL. Särskilt, LLNL-versionen av WRF används vid National Atmospheric Release Advisory Center för att simulera rörelsen och turbulensen hos luftburna partiklar som strömmar runt terrängdetaljer och byggnader. Jämfört med simuleringar med lägre kvalitet som ofta används för att modellera molnuppgång för nödsituationer, en WRF-baserad modell av ett kärnmoln innehåller tidsvarierande väder för den exakta platsen som studeras. Denna anpassningsförmåga och höga upplösning tilltalade en av tidningens författare, Livermores maskiningenjör Katie Lundquist.

"Eftersom vi har så mycket erfarenhet av att utveckla modellen för mätarupplösningar, vi tyckte att den här modellen var mycket väl lämpad för att modellera molnuppgång, " sa hon. Ytterligare medförfattare på tidningen inkluderar Robert Arthur, Jeffrey Mirocha, Stephanie Neuscamman, Yuliya Kanarska och John Nasström.

Medan många av de amerikanska atmosfäriska testerna gjordes i den torra miljön i Nevada, Lundquist sa:en framtida kärnkraftshändelse kan inträffa var som helst.

"Du måste använda en modell som har prediktiva möjligheter för dessa komplicerade miljöer, ", sa hon. "En vädermodell är det perfekta valet eftersom den används operativt för att förutsäga väder över hela världen."

Forskarna använde 8 maj, 1953 "Encore"-händelse som en grund för att testa deras WRF-hypotes. Genom att använda globala atmosfäriska omanalysdata för att simulera förhållanden på det datumet, de matade WRF-modellen med parametrarna för ett nukleärt eldklot och slog in upplösningen därefter. Efter att ha kört modellen, deras simulering matchade bilderna från 1953 anmärkningsvärt väl.

"Vi blev chockade över att det stämde så bra, sa Lundquist, som nyligen pratade med LiveScience om hur svampmoln bildas vid en kärnvapenexplosion. "Simuleringen av molnstigningen kan matcha stighastigheten och stabiliseringshöjden, samt små kvalitativa egenskaper som torusens lutning i molnet och tidpunkten för torusen att bryta ner till ett mer turbulent moln. Vi var mycket nöjda med våra resultat, och förvånad över att vi behövde göra väldigt lite justeringar för att få dessa resultat att se lika bra ut som de gör."

En del av krediten tillhör WRF-modellen, sa Lee Glascoe, LLNL Nuclear Emergency Support Team Programledare. "Denna vädermodell har använts i cirka 20 år, och så mycket validering har lagts ner på den här modellen, " sa han. "Jag tror att vi drar nytta av de senaste 20 åren av väderforskning och prognoser som har hänt inom denna modell. Det är verkligen ett bra verktyg för det vi gör."

Finansiering för forskningen om molnuppgång kom från Laboratory Directed Research and Development-programmet och Office of Nuclear Incident Response, medan finansiering för högupplösta modelleringsmöjligheter också har kommit från Department of Energy's Wind Energy Technologies Office.

Glascoe tillade att forskningen skulle ha varit omöjlig utan de högupplösta simuleringsmöjligheterna som Lundquist och hennes team utvecklat och införlivat i WRF-modellen. Den förbättrade sofistikeringen av WRF gör att molnsimuleringen kan förutsäga "regn ute" av radioaktiva partiklar, särskilt någonstans med mer luftfuktighet. Allt innovativt arbete på Lawrence Livermore skapar en modell som kan tillämpas på ett brett spektrum av miljöförhållanden, från en torr, landsbygdsmiljö som testplatsen i Nevada, till en fuktig miljö eller ett tätbefolkat tätortsområde.

"Ingen har kapacitet för det förutom Livermore, ", sa Lundquist. "Det hela kommer tillbaka till tanken att vi måste förutse konsekvenserna av farliga utsläpp i atmosfären. Vi har det operativa uppdraget att göra det. All denna forskning kommer att hamna i operationer och förbättra våra förutsägelser."