Origines explosives de la glace et de la neige “ secondaires ” – Technoguide

D’où vient la neige? Cela peut sembler une question simple à se poser alors que la moitié de la planète émerge d’une saison à regarder des flocons fantaisistes tomber du ciel – et à les pelleter des allées. Mais une nouvelle étude sur la façon dont l’eau se transforme en glace dans des nuages ​​arctiques légèrement surfondus pourrait vous faire repenser la simplicité de la matière pelucheuse. L’étude, publiée par des scientifiques du laboratoire national de Brookhaven du département américain de l’énergie (DOE) dans les actes de la National Academy of Sciences, comprend de nouvelles preuves directes que des gouttelettes de bruine éclatantes provoquent des événements de «multiplication de glace» explosifs. Les résultats ont des implications pour les prévisions météorologiques, la modélisation du climat, l’approvisionnement en eau – et même les infrastructures énergétiques et de transport.

«Nos résultats jettent un nouvel éclairage sur la compréhension antérieure basée sur des expériences de laboratoire sur la façon dont les gouttelettes d’eau surfondues – de l’eau qui est encore liquide en dessous de son point de congélation – se transforment en glace et éventuellement en neige», a déclaré Edward Luke, le scientifique atmosphérique du Brookhaven Lab, auteur principal sur le papier. Les nouveaux résultats, issus de mesures réelles de radar de nuages ​​à long terme et de ballons météorologiques dans des nuages ​​à phase mixte (composés d’eau liquide et de glace) à des températures comprises entre 0 et -10 degrés Celsius (32 et 14 ° Fahrenheit), fournissent des preuves que la fragmentation glaciale des gouttes de bruine est importante pour la quantité de glace qui se formera et tombera potentiellement de ces nuages ​​sous forme de neige.

«Désormais, les modèles climatiques et les modèles de prévisions météorologiques utilisés pour déterminer la quantité de neige que vous devrez pelleter peuvent faire un bond en avant en utilisant une physique beaucoup plus réaliste pour simuler la formation de glace« secondaire »», a déclaré Luke.

Qu’est-ce que la glace secondaire?

La neige qui précipite des nuages ​​surfondus provient généralement de particules de glace «primaires», qui se forment lorsque l’eau se cristallise sur de minuscules grains de poussière ou d’aérosols dans l’atmosphère, appelés particules de nucléation de la glace. Cependant, à des températures légèrement surfondues (c.-à-d. De 0 à -10 ° C), les observations aériennes ont montré que les nuages ​​peuvent contenir beaucoup plus de cristaux de glace que ce qui peut être expliqué par le nombre relativement faible de particules nucléant la glace présentes. Ce phénomène a intrigué la communauté de la recherche atmosphérique pendant des décennies. Les scientifiques ont pensé que l’explication est la production de glace «secondaire», dans laquelle les particules de glace supplémentaires sont générées à partir d’autres particules de glace. Mais mettre le processus en action dans l’environnement naturel a été difficile.

Les explications précédentes sur la façon dont la glace secondaire se forme reposaient principalement sur des expériences en laboratoire et des vols d’échantillonnage limités et à court terme par avion. Une compréhension commune qui est ressortie de plusieurs expériences en laboratoire était que des particules de glace relativement grosses et à chute rapide, appelées rimers, peuvent «collecter» et geler de minuscules gouttelettes de nuage surfondues – qui produisent alors plus de petites particules de glace, appelées éclats. Mais il s’avère qu’un tel “éclatement de givre” n’est pas presque toute l’histoire.

Les nouveaux résultats de l’Arctique montrent que de plus grosses gouttelettes d’eau surfondues, classées comme de la bruine, jouent un rôle beaucoup plus important dans la production de particules de glace secondaires qu’on ne le pense généralement.

«Lorsqu’une particule de glace frappe l’une de ces gouttes de bruine, elle déclenche le gel, qui forme d’abord une coque de glace solide autour de la goutte», a expliqué Fan Yang, co-auteur du document. “Ensuite, à mesure que le gel se déplace vers l’intérieur, la pression commence à monter parce que l’eau se dilate en gelant. Cette pression fait éclater la bruine, générant plus de particules de glace.”

Les données montrent que ce processus de «fragmentation par congélation» peut être explosif.

“Si vous aviez une particule de glace déclenchant la production d’une autre particule de glace, ce ne serait pas si important”, a déclaré Luke. «Mais nous avons fourni des preuves que, avec ce processus en cascade, la fragmentation du gel de la bruine peut multiplier par 10 à 100 les concentrations de particules de glace dans les nuages, voire 1 000 à l’occasion!

“Nos découvertes pourraient fournir le chaînon manquant pour le décalage entre la rareté des particules primaires de nucléation de glace et les chutes de neige de ces nuages ​​légèrement surfondus.”

Des millions d’échantillons

Les nouveaux résultats reposent sur six années de données recueillies par un radar Doppler de longueur d’onde millimétrique pointant vers le haut à l’observatoire atmosphérique du versant nord de l’Alaska du DOE Atmospheric Radiation Measurement (ARM) à Utqiagvik (anciennement Barrow), en Alaska. Les données radar sont complétées par des mesures de température, d’humidité et d’autres conditions atmosphériques recueillies par des ballons météorologiques lancés depuis Utqiagvik tout au long de la période d’étude.

