Christine Chiu, da Colorado State University, investiga nuvens. Ela os chama de "objetos 3D complicados que evoluem rapidamente".

Ela estuda nuvens de baixo e de todos os lados com a varredura de radares de nuvem e de cima com dados de satélite. Sua pesquisa é importante. As propriedades da nuvem são os principais determinantes do orçamento de energia da Terra, ainda não são bem representados nos modelos atuais.

A variedade desconcertantemente ampla de previsões atuais do sistema terrestre, Chiu diz, "é em parte resultado de propriedades imprecisas da nuvem em modelos climáticos."

Para melhorar os modelos, é necessário compreender melhor os processos físicos e os efeitos radiativos das nuvens e da precipitação.

Para esse fim, Chiu e colegas no Colorado, o Reino Unido, e a Finlândia começou a trabalhar em julho de 2018 em um projeto de pesquisa de três anos que aborda um quebra-cabeça duradouro da microfísica da nuvem. Por que a concentração observada de partículas de gelo em um sistema de nuvem frequentemente excede, por várias ordens de magnitude, o número próximo de núcleos de gelo primários?

Em suma, por que tanto gelo nas nuvens é feito de tão poucos ingredientes aparentes?

Os cientistas têm um nome para este aumento inesperado das partículas de gelo:produção secundária de gelo, ou SIP.

Nos últimos 70 anos, pesquisadores levantaram a hipótese de muitos mecanismos que poderiam explicar o SIP, conforme descrito neste artigo de revisão de 2017 no Bulletin of the American Meteorological Society.

Os três mecanismos de interesse primário para Chiu, o investigador principal do projeto (PI), obter muita atenção nas discussões atuais. Mas não está claro qual é o predominante, ou como a iniciação e formação do SIP variam com os tipos de nuvem.

Chiu e sua equipe pretendem enfrentar essas e outras questões do processo SIP, e (importante) descobrir como esses processos afetam a radiação e a precipitação.

Seu projeto de pesquisa - para avaliar o SIP em nuvens continentais - é financiado pelo programa de Pesquisa do Sistema Atmosférico (ASR) do Departamento de Energia dos EUA (DOE).

Chiu faz parte da pesquisa ASR quase continuamente desde 2006.

Riming, Quebrando, e colisões

Entre os três mecanismos SIP em que Chiu se concentra, está aquele que foi hipotetizado pela primeira vez em 1943. A fragmentação do gelo ocorre quando grandes partículas de gelo como flocos de neve ou graupel (pelotas de neve) coletam gotículas de líquido super-resfriado, gerando numerosas lascas de gelo.

A quebra de gotas congeladas ocorre quando as gotas maiores congelam, então estilhaçar. Quanto mais baixa a temperatura, quanto mais altas as taxas de quebra.

Colisão de gelo-gelo, o terceiro mecanismo SIP hipotético, acontece quando os cristais de gelo frágeis, revestido com agulhas finas ou dendritos delgados, se separam facilmente durante as colisões entre si.

Algumas observações e simulações de modelo sugeriram que os três mecanismos SIP podem acontecer juntos, diz Chiu - mas em que condições? "Os processos microfísicos são muito complicados."

Adicionalmente, SIP é o processo mais importante de todos? "As pessoas realmente não sabem, "ela diz." Mas saber o início da concentração de partículas de gelo é um lugar importante para ir. "

No trabalho

Para começar a obter algumas respostas, "estamos quebrando dados agora, "diz Chiu.

Na CSU, na primeira fase do projeto, ela está trabalhando com Nicholas Kedzuf, um estudante de mestrado, para analisar os dados e estabelecer um inventário abrangente das propriedades das partículas de gelo. ("É uma alegria absoluta trabalhar com um aluno tão excelente, "diz Chiu.)

Os dados são de uma campanha de campo de 2014 na Finlândia chamada Aerossóis Biogênicos - Efeitos sobre Nuvens e Clima (BAECC), apoiado pela facilidade de usuário de Medição de Radiação Atmosférica (ARM) do DOE.

A ARM mantém observatórios atmosféricos fixos de longo prazo e portáteis de curto prazo em todo o mundo. Ele também coleta, controles de qualidade, e arquiva todos os seus dados de campo. (Chiu usa dados ARM desde 2003.)

