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 do Ártico ligeiramente super-resfriadas pode fazer você repensar a simplicidade das coisas fofas. O estudo, publicado por cientistas do Laboratório Nacional de Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA (DOE) no Proceedings of the National Academy of Sciences , 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 as previsões do tempo, modelagem climática, abastecimento de água - e até infraestrutura de energia e transporte.

"Nossos resultados lançam uma nova luz sobre a compreensão anterior baseada em experimentos de laboratório sobre como as gotas de água super-resfriadas - água que ainda está líquida abaixo de seu ponto de congelamento - se transformam em gelo e, eventualmente, em neve, "disse o cientista atmosférico do Brookhaven Lab Edward Luke, o autor principal do artigo. Os novos resultados, de 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 de que a fragmentação congelante de gotas de garoa é importante para a quantidade de gelo que se formará e poderá cair 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', "Luke disse.

O que é gelo secundário?

A precipitação de neve de nuvens super-resfriadas geralmente se origina de partículas de gelo "primárias", que se formam quando a água cristaliza em partículas minúsculas de poeira ou aerossóis na atmosfera, conhecidas como partículas de nucleação de gelo. Contudo, a temperaturas ligeiramente super-resfriadas (isto é, 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, em que 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 limitavam, voos de amostragem de curto prazo em aeronaves. Um entendimento comum que surgiu de vários experimentos de laboratório foi relativamente grande, partículas de gelo em queda rápida, chamados rimers, pode "coletar" e congelar minúsculos, gotículas de nuvem super-resfriadas, que então produzem mais partículas de gelo minúsculas, chamados 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, classificado 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 daquelas gotas de garoa, desencadeia o congelamento, que primeiro forma uma casca de gelo sólida em torno da gota, "explicou Fan Yang, um co-autor no artigo. "Então, conforme o congelamento se move para dentro, a pressão começa a aumentar porque a água se expande à medida que 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, "Luke disse." Mas nós fornecemos evidências de que, com este processo em cascata, A fragmentação do congelamento da garoa pode aumentar as concentrações de partículas de gelo nas nuvens em 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 dependem de seis anos de dados coletados por um radar Doppler de comprimento de onda milimetrado apontando para cima no observatório atmosférico de North Slope of Alaska do DOE Atmospheric Radiation Measurement (ARM) em Utqiagvik (antigo 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 na 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.

"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, "Kollias disse.

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 que os cientistas identifiquem cristais de gelo semelhantes a agulhas - a forma preferencial de partículas secundárias de gelo em condições de nuvem ligeiramente super-resfriada. 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 rimers, chuvisco, e partículas de gelo secundárias.

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 compararam os dados com observações contemporâneas de balões meteorológicos sobre a 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, rimers 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, "Luke disse.

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

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, que irá melhorar a precisão dos modelos climáticos e 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 co-autor do estudo. "Fazer isso, você tem que descobrir quais aspectos da física são mais importantes, e então contabilizar essa física da maneira mais precisa e simples possível no modelo. Este estudo deixa claro que saber sobre a garoa nessas nuvens de fase mista é essencial. "

Além de ajudá-lo a calcular quanto tempo extra você precisará para limpar a entrada de sua garagem e começar a trabalhar, uma compreensão mais clara do que impulsiona a 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 nossa compreensão de quanto tempo as nuvens permanecerão, 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 (a quantidade de nuvens de luz solar que refletem de volta para o espaço), o ciclo da água, e a evolução de nuvens de fase mista, "Yang disse.

O tempo de vida da nuvem é particularmente importante para o clima do Ártico, Luke e Vogelmann notaram, e o clima do Ártico é muito importante para o equilíbrio geral de energia na Terra.

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

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

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