Cientistas demonstram que lidar de alta resolução vê a zona de nascimento de gotículas de nuvens, uma observação remota inédita

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Uma visão de cima para baixo do lidar. Um laser dispara da abertura à direita e então a abertura do telescópio à esquerda abre seu “olho” brevemente para coletar fótons retroespalhados pela atmosfera. Crédito:Kevin Coughlin/Laboratório Nacional Brookhaven

Uma equipe liderada por cientistas atmosféricos do Laboratório Nacional Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA demonstrou as primeiras observações remotas da estrutura em escala fina na base das nuvens. Os resultados, publicados recentemente na npj Climate and Atmospheric Science , mostram que a interface ar-nuvem não é um limite perfeito, mas sim uma zona de transição onde partículas de aerossol suspensas na atmosfera da Terra dão origem às gotículas que finalmente formam as nuvens.

"Estamos interessados nesta 'zona de ativação de gotículas', onde a maioria das gotículas de nuvem são inicialmente formadas na base da nuvem, porque o número de gotículas formadas lá afetará os estágios posteriores e as propriedades da nuvem - incluindo a quantidade de luz solar que uma nuvem reflete e a probabilidade de precipitação", disse o cientista atmosférico de Brookhaven, Fan Yang, o primeiro autor do artigo.

“Se houver mais aerossóis na atmosfera, as nuvens tendem a ter mais gotículas, mas cada uma delas será menor, o que significa que podem refletir mais luz solar”, disse Yang. “Isso pode ajudar a resfriar o aquecimento da Terra”, observou ele.

Mas para prever com precisão os impactos destas interações entre aerossóis e nuvens no sistema climático, os cientistas precisam de uma forma de medir as concentrações do número de gotículas de nuvens – sem ter de voar até muitas nuvens para recolher amostras.

“Este continua a ser um dos maiores desafios em nosso campo”, disse Yang.

As novas medições e métodos de sensoriamento remoto fornecem uma nova maneira de estimar a concentração de gotículas, o que permitirá aos cientistas obter informações sobre como as mudanças nos níveis de aerossóis atmosféricos podem afetar as nuvens e o clima.

Ver as nuvens com mais detalhes

Os lidars atmosféricos – que enviam feixes de laser para a atmosfera e medem os sinais de luz retroespalhados por moléculas, aerossóis e gotículas de nuvens na atmosfera – têm sido amplamente utilizados para medir a distância até a base das nuvens. Mas os lidars tradicionais não conseguem resolver estruturas detalhadas dentro da base da nuvem porque normalmente têm uma resolução de 10 metros ou mais.

“Dez metros é como a altura de um edifício”, disse Yang, observando a capacidade desta escala de detectar objetos grandes. "Mas para saber quantos andares ou janelas esse prédio tem, você precisaria de uma resolução muito melhor."

Para ver os detalhes da base de nuvem, a equipe de Brookhaven trabalhou com colegas do Stevens Institute of Technology (SIT) e da Raymetrics S.A. para construir um novo tipo de lidar. Seu dispositivo, descrito em uma publicação anterior, é um lidar de contagem de fóton único (T2 lidar) com tempo limitado e correlacionado com tempo, com resolução de até 10 centímetros. Isso representa uma resolução duas ordens de magnitude maior do que os lidars atmosféricos tradicionais.

“Com uma resolução tão alta, as observações lidar T2 revelam a zona de transição onde as partículas de aerossol absorvem vapor de água para serem transformadas em gotículas de nuvem”, disse Yang.

"Usamos nossas observações T2 em escala precisa sem precedentes da região da base da nuvem para desenvolver um modelo teórico para estimar a concentração de gotículas de nuvem com base em sinais de retroespalhamento medidos em T2", acrescentou.

Cientistas do Laboratório Nacional de Brookhaven demonstraram as primeiras observações remotas da estrutura em escala fina na zona de nascimento das gotículas de nuvens – a base das nuvens onde as gotículas se formam em torno de partículas de aerossol suspensas na atmosfera da Terra. A técnica dará aos cientistas informações sobre as interações entre aerossóis e nuvens e seus impactos no clima e no tempo. Crédito:Kevin Coughlin/Laboratório Nacional Brookhaven

Uma característica única do T2 lidar é a aplicação da técnica de controle de tempo – forçando o detector a abrir seu “olho” para fazer medições em uma estreita janela de observação na atmosfera.

"Este controle de tempo nos permite 'olhar' para uma região específica de interesse dentro da nuvem. Isso é diferente de um lidar convencional, onde o 'olho' do lidar está geralmente aberto, estando pronto para capturar fótons retroespalhados quase o tempo todo ", disse Yang.

Ao definir o atraso de tempo entre o pulso de laser do lidar T2 e a abertura do olho em diferentes intervalos de tempo, os cientistas podem coletar amostras de sinais em diferentes regiões através da nuvem.

O dispositivo também possui uma taxa de repetição muito alta, disparando 20 mil pulsos de laser por segundo.

“Podemos aprender sobre as propriedades das nuvens pela forma como os sinais retroespalhados são distribuídos dentro da janela observacional”, disse Yang.

Aplicativo para observações de câmaras de nuvens

Para tornar a técnica verdadeiramente útil para medições remotas precisas do mundo real, o lidar T2 terá que ser devidamente calibrado. Ou seja, os cientistas precisam compreender completamente como os sinais de luz medidos correspondem às propriedades da nuvem do mundo real, para que possam ajustar os algoritmos computacionais que escreveram para relacionar uns com os outros.

As medições lidar tradicionais de nuvens atmosféricas às vezes são verificadas e calibradas voando uma aeronave através das nuvens para capturar amostras de gotículas. Os cientistas tentam calibrar as leituras lidar com as propriedades “verdadeiras” das gotículas das medições in-situ da aeronave.

“O problema é que o sensoriamento remoto e as medições in-situ geralmente não são co-localizadas”, disse Yang. Ou seja, é altamente improvável que um lidar apontando para cima com uma resolução grosseira e um avião voando horizontalmente para coletar um fluxo fino de amostras estejam coletando dados na mesma parte da nuvem ao mesmo tempo.

Para melhorar esta situação, a equipe de Brookhaven e SIT está usando uma técnica semelhante à usada no lidar T2 para construir um lidar com resolução ainda mais precisa – até um centímetro. Ao usar este lidar de alta resolução para fazer observações em uma câmara de nuvem baseada em laboratório, eles serão capazes de combinar sinais de retroespalhamento com medições in-situ das propriedades físicas da nuvem feitas ao mesmo tempo e no mesmo local.

"Então podemos levar o lidar de volta à atmosfera real e ter mais confiança em como nossas medições lidar se relacionam com as propriedades da nuvem, como número de gotículas, concentração e distribuição", disse Yang.

“Isso é apenas o começo”, observou Yang. "Nosso estudo destaca os benefícios da aplicação de tecnologias avançadas para observar nuvens atmosféricas em escalas submétricas, o que pode abrir novos caminhos para avançar nossa compreensão das propriedades e processos microfísicos das nuvens que são cruciais para o tempo e o clima."

Mais informações: Fan Yang et al, Um lidar de fóton único observa nuvens atmosféricas em escalas decimétricas:resolvendo a ativação de gotículas na base de nuvens, npj Climate and Atmospheric Science (2024). DOI:10.1038/s41612-024-00644-y
Informações do diário: npj Ciência Climática e Atmosférica

Fornecido pelo Laboratório Nacional de Brookhaven

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