När en grumlig plym av is och vattenånga väller upp över toppen av ett kraftigt åskväder, det finns en god chans att en våldsam tornado, starka vindar eller hagel som är större än golfbollar kommer snart att kasta ner jorden.

En ny Stanford University-ledd studie, publicerad 10 september in Vetenskap , avslöjar den fysiska mekanismen för dessa plymer, som bildas ovanför de flesta av världens mest skadliga tornados.

Tidigare forskning har visat att de är lätta att upptäcka i satellitbilder, ofta 30 minuter eller mer innan hårt väder når marken. "Frågan är, varför är denna plym förknippad med de värsta förhållandena, och hur existerar det i första hand? Det är luckan som vi börjar fylla, sade atmosfärsforskaren Morgan O'Neill, huvudförfattare till den nya studien.

Forskningen kommer drygt en vecka efter att supercell-åskväder och tornados snurrade upp bland resterna av orkanen Ida när de hamnade i nordöstra USA, förvärrar förödelsen som orsakats över hela regionen av rekordstora nederbörd och översvämningar.

Att förstå hur och varför plymer tar form ovanför kraftiga åskväder kan hjälpa prognosmakare att känna igen liknande hotande faror och utfärda mer exakta varningar utan att förlita sig på Doppler-radarsystem, som kan slås ut av vind och hagel — och har blinda fläckar även goda dagar. I många delar av världen, Dopplerradartäckning är obefintlig.

"Om det blir en fruktansvärd orkan, vi kan se det från rymden. Vi kan inte se tromber eftersom de är gömda under åskväderstoppar. Vi måste förstå topparna bättre, sa O'Neill, som är biträdande professor i jordsystemvetenskap vid Stanfords School of Earth, Energi- och miljövetenskaper (Stanford Earth).

Supercellstormar och exploderande turbulens

De åskväder som ger upphov till de flesta tornados är kända som superceller, en sällsynt ras av storm med en roterande uppgång som kan sväva mot himlen i hastigheter över 150 miles i timmen, med tillräckligt med kraft för att slå igenom det vanliga locket på jordens troposfär, det lägsta lagret av vår atmosfär.

Vid svagare åskväder, stigande strömmar av fuktig luft tenderar att plana ut och spridas när de når detta lock, kallas tropopausen, bildar ett städformat moln. En supercell-åskväders intensiva uppgång pressar tropopausen uppåt in i nästa lager av atmosfären, skapa vad forskare kallar en överskjutande topp. "Det är som en fontän som trycker upp mot nästa lager av vår atmosfär, " sa O'Neill.

När vindar i den övre atmosfären rasar över och runt den utskjutande stormtoppen, de sparkar ibland upp strömmar av vattenånga och is, som skjuter in i stratosfären för att bilda kontrollampen, tekniskt kallad en Above-Anvil Cirrus Plume, eller AACP.

Den stigande luften från den överskjutande toppen rusar snart tillbaka mot troposfären, som en boll som accelererar nedåt efter att ha stigit uppåt. På samma gång, luft strömmar över kupolen i stratosfären och rusar sedan nedför den skyddade sidan.

Använda datorsimuleringar av idealiserade supercell-åskväder, O'Neill och kollegor upptäckte att detta framkallar en nedåtgående vindstorm vid tropopausen, där vindhastigheterna överstiger 240 miles per timme. "Torr luft som stiger ned från stratosfären och fuktig luft som stiger upp från troposfären ansluter sig till denna mycket smala, galet snabb jet. Strålen blir instabil och det hela blandas och exploderar i turbulens, "O'Neill sa. "Dessa hastigheter vid stormtoppen har aldrig observerats eller antagits tidigare."

Hydrauliskt hopp

Forskare har länge insett att överskjutande stormtoppar med fuktig luft som stiger upp i den övre atmosfären kan fungera som fasta hinder som blockerar eller omdirigerar luftflödet. Och det har föreslagits att vågor av fuktig luft som strömmar över dessa toppar kan bryta och lufta vatten i stratosfären. Men ingen forskning har hittills förklarat hur alla delar passar ihop.

Den nya modelleringen antyder att den explosion av turbulens i atmosfären som åtföljer plymstormar utvecklas genom ett fenomen som kallas ett hydrauliskt hopp. Samma mekanism är på gång när rusande vindar välter över berg och genererar turbulens på nedförsbacken, eller när vatten som rusar jämnt nerför en damms utlopp plötsligt bryter ut i skum när det går långsammare vatten nedanför.

Leonardo DaVinci observerade fenomenet i strömmande vatten redan på 1500-talet, och antika romare kan ha försökt begränsa hydrauliska hopp i akveduktdesigner. Men hittills har atmosfärsforskare bara sett dynamiken som induceras av solid topografi. Den nya modelleringen tyder på att ett hydrauliskt hopp också kan utlösas av vätskehinder i atmosfären som nästan helt består av luft och som ändrar form varje sekund, mil över jordens yta.

Simuleringarna tyder på att hoppets början sammanfaller med en förvånansvärt snabb injektion av vattenånga i stratosfären, uppemot 7000 kg per sekund. Det är två till fyra gånger högre än tidigare uppskattningar. När den väl når övervärlden, vattnet kan stanna där i dagar eller veckor, potentiellt påverka mängden och kvaliteten på solljus som når jorden via förstörelse av ozon i stratosfären och uppvärmning av planetens yta. "I våra simuleringar som visar plymer, vatten når djupt in i stratosfären, där det möjligen skulle kunna ha mer av en långsiktig klimatpåverkan, " sa medförfattaren Leigh Orf, en atmosfärsforskare vid University of Wisconsin-Madison.

Enligt O'Neill, NASA-forskningsflygplan på hög höjd har först nyligen fått förmågan att observera de tredimensionella vindarna på toppen av åskväder, och har ännu inte observerat AACP-produktion på nära håll. "Vi har tekniken nu för att verifiera våra modelleringsresultat för att se om de är realistiska, " sa O'Neill. "Det är verkligen en söt plats inom vetenskapen."