Ett team ledd av atmosfäriska vetenskapsmän vid det amerikanska energidepartementets Brookhaven National Laboratory har demonstrerat de första fjärrobservationerna någonsin av den finskaliga strukturen vid molnbasen. Resultaten, precis publicerade i npj Climate and Atmospheric Science , visar att luft-molngränssnittet inte är en perfekt gräns utan snarare är en övergångszon där aerosolpartiklar suspenderade i jordens atmosfär ger upphov till de droppar som i slutändan bildar moln.
"Vi är intresserade av den här "dropparaktiveringszonen", där de flesta molndroppar initialt bildas vid molnbasen, eftersom antalet droppar som bildas där kommer att påverka molnets senare stadier och egenskaper – inklusive hur mycket solljus ett moln reflekterar och sannolikheten för nederbörd," sa Brookhaven atmosfärforskare Fan Yang, den första författaren på tidningen.
"Om det finns fler aerosoler i atmosfären, tenderar moln att ha fler droppar, men dropparna kommer var och en att vara mindre, vilket betyder att de kan reflektera mer solljus," sa Yang. "Detta kan hjälpa till att kyla vår värmande jord," noterade han.
Men för att exakt förutsäga effekterna av dessa aerosol-molninteraktioner på klimatsystemet behöver forskare ett sätt att mäta antalet molndroppskoncentrationer – utan att behöva flyga upp i massor av moln för att samla in prover.
"Detta är fortfarande en av de största utmaningarna inom vårt område," sa Yang.
De nya mätningarna och metoden för fjärranalys ger ett nytt sätt att uppskatta droppkoncentrationen, vilket kommer att göra det möjligt för forskare att få insikt i hur förändringar i atmosfäriska aerosolnivåer kan påverka moln och klimat.
Atmosfäriska lidarer – som skickar laserstrålar till atmosfären och mäter signalerna från ljus som sprids tillbaka från molekyler, aerosoler och molndroppar i atmosfären – har använts i stor utsträckning för att mäta avståndet till molnbasen. Men traditionella lidarer kan inte lösa detaljerade strukturer inom molnbasen eftersom de vanligtvis har en upplösning på 10 meter eller mer.
"Tio meter är som höjden på en byggnad", sa Yang och noterade den här skalans förmåga att upptäcka stora föremål. "Men för att veta hur många våningar eller fönster den byggnaden har, skulle du behöva mycket bättre upplösning."
För att se detaljer inom molnbasen arbetade Brookhaven-teamet med kollegor vid Stevens Institute of Technology (SIT) och Raymetrics S.A. för att bygga en ny typ av lidar. Deras enhet, som beskrivs i en tidigare publikation, är en tidsstyrd, tidskorrelerad, singelfotonräkningslidar (T2 lidar) med en upplösning ner till 10 centimeter. Det är två storleksordningar högre upplösning än traditionella atmosfäriska lidarer.
"Med en så hög upplösning avslöjar T2 lidar-observationerna övergångszonen där aerosolpartiklar absorberar vattenånga för att omvandlas till molndroppar," sa Yang.
"Vi använde våra oöverträffade finskaliga T2-observationer av molnbasregionen för att utveckla en teoretisk modell för att uppskatta molndroppskoncentration baserat på T2-uppmätta backscatter-signaler," tillade han.
En unik egenskap hos T2 lidar är tillämpningen av time-gating-tekniken – vilket tvingar detektorn att öppna sitt "öga" för att göra mätningar i ett smalt observationsfönster i atmosfären.
"Den här tidsinställningen tillåter oss att "titta" på en specifik region av intresse i molnet. Detta skiljer sig från en konventionell lidar, där lidarens "öga" i allmänhet är öppet och är redo att fånga tillbakaspridda fotoner nästan hela tiden ", sa Yang.
Genom att ställa in tidsfördröjningen mellan T2-lidarens laserpuls och ögonöppningen till olika tidsintervall, kan forskarna prova signaler i olika regioner genom molnet.
Enheten har också en mycket hög repetitionsfrekvens och avfyrar 20 000 laserpulser per sekund.
"Vi kan lära oss om molnegenskaper från hur de bakåtspridda signalerna fördelas inom observationsfönstret," sa Yang.
För att göra tekniken verkligen användbar för exakta fjärrmätningar i den verkliga världen, måste T2 lidar kalibreras ordentligt. Det vill säga, forskare måste till fullo förstå hur de uppmätta ljussignalerna matchar de verkliga molnegenskaperna så att de kan finjustera beräkningsalgoritmerna de har skrivit för att relatera den ena till den andra.
Traditionella lidarmätningar av atmosfäriska moln korskontrolleras och kalibreras ibland genom att flyga ett flygplan genom moln för att fånga droppprover. Forskare försöker kalibrera lidar-avläsningarna med de "sanna" egenskaperna hos droppar från in-situ flygplansmätningar.
"Problemet är att fjärranalys och mätningar på plats vanligtvis inte är samlokaliserade", sa Yang. Det vill säga, det är högst osannolikt att en uppåtriktad lidar med en grov upplösning och ett plan som flyger horisontellt för att samla in en tunn provström samtidigt samlar in data om samma del av molnet.
För att förbättra den här situationen använder Brookhaven och SIT-teamet en teknik som liknar den de använde i T2 lidar för att bygga en lidar med ännu finare upplösning – ner till en centimeter. Genom att använda denna högupplösta lidar för att göra observationer i en labbbaserad molnkammare, kommer de att kunna matcha backspridningssignaler med in-situ mätningar av molnets fysiska egenskaper tagna samtidigt och på samma plats.
"Då kan vi ta lidaren tillbaka ut i den verkliga atmosfären och vara mer säkra på hur våra lidarmätningar relaterar till molnegenskaper som droppantal, koncentration och distribution," sa Yang.
"Detta är bara en början," noterade Yang. "Vår studie belyser fördelarna med att tillämpa avancerad teknik för att observera atmosfäriska moln på submeterskala, vilket kan öppna upp nya vägar för att främja vår förståelse av molnets mikrofysiska egenskaper och processer som är avgörande för väder och klimat."
Mer information: Fan Yang et al, A single-photon lidar observerar atmosfäriska moln på decimeterskala:löser droppaktivering inom molnbasen, npj Climate and Atmospheric Science (2024). DOI:10.1038/s41612-024-00644-y
Journalinformation: npj Climate and Atmospheric Science
Tillhandahålls av Brookhaven National Laboratory
