Un equipo dirigido por científicos atmosféricos del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. ha demostrado las primeras observaciones remotas de la estructura a escala fina en la base de las nubes. Los resultados, recién publicados en npj Climate and Atmospheric Science , muestran que la interfaz aire-nube no es un límite perfecto, sino más bien una zona de transición donde las partículas de aerosol suspendidas en la atmósfera de la Tierra dan lugar a las gotitas que finalmente forman las nubes.

"Estamos interesados ​​en esta 'zona de activación de gotas', donde la mayoría de las gotas de las nubes se forman inicialmente en la base de la nube, porque la cantidad de gotas que se forman allí afectará las etapas posteriores y las propiedades de la nube, incluida la cantidad de luz solar que refleja una nube y la probabilidad de precipitación", afirmó Fan Yang, científico atmosférico de Brookhaven y primer autor del artículo.

"Si hay más aerosoles en la atmósfera, las nubes tienden a tener más gotas, pero cada una de ellas será más pequeña, lo que significa que pueden reflejar más luz solar", dijo Yang. "Esto podría ayudar a enfriar nuestra Tierra que se está calentando", señaló.

Pero para predecir con precisión los impactos de estas interacciones entre aerosoles y nubes en el sistema climático, los científicos necesitan una forma de medir la concentración del número de gotas en las nubes, sin tener que volar entre muchas nubes para recolectar muestras.

"Este sigue siendo uno de los mayores desafíos en nuestro campo", afirmó Yang.

Las nuevas mediciones y métodos de teledetección proporcionan una forma novedosa de estimar la concentración de gotas, lo que permitirá a los científicos obtener información sobre cómo los cambios en los niveles de aerosoles atmosféricos podrían afectar las nubes y el clima.

Ver las nubes con más detalle

Los lidares atmosféricos, que envían rayos láser a la atmósfera y miden las señales de luz retrodispersadas por moléculas, aerosoles y gotas de nubes en la atmósfera, se han utilizado ampliamente para medir la distancia a la base de las nubes. Pero los lidars tradicionales no pueden resolver estructuras detalladas dentro de la base de la nube porque normalmente tienen una resolución de 10 metros o más.

"Diez metros es como la altura de un edificio", dijo Yang, destacando la capacidad de esta escala para detectar objetos grandes. "Pero para saber cuántos pisos o ventanas tiene ese edificio, necesitarías una resolución mucho más fina".

Para ver los detalles dentro de la base de la nube, el equipo de Brookhaven trabajó con colegas del Stevens Institute of Technology (SIT) y Raymetrics S.A. para construir un nuevo tipo de lidar. Su dispositivo, descrito en una publicación anterior, es un lidar de conteo de fotón único (T2 lidar) sincronizado y correlacionado en el tiempo con una resolución de hasta 10 centímetros. Esa es una resolución dos órdenes de magnitud mayor que la de los lidars atmosféricos tradicionales.

"Con una resolución tan alta, las observaciones del lidar T2 revelan la zona de transición donde las partículas de aerosol absorben vapor de agua para transformarlo en gotas de nubes", dijo Yang.

"Utilizamos nuestras observaciones T2 a escala fina sin precedentes de la región de la base de las nubes para desarrollar un modelo teórico para estimar la concentración de gotas de las nubes basándose en señales de retrodispersión medidas en T2", añadió.

Una característica única del lidar T2 es la aplicación de la técnica de sincronización temporal, que obliga al detector a abrir su "ojo" para realizar mediciones en una estrecha ventana de observación en la atmósfera.

"Esta sincronización nos permite 'mirar' una región específica de interés dentro de la nube. Esto es diferente de un lidar convencional, donde el 'ojo' del lidar está generalmente abierto y está listo para capturar fotones retrodispersados ​​casi todo el tiempo. ", dijo Yang.

Al establecer el retraso entre el pulso láser del lidar T2 y la apertura del ojo en diferentes intervalos de tiempo, los científicos pueden muestrear señales en diferentes regiones a través de la nube.

El dispositivo también tiene una tasa de repetición muy alta, disparando 20.000 pulsos láser por segundo.

"Podemos aprender sobre las propiedades de las nubes a partir de cómo se distribuyen las señales retrodispersadas dentro de la ventana de observación", dijo Yang.

Solicitud de observaciones de cámaras de niebla

Para que la técnica sea realmente útil para mediciones remotas precisas del mundo real, el lidar T2 deberá calibrarse adecuadamente. Es decir, los científicos necesitan comprender completamente cómo las señales de luz medidas coinciden con las propiedades de las nubes del mundo real para poder afinar los algoritmos computacionales que han escrito para relacionar unas con otras.

Las mediciones tradicionales de las nubes atmosféricas mediante LIDAR a veces se verifican y calibran haciendo volar un avión a través de las nubes para capturar muestras de gotas. Los científicos intentan calibrar las lecturas del lidar con las propiedades "verdaderas" de las gotas obtenidas desde las mediciones realizadas por aviones in situ.

"El problema es que la teledetección y las mediciones in situ normalmente no están ubicadas en el mismo lugar", dijo Yang. Es decir, es muy poco probable que un lidar que apunta hacia arriba con una resolución aproximada y un avión que vuela horizontalmente para recolectar un flujo de muestra delgado estén recopilando datos en la misma parte de la nube al mismo tiempo.

Para mejorar esta situación, el equipo de Brookhaven y SIT está utilizando una técnica similar a la que usaron en el lidar T2 para construir un lidar con una resolución aún más fina, de hasta un centímetro. Al utilizar este lidar de mayor resolución para realizar observaciones en una cámara de niebla de laboratorio, podrán hacer coincidir las señales de retrodispersión con mediciones in situ de las propiedades físicas de las nubes tomadas al mismo tiempo y en el mismo lugar. P>

"Entonces podremos llevar el lidar nuevamente a la atmósfera real y tener más confianza en cómo nuestras mediciones lidar se relacionan con las propiedades de las nubes, como el número de gotas, la concentración y la distribución", afirmó Yang.

"Esto es sólo el comienzo", señaló Yang. "Nuestro estudio destaca los beneficios de aplicar tecnologías avanzadas para observar las nubes atmosféricas a escalas submétricas, lo que puede abrir nuevas vías para avanzar en nuestra comprensión de las propiedades y procesos microfísicos de las nubes que son cruciales para el tiempo y el clima".