Klumpas vattendroppar inuti molnen? Forskare bekräftar två decennier av teori med ett luftburet bildinstrument.

Som regndroppar som sträcker sig över rutorna på din bil när du kör genom ett regnväder, vattendroppar i moln färdas i luftflödesströmlinjer - följer luftströmmar vanligtvis utan att röra dem. Dock, luften inuti molnen tenderar att vara turbulent, som vilken nervös flygare som helst kan intyga, och virvlande turbulent luft får droppar att samlas.

I 20 år, Atmosfärsforskare har gissat att vattendroppar verkligen samlas inuti moln, till stor del på grund av vetskapen om att turbulenta luftflöden är fulla av snurrande virvlar som blandar vätskor väl. Men moln virvlar i så stora skalor, att tvivel kvarstod om turbulensen simulerad av en dator eller genererad i ett laboratorium kunde översättas till atmosfären. Ett team av atmosfärsvetenskapliga forskare har tagit instrument till själva atmosfären, och har bekräftat att vattendroppar verkligen samlas i moln.

Artikeln, "Finskalig droppbildning i atmosfäriska moln:3-D radiell distributionsfunktion från luftburen digital holografi, " publicerades i november i tidskriften Fysiska granskningsbrev .

För att göra detta beslut, forskarna tog sina experiment till himlen, med hjälp av ett luftburet holografiskt instrument som kallas HOLODEC, förkortning för holografisk detektor för moln. Instrumentet är fixerat under vingen av Gulfstream-V högpresterande instrumenterade luftburna plattformar för miljöforskning som drivs av National Center for Atmospheric Research (NCAR) och National Science Foundation (NSF). HOLODEC liknar en klo, dess utsprång kan spela in tredimensionella bilder för att fånga formen, storlek och rumslig position för allt som passerar mellan.

"Klustersignalen som vi observerade är väldigt liten, så som ofta är fallet inom vetenskapen, en noggrann analys måste utföras för att upptäcka en liten signal och för att övertyga oss själva om att den var verklig, " sa Raymond Shaw, professor i fysik och föreståndare för det atmosfäriska forskarprogrammet.

Förlängd Across the Sky

Susanne Glienke, som var gästdoktorandforskare vid Michigan Technological University från Max-Planck Institute for Chemistry och Johannes Gutenberg-universitetet i Mainz, Tyskland, genomförde datainsamlingen och holografisk bildanalys. Hon skickade sedan informationen till Mike Larsen, docent vid College of Charleston och Michigan Tech alumn, som tittade på hur tätt droppar hopar sig genom att beräkna sannolikheten att hitta två droppar placerade på ett visst avstånd jämfört med sannolikheten att hitta dem på samma avstånd i en slumpmässigt fördelad miljö. Han bestämde att dropphopbildningen blir mer uttalad vid mindre avstånd mellan partiklar och partiklar.

"Om droppar samlas i molnen, de är mer benägna att kollidera, " Sa Glienke. "Kollisioner ökar hastigheten med vilken dropparna växer, och kan därför minska tiden som behövs tills nederbörden börjar."

Glienke noterar att kunskap om klustring förbättrar den allmänna kunskapen om moln och kan leda till förbättringar i att förutsäga molnens beteende:När kommer de att regna? Hur länge håller molnen?

Dessutom, förutom att påverka regn, klustring minskar också molnets livslängd. Om ett moln försvinner snabbare, det har ett mindre inflytande på strålningsbudgeten – och påverkar det globala klimatet, om många moln är inblandade.

Experimentet krävde ett långt kontinuerligt prov, flyger planet genom stratocumulus molndäck på konstant höjd.

"Vi var inte säkra på om vi skulle kunna upptäcka en signal, " Sa Shaw. "Molnen vi provade är svagt turbulenta, men har fördelen av att vara utspridda över hundratals kilometer, så vi kunde prova och snitta under lång tid."

Marina moln beter sig annorlunda än moln över land. Kontinentala moln har vanligtvis mindre droppar, på grund av mer rikliga molnkondensationskärnor, som behövs för att vatten ska kondensera på. Kontinentala moln, som vanligtvis är mer turbulenta, är mer benägna att ha samlade droppar.

Himlen är gränsen

Eftersom molnen som undersöktes i studien inte var särskilt turbulenta, vilket innebar att en slumpmässig fördelning av droppar var mer sannolikt, det gjorde förekomsten av klustrade droppar desto viktigare.

"Vi var glada och skeptiska på samma gång, när vi först såg en signal komma från mycket brusiga data, ", sade Shaw. "Det krävdes mycket diskussion och testning för att bli säker på att signalen var signifikant och inte en instrumentell artefakt.

Shaw noterar att denna validering är viktig för atmosfärsvetenskapen eftersom den detekterade klustringssignalen överensstämmer med koncept som utvecklats under de senaste två decennierna, baserad på labb och teoretiskt arbete.

"I moln med mer intensiv turbulens, klustringssignalen kan vara mycket starkare, och kan påverka hastigheten med vilken molndroppar kolliderar för att bilda duggregn, "Shaw sa. "Men exakt hur det händer kommer att behöva mer arbete."

Forskningen visar att det fortfarande finns mycket att lära om moln och deras effekter på planeten.