Christine Chiu de la Universidad Estatal de Colorado investiga las nubes. Ella los llama "objetos tridimensionales complicados que evolucionan rápidamente".

Ella estudia las nubes desde abajo y en todos los lados con radares de escaneo de nubes y desde arriba con datos satelitales. Su investigación es importante. Las propiedades de las nubes son los principales determinantes del presupuesto energético de la Tierra, sin embargo, no están bien representados en los modelos actuales.

La desconcertantemente amplia gama de predicciones del sistema terrestre actual, Chiu dice, "es en parte el resultado de propiedades inexactas de las nubes en los modelos climáticos".

Para mejorar modelos, es necesario comprender mejor los procesos físicos y los efectos radiativos de las nubes y las precipitaciones.

Con ese fin, Chiu y colegas en Colorado, el Reino Unido, y Finlandia comenzaron a trabajar en julio de 2018 en un proyecto de investigación de tres años que aborda un rompecabezas perdurable de la microfísica de la nube. ¿Por qué la concentración observada de partículas de hielo en un sistema de nubes a menudo excede, en varios órdenes de magnitud, el número cercano de núcleos de hielo primarios?

En suma, ¿Por qué se hace tanto hielo en las nubes a partir de tan pocos ingredientes aparentes?

Los científicos tienen un nombre para esta mejora inesperada de las partículas de hielo:producción secundaria de hielo, o SIP.

En los últimos 70 años, Los investigadores han planteado la hipótesis de muchos mecanismos que podrían explicar SIP, como se describe en este artículo de revisión de 2017 en el Boletín de la Sociedad Meteorológica Estadounidense.

Los tres mecanismos de interés principal para Chiu, el investigador principal del proyecto (PI), obtener mucha atención en las discusiones actuales. Pero no está claro cuál es el predominante, o cómo varía la iniciación y formación de SIP con los tipos de nubes.

Chiu y su equipo tienen la intención de enfrentar estas y otras preguntas del proceso SIP, y (lo que es más importante) descubrir cómo estos procesos afectan la radiación y la precipitación.

Su proyecto de investigación, para evaluar SIP en nubes continentales, está financiado por el programa de Investigación del Sistema Atmosférico (ASR) del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE).

Chiu ha sido parte de la investigación de ASR casi continuamente desde 2006.

Llantas Aplastante, y colisiones

Entre los tres mecanismos SIP en los que se centra Chiu, hay uno que se planteó por primera vez en 1943. El astillado de la escarcha se produce cuando las partículas de hielo de gran tamaño, como copos de nieve o graupel (gránulos de nieve), acumulan gotas de líquido superenfriadas. generando numerosas astillas de hielo.

La rotura de gotas congeladas ocurre cuando las gotas más grandes se congelan, luego astilla. Cuanto menor sea la temperatura, cuanto mayor sea la tasa de rotura.

Colisión hielo-hielo, el tercer mecanismo SIP hipotetizado, sucede cuando frágiles cristales de hielo, recubierto de finas agujas o dendritas delgadas, romperse fácilmente durante las colisiones entre sí.

Algunas observaciones y simulaciones de modelos han sugerido que los tres mecanismos SIP pueden suceder juntos, dice Chiu, pero ¿en qué condiciones? "Los procesos microfísicos son demasiado complicados".

Adicionalmente, ¿SIP es el proceso más importante de todos? "La gente en realidad no sabe ", dice." Pero conocer el comienzo de la concentración de partículas de hielo es un lugar importante para ir ".

En el trabajo

Para comenzar a obtener algunas respuestas, "estamos descifrando datos ahora, "dice Chiu.

En CSU, en la primera fase del proyecto, ella está trabajando con Nicholas Kedzuf, estudiante de maestría, para observar los datos y establecer un inventario completo de las propiedades de las partículas de hielo. ("Es un placer trabajar con un estudiante tan excelente, "dice Chiu.)

