¿De donde viene la nieve? Esto puede parecer una pregunta simple para reflexionar mientras la mitad del planeta emerge de una temporada de ver caprichosos copos caer del cielo y sacarlos de los caminos de entrada. Pero un nuevo estudio sobre cómo el agua se convierte en hielo en las nubes árticas ligeramente superenfriadas puede hacerte reconsiderar la simplicidad de las cosas esponjosas. El estudio, publicado por científicos del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias , incluye nueva evidencia directa de que las gotas de llovizna que se rompen provocan eventos explosivos de "multiplicación de hielo". Los hallazgos tienen implicaciones para los pronósticos meteorológicos, modelado climático, suministros de agua, e incluso infraestructura de energía y transporte.

"Nuestros resultados arrojan nueva luz sobre la comprensión previa basada en experimentos de laboratorio sobre cómo las gotas de agua superenfriadas (agua que todavía está líquida por debajo de su punto de congelación) se convierten en hielo y, finalmente, en nieve. "dijo Edward Luke, científico atmosférico del Brookhaven Lab, el autor principal del artículo. Los nuevos resultados, a partir de mediciones de radar de nubes a largo plazo y globos meteorológicos del mundo real en nubes de fase mixta (compuestas de agua líquida y hielo) a temperaturas entre 0 y -10 grados Celsius (32 y 14 ° Fahrenheit), proporcionan evidencia de que la fragmentación por congelación de las gotas de llovizna es importante para la cantidad de hielo que se formará y potencialmente caerá de estas nubes en forma de nieve.

"Ahora los modelos climáticos y los modelos de pronóstico del tiempo utilizados para determinar cuánta nieve tendrá que palear pueden dar un salto adelante utilizando una física mucho más realista para simular la formación de hielo" secundaria ", "Dijo Luke.

¿Qué es el hielo secundario?

La nieve que precipita de las nubes superenfriadas generalmente se origina a partir de partículas de hielo "primarias", que se forman cuando el agua cristaliza en pequeñas partículas de polvo o aerosoles en la atmósfera, conocidas como partículas nucleantes de hielo. Sin embargo, a temperaturas ligeramente superenfriadas (es decir, 0 a -10 ° C), Las observaciones de aviones han demostrado que las nubes pueden contener muchos más cristales de hielo de los que se pueden explicar por las relativamente pocas partículas nucleantes de hielo presentes. Este fenómeno ha desconcertado a la comunidad de investigadores atmosféricos durante décadas. Los científicos han pensado que la explicación es la producción de hielo "secundaria", en el que las partículas de hielo adicionales se generan a partir de otras partículas de hielo. Pero captar el proceso en acción en el entorno natural ha sido difícil.

Las explicaciones anteriores de cómo las formas de hielo secundario se basaban principalmente en experimentos de laboratorio y limitadas, vuelos de muestreo de corta duración basados ​​en aeronaves. Un entendimiento común que surgió de varios experimentos de laboratorio fue que, relativamente grande, partículas de hielo que caen rápidamente, llamados rimers, puede "recolectar" y congelar pequeños, gotas de nubes sobreenfriadas, que luego producen más partículas de hielo diminutas, llamadas astillas. Pero resulta que tal "ruptura de escarcha" no es casi toda la historia.

Los nuevos resultados del Ártico muestran que las gotas de agua superenfriadas más grandes, clasificado como llovizna, juegan un papel mucho más importante en la producción de partículas de hielo secundarias de lo que comúnmente se piensa.

"Cuando una partícula de hielo golpea una de esas gotas de llovizna, desencadena la congelación, que primero forma una capa de hielo sólido alrededor de la gota, "explicó Fan Yang, un coautor del artículo. "Luego, a medida que la congelación se mueve hacia adentro, la presión comienza a acumularse porque el agua se expande a medida que se congela. Esa presión hace que la gota de llovizna se rompa, generando más partículas de hielo ".

Los datos muestran que este proceso de "fragmentación por congelación" puede ser explosivo.

"Si tuvieras una partícula de hielo que desencadenara la producción de otra partícula de hielo, no sería tan significativo, "Dijo Luke." Pero hemos proporcionado evidencia de que, con este proceso en cascada, La fragmentación por congelación de la llovizna puede aumentar las concentraciones de partículas de hielo en las nubes de 10 a 100 veces, e incluso 1, 000 en ocasiones!

"Nuestros hallazgos podrían proporcionar el eslabón perdido para el desajuste entre la escasez de partículas primarias que nuclean el hielo y las nevadas de estas nubes ligeramente superenfriadas".

Millones de muestras

Los nuevos resultados dependen de seis años de datos recopilados por un radar Doppler de longitud de onda milimétrica que apunta hacia arriba en el observatorio atmosférico de North Slope of Alaska en Utqiagvik (anteriormente Barrow) de la instalación del usuario de Medición de Radiación Atmosférica (ARM) del DOE. Alaska. Los datos del radar se complementan con mediciones de temperatura, humedad, y otras condiciones atmosféricas recogidas por globos meteorológicos lanzados desde Utqiagvik durante el período de estudio.

