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Origens explosivas de gelo
As descobertas têm implicações para previsões do tempo, modelagem climática, abastecimento de água - e até mesmo infraestrutura de energia e transporte.
Por Laboratório Nacional de Brookhaven - 23/03/2021


Dados coletados no observatório atmosférico de Medição de Radiação Atmosférica do Departamento de Energia (ARM) em Utqiagvik (Barrow), Alasca, indicam que gotas de garoa têm um papel importante na formação de gelo "secundário" em nuvens de fase mista. Os resultados irão melhorar a forma como esses processos de nuvem são representados em modelos computacionais usados ​​para prever o clima e a queda de neve local. Crédito: facilidade de usuário ARM

De onde vem a neve? Esta pode parecer uma questão simples de se ponderar, já que metade do planeta emerge de uma temporada de observação de flocos caprichosos caindo do céu - e retirando-os das calçadas. Mas um novo estudo sobre como a água se transforma em gelo em nuvens árticas ligeiramente super-resfriadas pode fazer você repensar a simplicidade das coisas fofas. O estudo, publicado por cientistas do Laboratório Nacional Brookhaven do Departamento de Energia dos Estados Unidos (DOE) nos Anais da Academia Nacional de Ciências, inclui novas evidências diretas de que o estilhaçamento de gotas de garoa leva a eventos explosivos de "multiplicação de gelo". As descobertas têm implicações para previsões do tempo, modelagem climática, abastecimento de água - e até mesmo infraestrutura de energia e transporte.

"Nossos resultados lançam uma nova luz sobre a compreensão anterior baseada em experimentos de laboratório sobre como as gotículas de água super-resfriada - água que ainda é líquida abaixo de seu ponto de congelamento - se transformam em gelo e, eventualmente, em neve", disse o cientista atmosférico do Brookhaven Lab Edward Luke, autor principal papel. Os novos resultados, do radar de nuvem de longo prazo do mundo real e medições de balão meteorológico em nuvens de fase mista (compostas de água líquida e gelo) em temperaturas entre 0 e -10 graus Celsius (32 e 14 ° Fahrenheit), fornecem evidências que a fragmentação congelante de gotas de garoa é importante para a quantidade de gelo que se formará e, potencialmente, cairá dessas nuvens na forma de neve.

“Agora, os modelos climáticos e os modelos de previsão do tempo usados ​​para determinar quanta neve você terá que remover podem dar um salto adiante usando uma física muito mais realista para simular a formação de gelo 'secundária'”, disse Luke.

O que é gelo secundário?

A precipitação de neve de nuvens super-resfriadas geralmente se origina de partículas "primárias" de gelo , que se formam quando a água cristaliza em partículas minúsculas de poeira ou aerossóis na atmosfera, conhecidas como partículas de nucleação de gelo. No entanto, em temperaturas ligeiramente super-resfriadas (ou seja, 0 a -10 ° C), observações de aeronaves mostraram que as nuvens podem conter muito mais cristais de gelo do que pode ser explicado pelas relativamente poucas partículas de nucleação de gelo presentes. Este fenômeno intrigou a comunidade de pesquisa atmosférica por décadas. Os cientistas pensaram que a explicação é a produção "secundária" de gelo, na qual as partículas de gelo adicionais são geradas a partir de outras partículas de gelo. Mas capturar o processo em ação no ambiente natural tem sido difícil.

Explicações anteriores de como as formas secundárias de gelo dependiam principalmente de experimentos de laboratório e voos de amostragem de curto prazo baseados em aeronaves. Um entendimento comum que surgiu de vários experimentos de laboratório foi que partículas de gelo relativamente grandes e de queda rápida, chamadas rimers, podem "coletar" e congelar gotículas de nuvem super-resfriadas - que então produzem partículas de gelo mais minúsculas, chamadas lascas. Mas acontece que essa "fragmentação do tempo" não é quase toda a história.
 
Os novos resultados do Ártico mostram que gotas maiores de água super-resfriada, classificadas como garoa, desempenham um papel muito mais importante na produção de partículas de gelo secundárias do que comumente se pensa.

"Quando uma partícula de gelo atinge uma dessas gotas de garoa, ela provoca o congelamento, que primeiro forma uma casca de gelo sólida ao redor da gota", explicou Fan Yang, coautor do artigo. "Então, conforme o congelamento se move para dentro, a pressão começa a aumentar porque a água se expande conforme congela. Essa pressão faz com que a queda da garoa se estilhace, gerando mais partículas de gelo."

Os dados mostram que esse processo de "congelamento da fragmentação" pode ser explosivo.

"Se você tivesse uma partícula de gelo desencadeando a produção de outra partícula de gelo, não seria tão significativo", disse Luke. "Mas fornecemos evidências de que, com esse processo em cascata, a fragmentação do congelamento da garoa pode aumentar as concentrações de partículas de gelo nas nuvens de 10 a 100 vezes - e até 1.000 de vez em quando!

"Nossas descobertas podem fornecer o elo que faltava para a incompatibilidade entre a escassez de partículas primárias de nucleação de gelo e a queda de neve dessas nuvens ligeiramente super-resfriadas."

Milhões de amostras

Os novos resultados dobradiça mediante seis anos de dados recolhidos por um apontando para cima milímetros de comprimento de onda do radar de Doppler no DOE facilidade utilizador atmosférica Radiation Measurement (ARM) 's North Slope do Alasca observatório atmosférico em Utqiagvik (anteriormente Barrow), Alasca. Os dados do radar são complementados por medições de temperatura, umidade e outras condições atmosféricas coletadas por balões meteorológicos lançados de Utqiagvik durante o período de estudo.