Los datos provienen de una campaña de campo de 2014 en Finlandia llamada Aerosoles biogénicos:efectos en las nubes y el clima (BAECC), apoyado por la instalación de usuario de Medición de Radiación Atmosférica (ARM) del DOE.

ARM mantiene observatorios atmosféricos fijos a largo plazo y portátiles a corto plazo en todo el mundo. También recolecta, controles de calidad, y archiva todos sus datos de campo. (Chiu ha utilizado datos de ARM desde 2003).

BAECC fue diseñado para obtener detalles importantes sobre procesos relacionados con aerosoles, nube, y formación de nieve que actualmente no se comprenden bien ni se representan bien en los modelos del sistema terrestre.

Durante la campaña de campo, los investigadores desplegaron mediciones coincidentes de múltiples instrumentos, por primera vez durante un estudio de campo de microfísica de nieve y hielo.

Otros instrumentos proporcionaron las medidas completas de aerosoles que Chiu necesita para calcular el número de núcleos de hielo primarios. "Sin conocer la concentración de núcleos de hielo primarios, "dice Chiu, "No podremos saber si se produce una producción de hielo 'secundaria'".

Las mediciones durante el BAECC se recolectaron en los frígidos tramos de los bosques boreales finlandeses, a menudo durante condiciones de nubes profundas y lluvias intensas, lo cual es útil para la misión del proyecto ASR.

"Se cree que la producción secundaria de hielo ocurre en una zona de temperatura bastante estrecha entre -3 y -15 grados Celsius, ", dice Chiu." Queríamos aumentar nuestras posibilidades de observar esa producción de hielo. La latitud alta es nuestro entorno ideal ".

El único, Las mediciones de radar multifrecuencia realizadas por primera vez durante el BAECC comprenden uno de los conjuntos de datos de radar más completos del archivo ARM. ella dice, pero los datos aún no se han explotado por completo.

Dos veteranos de datos BAECC de Finlandia son colaboradores en el actual proyecto ASR de Chiu:Tuukka Petäjä de la Universidad de Helsinki, y David Brus del Instituto Meteorológico de Finlandia.

Mejores modelos por delante

Oportunamente, Chiu está acompañado por V. Chandrasekar de CSU, una autoridad internacionalmente conocida en sistemas de radar y co-PI del proyecto ASR.

"Los datos de radar juegan un papel importante en este proyecto, ", dice." Chandrasekar nos ayudará a obtener lo mejor de estas observaciones de radar ".

Para lograr la mayor calidad de datos para el método de recuperación en la nube, Chiu también trabaja en estrecha colaboración con los mentores de instrumentos de radar ARM Bradley Isom y Nitin Bharadwaj. Ambos se encuentran en el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico en Richland, Washington.

Otro colega de CSU ayudará en el proyecto ASR. Susan van den Heever, un experto en microfísica de nubes, supervisa el Sistema Regional de Modelado Atmosférico, o RAMS. El modelo se utilizará para evaluar los resultados del proyecto.

Van den Heever dice que los procesos secundarios de hielo juegan un papel importante en la "producción de precipitación, forzamiento radiativo de nubes, y la dinámica del yunque ". Razón de más para comprenderlos mejor a nivel de proceso, ella agrega, y representarlos en modelos de investigación y pronóstico.

Para poner el proyecto en marcha, Chiu escribió las preguntas científicas y el algoritmo de recuperación de nubes. Una vez que ella y los demás se sientan seguros de su recuperación en la nube, ejecutarán RAMS para probar su nueva comprensión de SIP.

"Si tiene éxito, crearemos parametrizaciones de hielo secundario más precisas, ", dice Chiu." Eso conducirá a modelos que predicen mejor el contenido de agua helada y la radiación ".

En el final, espera que el proyecto ayude a mejorar la representación de la microfísica del hielo en los modelos y, por lo tanto, reduzca los errores en la precipitación y radiación global estimada.

'Es realmente nuevo'

El objetivo del equipo es llenar los vacíos críticos de conocimiento sobre los procesos microfísicos, dice Chiu. "Las nubes siguen siendo misteriosas en muchos sentidos".