BAECC foi projetado para obter detalhes importantes sobre os processos relacionados ao aerossol, nuvem, e formação de neve que atualmente não são bem compreendidas ou bem representadas em modelos de sistemas terrestres.

Durante a campanha de campo, pesquisadores implantaram medições coincidentes de múltiplos instrumentos, uma primeira vez durante um estudo de campo da microfísica da neve e do gelo.

Outros instrumentos forneceram as medições de aerossol abrangentes de que Chiu precisa para calcular o número de núcleos de gelo primários. "Sem saber a concentração dos núcleos primários de gelo, "diz Chiu, "não seremos capazes de saber se ocorre uma produção 'secundária' de gelo."

As medições durante o BAECC foram coletadas nas áreas geladas das florestas boreais da Finlândia, frequentemente durante condições de nuvens profundas e chuva forte - o que é útil para a missão do projeto ASR.

"Acredita-se que a produção secundária de gelo ocorra em uma zona de temperatura bastante estreita entre -3 e -15 graus Celsius, "diz Chiu." Queríamos aumentar nossas chances de observar essa produção de gelo. A alta latitude é o nosso ambiente ideal. "

O único, as primeiras medições de radar multifrequência feitas durante BAECC compreendem um dos conjuntos de dados de radar mais completos no arquivo ARM, ela diz, mas os dados ainda não foram totalmente explorados.

Dois veteranos de dados BAECC da Finlândia são colaboradores no presente projeto ASR de Chiu:Tuukka Petäjä da Universidade de Helsinque, e David Brus do Instituto Meteorológico Finlandês.

Melhores modelos à frente

Apropriadamente, Chiu é acompanhado por V. Chandrasekar da CSU, uma autoridade internacionalmente conhecida em sistemas de radar e co-PI do projeto ASR.

"Os dados de radar desempenham um papel importante neste projeto, "ela diz." Chandrasekar vai nos ajudar a tirar o melhor proveito dessas observações de radar. "

Para alcançar a mais alta qualidade de dados para o método de recuperação em nuvem, Chiu também trabalha em estreita colaboração com os mentores de instrumentos de radar ARM, Bradley Isom e Nitin Bharadwaj. Ambos estão no Pacific Northwest National Laboratory em Richland, Washington.

Outro colega da CSU ajudará no projeto ASR. Susan van den Heever, um especialista em microfísica de nuvem, supervisiona o Sistema de Modelagem Atmosférica Regional, ou RAMS. O modelo será usado para avaliar os resultados do projeto.

Van den Heever diz que os processos secundários de gelo desempenham um grande papel na "produção de precipitação, forçante radiativa nuvem, e a dinâmica da bigorna. "Mais uma razão para entendê-los melhor no nível do processo, Ela adiciona, e representá-los em modelos de pesquisa e previsão.

Para colocar o projeto em movimento, Chiu escreveu as questões científicas, bem como o algoritmo de recuperação da nuvem. Assim que ela e os outros estiverem confiantes sobre a recuperação da nuvem, eles executarão RAMS para testar sua nova compreensão do SIP.

"Se for bem-sucedido, vamos chegar a parametrizações secundárias de gelo mais precisas, "diz Chiu." Isso levará a modelos que prevêem melhor o conteúdo de água gelada e radiação. "

No fim, ela espera que o projeto ajude a melhorar a forma como a microfísica do gelo é representada nos modelos e, portanto, reduza os erros na precipitação global estimada e na radiação.

'É realmente novo'

O objetivo da equipe é preencher lacunas críticas de conhecimento sobre processos microfísicos, disse Chiu. "As nuvens ainda são misteriosas de muitas maneiras."

A missão mais ampla do projeto é chamar a atenção para a necessidade de longo prazo, freqüente, observações robustas para caracterizar processos SIP.

Historicamente, a avaliação da fragmentação do gelo e outros mecanismos SIP dependem dos dados observacionais da aeronave. Mas Chiu e sua equipe estão desenvolvendo um método para incorporar os poderosos radares terrestres da ARM para quantificar melhor a concentração de partículas de gelo.