Le scientifique atmosphérique du Brookhaven Lab et co-auteur de l’étude Pavlos Kollias, qui est également professeur à la division des sciences atmosphériques de l’Université Stony Brook, a joué un rôle crucial dans la collecte de ces données radar à longueur d’onde millimétrique d’une manière qui a permis aux scientifiques de déduire comment la glace secondaire s’est formée.

<< ARM a été le pionnier de l'utilisation de radars de nuages ​​à courte longueur d'onde depuis les années 1990 pour mieux comprendre les processus microphysiques des nuages ​​et comment ceux-ci affectent la météo sur Terre aujourd'hui. Notre équipe a dirigé l'optimisation de sa stratégie d'échantillonnage de données afin d'obtenir des informations sur les processus de nuages ​​et de précipitations comme celui présenté dans cette étude peut être obtenu », a déclaré Kollias.

La longueur d’onde à l’échelle millimétrique du radar le rend particulièrement sensible à la taille des particules de glace et des gouttelettes d’eau dans les nuages. Sa double polarisation fournit des informations sur la forme des particules, permettant aux scientifiques d’identifier des cristaux de glace en forme d’aiguilles – la forme préférentielle des particules de glace secondaires dans des conditions de nuages ​​légèrement surfondus. Les observations de spectres Doppler enregistrées toutes les quelques secondes fournissent des informations sur le nombre de particules présentes et la vitesse à laquelle elles tombent vers le sol. Cette information est essentielle pour déterminer où se trouvent les bordures, la bruine et les particules de glace secondaires.

À l’aide de techniques d’analyse automatisée sophistiquées développées par Luke, Yang et Kollias, les scientifiques ont scanné des millions de ces spectres radar Doppler pour trier les particules en seaux de données par taille et forme – et ont fait correspondre les données avec des observations de ballons météorologiques contemporaines sur la présence. de l’eau des nuages ​​surfondue, de la température et d’autres variables. L’exploration détaillée des données leur a permis de comparer le nombre d’aiguilles de glace secondaires générées dans différentes conditions: en présence uniquement de jantes, de jantes et de gouttes de bruine, ou simplement de bruine.

“Le volume des observations nous permet pour la première fois de retirer le signal de glace secondaire du” bruit de fond “de tous les autres processus atmosphériques en cours – et de quantifier comment et dans quelles circonstances les événements de glace secondaires se produisent”, a déclaré Luke. .

Les résultats étaient clairs: les conditions avec des gouttes de bruine surfondues ont produit des événements dramatiques de multiplication de la glace, bien plus que des jantes.

Impacts à court et à long terme

Ces données du monde réel donnent aux scientifiques la capacité de quantifier le «facteur de multiplication de la glace» pour diverses conditions nuageuses, ce qui améliorera la précision des modèles climatiques et des prévisions météorologiques.

«Les modèles de prévision météorologique ne peuvent pas gérer toute la complexité des processus microphysiques des nuages. Nous devons économiser sur les calculs, sinon vous n’obtiendrez jamais de prévisions», a déclaré Andrew Vogelmann, un autre co-auteur de l’étude. «Pour ce faire, vous devez déterminer quels aspects de la physique sont les plus importants, puis rendre compte de cette physique aussi précisément et simplement que possible dans le modèle. Cette étude montre clairement que la connaissance de la bruine dans ces nuages ​​à phases mixtes est essentiel.”

En plus de vous aider à prévoir le temps supplémentaire dont vous aurez besoin pour pelleter votre entrée et vous rendre au travail, une meilleure compréhension de ce qui entraîne la formation de glace secondaire peut aider les scientifiques à mieux prévoir la quantité de neige qui s’accumule dans les bassins versants pour fournir de l’eau potable tout au long de l’année. Les nouvelles données aideront également à améliorer notre compréhension de la durée de vie des nuages, ce qui a des conséquences importantes sur le climat.

“Plus de particules de glace générées par la production de glace secondaire auront un impact énorme sur les précipitations, le rayonnement solaire (combien de nuages ​​de lumière du soleil se reflètent dans l’espace), le cycle de l’eau et l’évolution des nuages ​​en phase mixte”, a déclaré Yang.

La durée de vie des nuages ​​est particulièrement importante pour le climat de l’Arctique, ont noté Luke et Vogelmann, et le climat arctique est très important pour l’équilibre énergétique global sur Terre.

“Les nuages ​​en phase mixte, qui contiennent à la fois de l’eau liquide surfondue et des particules de glace, peuvent durer des semaines d’affilée dans l’Arctique”, a déclaré Vogelmann. «Mais si vous avez tout un tas de particules de glace, le nuage peut se dissiper après avoir grandi et tomber au sol sous forme de neige. Ensuite, vous aurez la lumière du soleil capable de passer directement à travers pour commencer à chauffer le sol ou la surface de l’océan. “

Cela pourrait changer la saisonnalité de la neige et de la glace au sol, provoquant la fonte et encore moins de réflexion de la lumière du soleil et plus de chaleur.

“Si nous pouvons prédire dans un modèle climatique que quelque chose va changer l’équilibre de la formation de glace, de la bruine et d’autres facteurs, alors nous aurons une meilleure capacité d’anticiper à quoi s’attendre dans le temps et le climat futurs, et peut-être mieux. préparé à ces impacts », a déclaré Luke.

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