La misión más amplia del proyecto es llamar la atención sobre la necesidad de frecuente, observaciones robustas para caracterizar procesos SIP.

Históricamente, La evaluación de la fragmentación de la escarcha y otros mecanismos SIP dependen de los datos de observación de las aeronaves. Pero Chiu y su equipo están ideando un método para incorporar también los poderosos radares terrestres de ARM para cuantificar mejor la concentración de partículas de hielo.

La incorporación de radares para resolver el rompecabezas SIP "es un proyecto de alto riesgo, "Ella dice." Es realmente nuevo. Estamos tratando de recuperar algo de una manera que nadie ha hecho antes fuera de los datos de un laboratorio o de un avión ".

En algunas de sus investigaciones anteriores sobre ASR, Chiu dio saltos metodológicos en la recuperación de propiedades ópticas y microfísicas, utilizando lo que ella llama mediciones "sinérgicas" del radar de nubes, lidar, y espectrómetros de onda corta.

Chiu encuentra formas de aprovechar la forma en que las nubes y la radiación afectan las observaciones de teledetección. Por ejemplo, Ella combinó mediciones de radiación solar y cortes de radar para recuperar alta resolución, Campos de nubes tridimensionales por primera vez tanto en situaciones de nubosidad como de nubes rotas.

Ella lo llama "un paso clave para mejorar nuestra comprensión de los ciclos de vida de la nube y la organización de la nube".

Chiu y sus colegas también desarrollaron un método novedoso para recuperar simultáneamente perfiles verticales de nubes y llovizna. Es bien sabido que la llovizna a menudo domina la reflectividad de radar observada. Propusieron una forma de evitar eso mientras usaban la teledetección activa en las nubes de la capa límite marina.

Los datos provienen de ocho transectos del Océano Pacífico por un buque portacontenedores de Horizon Lines equipado con instrumentos atmosféricos durante la campaña de campo Marine ARM GPCI Investigation of Clouds (MAGIC) de 2012 y 2013.

Chiu también ha realizado investigaciones de campo en las Azores, sirviendo como co-investigador para la campaña Experimentos de Aerosol y Nubes en el Atlántico Norte Oriental (ACE-ENA). El estudio de las nubes bajas y los aerosoles de la capa límite marina se llevó a cabo en el verano de 2017 y en el invierno de 2018.

"Encuentro las interacciones entrelazadas entre la llovizna, nubes aerosoles, dinámica, y radiación fascinante, "dice Chiu.

Un camino hacia la ciencia de la nube

El coraje de afrontar los riesgos, y viajar lejos para lograr sus objetivos, ha caracterizado la vida de Chiu hasta ahora.

Nacido en Taiwán, y bueno temprano en matemáticas y física, tomó su primer riesgo científico a los 13 años. Aún en la escuela secundaria, tenía una pregunta sobre química y se la envió audazmente al legendario Wu Ta-You, ahora conocido como el "Padre de la Física China".

Escribió una respuesta manuscrita de 10 páginas. La estremeció de alegría.

"Puedes imaginar cómo me sentí, "dice Chiu." Enumeró varios argumentos y explicó cómo resolver la cuestión. Fue la primera vez que vi que conocer la respuesta puede no ser lo más importante, ¡que el proceso en sí es más divertido! "

Ella agrega:"Yo era solo una niña de una ciudad no tan desarrollada, así que su carta realmente me inspiró y me conmovió. Siempre estoy agradecido por eso ".

En lugar de ser astronauta

Los estudios de licenciatura en la Universidad Nacional Central de Taiwán le dieron a Chiu su primer contacto con la ciencia atmosférica, un interés que surgió después de que se dio cuenta de que no podía ser astronauta. su primer amor por la ciencia. "Soy muy miope, "confiesa, "and get motion sickness."

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

Como investigador postdoctoral, she joined the Joint Center for Earth Systems Technology at the University of Maryland, Baltimore County. Al mismo tiempo, 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, aerosoles, precipitación, and radiation.

Al mismo tiempo, 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."