Incorporar radares para resolver o quebra-cabeça SIP "é um projeto de alto risco, "ela diz." É realmente novo. Estamos tentando recuperar algo de uma forma que ninguém jamais fez antes, fora de um laboratório ou de dados de aeronaves. "

Em algumas de suas pesquisas ASR anteriores, Chiu deu saltos metodológicos na recuperação de propriedades microfísicas e ópticas, usando o que ela chama de medições "sinérgicas" de radar em nuvem, lidar, e espectrômetros de ondas curtas.

Chiu encontra maneiras de tirar proveito de como as nuvens e a radiação afetam as observações de sensoriamento remoto. Por exemplo, ela combinou medições de radiação solar e fatias de radar para recuperar alta resolução, campos de nuvens tridimensionais pela primeira vez em situações de nuvens nubladas e quebradas.

Ela chama isso de "um passo fundamental para melhorar nossa compreensão dos ciclos de vida e da organização da nuvem".

Chiu e seus colegas também desenvolveram um novo método para recuperar perfis verticais simultaneamente de nuvens e garoa. É bem sabido que a garoa geralmente domina a refletividade do radar observada. Eles propuseram uma maneira de contornar isso ao usar o sensoriamento remoto ativo nas nuvens da camada limite marinha.

Os dados vieram de oito transectos do Oceano Pacífico por um navio de contêiner da Horizon Lines equipado com instrumentos atmosféricos durante a campanha de campo ARM GPCI Investigação de Nuvens (MAGIC) de 2012 e 2013.

Chiu também fez pesquisas de campo nos Açores, atuando como co-investigador para a campanha de Experimentos de Aerossol e Nuvem no Atlântico Norte Oriental (ACE-ENA). O estudo de nuvens baixas e aerossóis da camada limite marinha ocorreu no verão de 2017 e no inverno de 2018.

"Acho que as interações entrelaçadas entre garoa, nuvens, aerossóis, dinâmica, e radiação fascinante, "diz Chiu.

Um caminho para a ciência da nuvem

A coragem de enfrentar riscos, e viajar muito para alcançar seus objetivos, tem caracterizado a vida de Chiu até agora.

Nasceu em Taiwan, e bom no início em matemática e física, ela assumiu seu primeiro risco científico aos 13 anos. Ainda no ensino médio, ela tinha uma pergunta sobre química e corajosamente a enviou para o lendário Wu Ta-You, agora conhecido como o "Pai da Física Chinesa".

Ele escreveu de volta uma resposta manuscrita de 10 páginas. Isso a sacudiu de alegria.

"Você pode imaginar como me senti, "diz Chiu." Ele listou vários argumentos e explicou como resolver a questão. Foi a primeira vez que vi que saber a resposta pode não ser a coisa mais importante - que o processo em si é mais divertido! "

Ela acrescenta:"Eu era apenas uma menina de uma cidade não muito desenvolvida, então sua carta realmente me inspirou e tocou. Sempre sou grato por isso. "

Em vez de ser um astronauta

Os estudos de bacharelado na Universidade Central Nacional de Taiwan deram a Chiu seu primeiro gostinho da ciência atmosférica - um interesse que surgiu depois que ela percebeu que não poderia ser uma astronauta, seu primeiro amor pela ciência. "Estou gravemente míope, "ela confessa, "e ter enjôo."

At Purdue University in Indiana, Chiu earned her Ph.D., which took her deep into satellite observations for precipitation.

Como pesquisador de pós-doutorado, she joined the Joint Center for Earth Systems Technology at the University of Maryland, Baltimore County. Ao mesmo tempo, Chiu was a researcher at NASA's Goddard Space Flight Center.

Her time at Goddard, says Chiu, "really shaped my whole career, " in part because of her mentors, Warren Wiscombe (now retired) and Alexander Marshak.

Then came a teaching and research stint at the University of Reading in the United Kingdom, where she joined a prestigious cloud remote sensing group. (A former Reading colleague, Shannon Mason, is a collaborator on the current ASR project.)

Since the fall of 2017, Chiu has been an associate professor at CSU, where her research group investigates remote sensing, radiative transfer, and the interactions of clouds, aerossóis, precipitação, and radiation.

Ao mesmo tempo, she sees clouds for what they also are:beautiful.

"I do enjoy, intellectually, working with observations, " says Chiu. "But I never look at clouds and wonder how many droplets they contain."