Ett vinterlandskap påminner om högar av fluffig, glittrande snö. Men för att nå marken svepas snöflingor in i den turbulenta atmosfären och virvlar genom luften istället för att rasa direkt mot marken.
Nederbördsvägen är komplex men viktig för mer än bara skidåkare som bedömer det potentiella pudret på sin alpina semester eller skolbarn som hoppas på en snödag. Att bestämma snöflingans fallhastighet är avgörande för att förutsäga vädermönster och mäta klimatförändringar.
I Physics of Fluids , rapporterar forskare från University of Utah snöflingaccelerationer i atmosfärisk turbulens. De fann att oavsett turbulens eller snöflingatyp följer accelerationen ett universellt statistiskt mönster som kan beskrivas som en exponentiell fördelning.
Artikeln, "A universal scaling law for Lagrangian snowflake accelerations in atmospheric turbulence", är författad av Dhiraj Kumar Singh, Eric R. Pardyjak och Timothy Garrett.
"Även i tropikerna börjar nederbörden ofta sin livstid som snö", säger författaren Timothy Garrett. "Hur snabbt nederbörden faller påverkar i hög grad stormens livslängder och banor och omfattningen av molntäcket som kan förstärka eller minska klimatförändringarna. Bara små justeringar i modellrepresentationer av snöflingans fallhastighet kan ha viktiga effekter på både stormprognoser och hur snabbt klimatet kan förväntas att värma för en given nivå av förhöjda växthusgaskoncentrationer."
Laget satt upp i ett skidområde nära Salt Lake City och kämpade mot en aldrig tidigare skådad 900 tum snö. De filmade samtidigt snöfall och mätte atmosfärisk turbulens. Med hjälp av en enhet som de uppfann som använder ett laserljusark, samlade de information om snöflingornas massa, storlek och densitet.
"Generellt, som förväntat, finner vi att "fluffiga" snöflingor med låg densitet är mest mottagliga för omgivande turbulenta virvlar," sa Garrett.
Trots systemets komplexitet fann teamet att snöflingaccelerationer följer en exponentiell frekvensfördelning med en exponent på tre halvor. När de analyserade sina data upptäckte de också att fluktuationer i terminalhastighetsfrekvensfördelningen följde samma mönster.
"Snöflingor är komplicerade, och turbulensen är oregelbunden. Problemets enkelhet är faktiskt ganska mystisk, särskilt med tanke på att det finns denna överensstämmelse mellan variabiliteten av terminalhastigheter - något som till synes oberoende av turbulens - och accelerationer av snöflingorna när de lokalt stöts av turbulens", sa Garrett.
Eftersom storleken bestämmer terminalhastigheten är en möjlig förklaring att turbulensen i molnen som påverkar snöflingans storlek är relaterad till turbulensen som uppmätts vid marken. Ändå förblir faktorn tre halvor ett mysterium.
Forskarna kommer att se över sitt experiment i vinter och använda en dimma av oljedroppar för att få en närmare titt på turbulens och dess inverkan på snöflingor.
Mer information: Dhiraj Kumar Singh et al, A universal scaling law for Lagrangian snowflake accelerations in atmospheric turbulence, Physics of Fluids (2023). DOI:10.1063/5.0173359
Journalinformation: Fysik av vätskor
Tillhandahålls av American Institute of Physics
