Do espaço, grandes decks de nuvens estratocúmulos bem espaçadas parecem bolas de algodão brilhantes pairando sobre o oceano. Eles cobrem vastas áreas - literalmente milhares de quilômetros de oceanos subtropicais - e permanecem por semanas a meses.

Como essas nuvens marinhas refletem mais radiação solar do que a superfície do oceano, resfriando a superfície da Terra, o tempo de vida das nuvens estratocúmulos é um componente importante do balanço de radiação da Terra. É necessário, então, para representar com precisão o tempo de vida das nuvens nos modelos do sistema terrestre (ESM) usados ​​para prever as condições climáticas futuras. A turbulência - movimentos do ar que ocorrem em pequenas escalas - é a principal responsável pela longevidade das nuvens estratocúmulos marinhas.

A garoa - precipitação que compreende gotículas de água menores que meio milímetro de diâmetro - está constantemente presente dentro e abaixo desses sistemas de nuvens marinhas. Como essas pequenas gotas afetam e são afetadas pela turbulência abaixo das nuvens marinhas, os cientistas precisam saber mais sobre como a garoa afeta a turbulência nessas nuvens para permitir previsões climáticas mais precisas.

Uma equipe liderada por Virendra Ghate, um cientista atmosférico, e Maria Cadeddu, um dos principais engenheiros de pesquisa atmosférica na divisão de Ciências Ambientais do Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE), vem estudando o impacto da garoa dentro das nuvens marinhas desde 2017. Seu conjunto de dados exclusivo chamou a atenção de pesquisadores do Laboratório Nacional Lawrence Livermore do DOE.

Cerca de três anos atrás, um colaborador de Livermore, que liderou os esforços nacionais para melhorar a representação da nuvem em modelos climáticos, solicitou estudos observacionais com foco nas interações chuvisco-turbulência. Esses estudos não existiam naquela época devido ao conjunto limitado de observações e à falta de técnicas para derivar todas as propriedades geofísicas de interesse.

"A análise do conjunto de dados desenvolvido nos permitiu mostrar que a garoa diminui a turbulência abaixo das nuvens estratocúmulos - algo que só era mostrado por simulações de modelo no passado, "disse Ghate." A riqueza dos dados desenvolvidos nos permitirá abordar várias questões fundamentais relacionadas com as interações garoa-turbulência no futuro. "

A equipe de Argonne começou a caracterizar as propriedades das nuvens usando observações no site da Medição de Radiação Atmosférica (ARM) no Atlântico Norte Oriental. um DOE Office of Science User Facility, e dados de instrumentos a bordo de satélites geoestacionários e de órbita polar. Os instrumentos coletam variáveis ​​de engenharia, como tensões e temperaturas. A equipe combinou medições de diferentes instrumentos para derivar as propriedades do vapor d'água e da garoa dentro e abaixo das nuvens.

Ghate e Cadeddu estavam interessados ​​em variáveis ​​geofísicas, como o conteúdo de água da nuvem, garoa tamanho de partícula e outros. Então, eles desenvolveram um novo algoritmo que recuperou sinergicamente todos os parâmetros necessários envolvidos nas interações garoa-turbulência. O algoritmo usa dados de vários instrumentos ARM, incluindo radar, lidar e radiômetro - para derivar as variáveis ​​geofísicas de interesse:tamanho (ou diâmetro) das gotas de precipitação, quantidade de água líquida correspondente às gotas de nuvem, e a precipitação cai. Usando os dados do ARM, Ghate e Cadeddu derivaram esses parâmetros, posteriormente publicando três estudos observacionais que se concentraram em duas organizações espaciais diferentes de nuvens estratocúmulos para caracterizar as interações chuvisco-turbulência nesses sistemas de nuvem.

Seus resultados levaram a um esforço colaborativo com modeladores de Livermore. Nesse esforço, a equipe usou observações para melhorar a representação das interações chuvisco-turbulência no Energy Exascale Earth System Model (E3SM) do DOE.

"As referências observacionais da técnica de recuperação de Ghate e Cadeddu nos ajudaram a determinar que a versão 1 do E3SM produz processos de garoa irrealistas. Nosso estudo colaborativo implica que exames abrangentes dos processos modelados de nuvem e garoa com referências observacionais são necessários para os modelos climáticos atuais, "disse Xue Zheng, um cientista da equipe da Atmosférica, Terra, e divisão de energia em Livermore.

Disse Cadeddu:"Geralmente, a experiência única aqui no laboratório pode ser atribuída à nossa capacidade de ir dos dados brutos aos parâmetros físicos e daí aos processos físicos nas nuvens. Os dados e os próprios instrumentos são muito difíceis de usar porque são, em sua maioria, sensores remotos que não medem diretamente o que precisamos (por exemplo, taxa de chuva ou caminho de água líquida); em vez de, eles medem propriedades eletromagnéticas, como retroespalhamento, Espectro Doppler e radiância. Além disso, o sinal bruto é frequentemente afetado por artefatos, barulho, aerossóis e precipitação. Os dados brutos estão diretamente relacionados às quantidades físicas que queremos medir por meio de conjuntos de equações bem definidos, ou estão indiretamente relacionados. No último caso, derivar as quantidades físicas significa resolver equações matemáticas chamadas 'problemas inversos' que, por si próprios, são complicados. O fato de termos sido capazes de desenvolver novas maneiras de quantificar as propriedades físicas das nuvens e extrair informações confiáveis ​​sobre elas é uma grande conquista. E isso nos colocou na vanguarda da pesquisa sobre esses tipos de nuvens. "

Porque eles se concentraram apenas nos poucos aspectos das complexas interações garoa-turbulência, Ghate e Cadeddu planejam continuar suas pesquisas. Eles também pretendem se concentrar em outras regiões, como os oceanos Pacífico Norte e Atlântico Sul, onde a nuvem, As propriedades da garoa e da turbulência diferem muito daquelas do Atlântico Norte.