O cientista atmosférico do Brookhaven Lab e co-autor do estudo Pavlos Kollias, que também é professor na divisão de ciências atmosféricas da Stony Brook University, foi crucial para a coleta desses dados de radar de comprimento de onda milimétrica de uma forma que possibilitou aos cientistas deduzir como o gelo secundário foi formado.

Este gráfico mostra como a quantidade de multiplicação de gelo nas nuvens é afetada
pela velocidade das partículas de gelo "rimer" em queda rápida e pelo tamanho da gota
da garoa. O vermelho na escala do arco-íris representa as maiores quantidades de
partículas de gelo secundárias sendo geradas. A inclinação da multiplicação do gelo
para o lado direito do gráfico indica que o diâmetro da gota da garoa desempenha
um papel mais significativo do que a velocidade do rimer na geração da
multiplicação do gelo. Crédito: Laboratório Nacional de Brookhaven

"A ARM foi pioneira no uso de radares de nuvem de comprimento de onda curto desde a década de 1990 para entender melhor os processos microfísicos das nuvens e como eles afetam o clima na Terra hoje. Nossa equipe liderou a otimização de sua estratégia de amostragem de dados para informações sobre os processos de nuvem e precipitação, como o um apresentado neste estudo pode ser obtido ", disse Kollias.

O comprimento de onda em escala milimétrica do radar o torna especialmente sensível ao tamanho das partículas de gelo e das gotículas de água nas nuvens. Sua polarização dupla fornece informações sobre a forma das partículas, permitindo aos cientistas identificar cristais de gelo semelhantes a agulhas - a forma preferencial das partículas secundárias de gelo em condições de nuvem ligeiramente super-resfriadas. As observações de espectros Doppler registradas a cada poucos segundos fornecem informações sobre quantas partículas estão presentes e com que rapidez elas caem em direção ao solo. Esta informação é crítica para descobrir onde existem rimas, garoa e partículas secundárias de gelo.

Usando sofisticadas técnicas de análise automatizada desenvolvidas por Luke, Yang e Kollias, os cientistas escanearam milhões desses espectros de radar Doppler para classificar as partículas em baldes de dados por tamanho e forma - e combinaram os dados com observações contemporâneas de balões meteorológicos na presença de água da nuvem super-resfriada, temperatura e outras variáveis. A mineração de dados detalhada permitiu que eles comparassem o número de agulhas de gelo secundárias geradas em diferentes condições: na presença de apenas anéis, anéis mais gotas de garoa ou apenas garoa.

"O grande volume de observações nos permite, pela primeira vez, retirar o sinal de gelo secundário do 'ruído de fundo' de todos os outros processos atmosféricos ocorrendo - e quantificar como e sob quais circunstâncias eventos de gelo secundários acontecem", disse Luke.

Os resultados foram claros: as condições com gotas de garoa super-resfriadas produziram eventos dramáticos de multiplicação de gelo, muito mais do que rimadores.

Impactos de curto e longo prazo

Esses dados do mundo real dão aos cientistas a capacidade de quantificar o "fator de multiplicação do gelo" para várias condições de nuvem, o que aumentará a precisão dos modelos climáticos e das previsões meteorológicas .

"Os modelos de previsão do tempo não conseguem lidar com toda a complexidade dos processos microfísicos da nuvem. Precisamos economizar nos cálculos, caso contrário, você nunca obteria uma previsão", disse Andrew Vogelmann, outro coautor do estudo. "Para fazer isso, você precisa descobrir quais aspectos da física são mais importantes e, em seguida, contabilizar essa física da forma mais precisa e simples possível no modelo. Este estudo deixa claro que saber sobre garoa nessas nuvens de fases mistas é essencial."

Além de ajudá-lo a planejar quanto tempo extra você precisará para limpar a entrada de sua garagem e começar a trabalhar, uma compreensão mais clara do que leva à formação secundária de gelo pode ajudar os cientistas a prever melhor a quantidade de neve que se acumulará nas bacias hidrográficas para fornecer água potável ao longo do ano. Os novos dados também ajudarão a melhorar nosso entendimento de por quanto tempo as nuvens permanecerão, o que tem consequências importantes para o clima.

"Mais partículas de gelo geradas pela produção secundária de gelo terão um grande impacto na precipitação, radiação solar (quanto as nuvens de luz solar refletem de volta para o espaço), no ciclo da água e na evolução das nuvens de fase mista", disse Yang.

O tempo de vida das nuvens é particularmente importante para o clima do Ártico, observaram Luke e Vogelmann, e o clima do Ártico é muito importante para o equilíbrio geral de energia na Terra.

" Nuvens de fase mista , que contêm água líquida super-resfriada e partículas de gelo, podem durar semanas a fio no Ártico", disse Vogelmann. "Mas se você tiver um monte de partículas de gelo, a nuvem pode ser eliminada depois de crescer e cair no solo como neve. Então, você terá a luz do sol capaz de ir direto para começar a aquecer o solo ou a superfície do oceano. "

Isso poderia mudar a sazonalidade da neve e do gelo no solo, causando derretimento e, em seguida, ainda menos reflexo da luz do sol e mais aquecimento.

"Se pudermos prever em um modelo climático que algo vai mudar o equilíbrio da formação de gelo, garoa e outros fatores, então teremos uma melhor capacidade de antecipar o que esperar no futuro tempo e clima, e possivelmente ser melhor preparado para esses impactos ", disse Luke.

 

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