Pavlos Kollias, científico atmosférico de Brookhaven Lab y coautor del estudio, quien también es profesor en la división de ciencias atmosféricas en la Universidad de Stony Brook, fue crucial para la recopilación de estos datos de radar de longitud de onda milimétrica de una manera que permitió a los científicos deducir cómo se formó el hielo secundario.

"ARM ha sido pionero en el uso de radares de nubes de longitud de onda corta desde la década de 1990 para comprender mejor los procesos microfísicos de las nubes y cómo estos afectan el clima en la Tierra en la actualidad. Nuestro equipo lideró la optimización de su estrategia de muestreo de datos para obtener información sobre los procesos de nubes y precipitación como el uno presentado en este estudio se puede obtener, "Dijo Kollias.

La longitud de onda de escala milimétrica del radar lo hace especialmente sensible al tamaño de las partículas de hielo y las gotas de agua en las nubes. Su doble polarización proporciona información sobre la forma de las partículas, permitiendo a los científicos identificar cristales de hielo en forma de agujas, la forma preferencial de las partículas de hielo secundarias en condiciones de nubes ligeramente superenfriadas. Las observaciones de espectros Doppler registradas cada pocos segundos proporcionan información sobre cuántas partículas están presentes y qué tan rápido caen hacia el suelo. Esta información es fundamental para averiguar dónde hay rimers, llovizna, y partículas de hielo secundarias.

Utilizando sofisticadas técnicas de análisis automatizado desarrolladas por Luke, Yang, y Kollias, los científicos escanearon millones de estos espectros de radar Doppler para clasificar las partículas en cubos de datos por tamaño y forma, y ​​compararon los datos con observaciones contemporáneas de globos meteorológicos sobre la presencia de agua de nubes superenfriadas, temperatura, y otras variables. La minería de datos detallada les permitió comparar la cantidad de agujas de hielo secundarias generadas en diferentes condiciones:en presencia de solo rimers, rimers más gotas de llovizna, o simplemente llovizna.

"El gran volumen de observaciones nos permite por primera vez sacar la señal del hielo secundario del 'ruido de fondo' de todos los demás procesos atmosféricos que tienen lugar, y cuantificar cómo y bajo qué circunstancias ocurren los eventos de hielo secundario, "Dijo Luke.

Los resultados fueron claros:las condiciones con gotas de llovizna superenfriadas produjeron eventos dramáticos de multiplicación de hielo, muchos más que rimers.

Impactos a corto y largo plazo

Estos datos del mundo real brindan a los científicos la capacidad de cuantificar el "factor de multiplicación del hielo" para diversas condiciones de nubes, lo que mejorará la precisión de los modelos climáticos y las previsiones meteorológicas.

"Los modelos de predicción meteorológica no pueden manejar toda la complejidad de los procesos microfísicos de la nube. Necesitamos economizar en los cálculos, de lo contrario, nunca obtendría una previsión "dijo Andrew Vogelmann, otro coautor del estudio. "Para hacer eso, tienes que averiguar qué aspectos de la física son más importantes, y luego explicar esa física de la manera más precisa y sencilla posible en el modelo. Este estudio deja en claro que es esencial conocer la llovizna en estas nubes de fase mixta ".

Además de ayudarlo a presupuestar cuánto tiempo adicional necesitará para limpiar el camino de entrada y ponerse a trabajar, Una comprensión más clara de lo que impulsa la formación de hielo secundario puede ayudar a los científicos a predecir mejor cuánta nieve se acumulará en las cuencas hidrográficas para proporcionar agua potable durante todo el año. Los nuevos datos también ayudarán a mejorar nuestra comprensión de cuánto tiempo permanecerán las nubes, que tiene importantes consecuencias para el clima.

"Más partículas de hielo generadas por la producción secundaria de hielo tendrán un gran impacto en las precipitaciones, Radiación solar (la cantidad de luz solar que las nubes se reflejan en el espacio). el ciclo del agua, y la evolución de las nubes de fase mixta, "Dijo Yang.

La vida útil de las nubes es particularmente importante para el clima del Ártico, Luke y Vogelmann señalaron:y el clima ártico es muy importante para el balance energético global de la Tierra.

"Nubes de fase mixta, que contienen agua líquida sobreenfriada y partículas de hielo, puede durar semanas enteras en el Ártico, ", Dijo Vogelmann." Pero si tienes un montón de partículas de hielo, la nube puede despejarse después de que crecen y caen al suelo en forma de nieve. Entonces tendrás la luz del sol capaz de atravesarla y comenzar a calentar el suelo o la superficie del océano ".

Eso podría cambiar la estacionalidad de la nieve y el hielo en el suelo, causando derretimiento y luego aún menos reflejo de la luz solar y más calentamiento.

"Si podemos predecir en un modelo climático que algo va a cambiar el equilibrio de la formación de hielo, llovizna, y otros factores, entonces tendremos una mejor capacidad para anticipar qué esperar en el tiempo y el clima futuros, y posiblemente estar mejor preparado para estos impactos, "Dijo Luke.