¿Se agrupan las gotas de agua dentro de las nubes? Los investigadores confirman dos décadas de teoría con un instrumento de imágenes aerotransportado.

Como gotas de lluvia que atraviesan las ventanas de su automóvil mientras conduce a través de una tormenta, las gotas de agua en las nubes viajan en líneas de flujo de aire, siguiendo corrientes de aire generalmente sin tocarse. Sin embargo, el aire dentro de las nubes tiende a ser turbulento, como puede atestiguar cualquier viajero nervioso, y el aire turbulento arremolinado hace que las gotas se agrupen.

Por 20 años, Los científicos atmosféricos han conjeturado que las gotas de agua se agrupan dentro de las nubes, en gran parte debido al conocimiento de que los flujos de aire turbulentos están llenos de vórtices giratorios que mezclan bien los fluidos. Pero las nubes se arremolinan en escalas tan vastas, que persistían las dudas sobre si la turbulencia simulada por una computadora o generada en un laboratorio podría trasladarse a la atmósfera. Un equipo de investigadores en ciencias atmosféricas ha llevado instrumentos a la atmósfera misma, y han confirmado que las gotas de agua se agrupan en el interior de las nubes.

El artículo, "Agrupación de gotitas a escala fina en nubes atmosféricas:función de distribución radial 3-D de la holografía digital aerotransportada, "fue publicado en noviembre en la revista Cartas de revisión física .

Para tomar esta determinación, los investigadores llevaron sus experimentos al cielo, utilizando un instrumento holográfico aerotransportado conocido como HOLODEC, abreviatura del detector holográfico de nubes. El instrumento está fijado bajo el ala de la aeronave de la Plataforma Aerotransportada Instrumentada de Alto Rendimiento para Investigación Ambiental Gulfstream-V operada por el Centro Nacional de Investigación Atmosférica (NCAR) y la Fundación Nacional de Ciencias (NSF). El HOLODEC se asemeja a una garra, sus puntas pueden grabar imágenes tridimensionales para capturar la forma, tamaño y posición espacial de todo lo que pasa entre ellos.

"La señal de agrupación que observamos es muy pequeña, como suele ocurrir en la ciencia, Se tuvo que realizar un análisis cuidadoso para detectar una pequeña señal y convencernos de que era real, "dijo Raymond Shaw, profesor de física y director del programa de doctorado en ciencias atmosféricas.

Extendido por el cielo

Susanne Glienke, quien fue investigador doctoral visitante en la Universidad Tecnológica de Michigan del Instituto Max-Planck de Química y la Universidad Johannes Gutenberg en Mainz, Alemania, llevó a cabo la recopilación de datos y el análisis de imágenes holográficas. Luego le pasó la información a Mike Larsen, profesor asociado en el College of Charleston y ex alumno de Michigan Tech, que observó qué tan apretadas se agrupan las gotas calculando la probabilidad de encontrar dos gotas espaciadas a una distancia específica en comparación con la probabilidad de encontrarlas a la misma distancia en un entorno distribuido aleatoriamente. Determinó que el agrupamiento de gotas se vuelve más pronunciado a distancias más pequeñas de partícula a partícula.

"Si las gotas se acumulan en las nubes, tienen más probabilidades de colisionar, ", Dijo Glienke." Las colisiones aumentan la velocidad a la que crecen las gotas, y por lo tanto puede disminuir el tiempo necesario hasta que comience la precipitación ".

Glienke señala que conocer la agrupación mejora el conocimiento general de las nubes y puede conducir a mejoras en la predicción del comportamiento de las nubes:¿Cuándo lloverán? ¿Cuánto durarán las nubes?

Adicionalmente, además de influir en la lluvia, la agrupación en clústeres también reduce la vida útil de la nube. Si una nube se disipa más rápido, tiene una menor influencia en el balance de radiación e influye en el clima global, si hay muchas nubes involucradas.

El experimento requirió una muestra larga y continua, volar el avión a través de cubiertas de nubes estratocúmulos a una altitud constante.

"No estábamos seguros de poder detectar una señal, ", Dijo Shaw." Las nubes que muestreamos son débilmente turbulentas, pero tienen la ventaja de extenderse a lo largo de cientos de kilómetros, para que pudiéramos muestrear y promediar durante mucho tiempo ".

Las nubes marinas se comportan de manera diferente a las nubes terrestres. Las nubes continentales suelen tener gotitas más pequeñas, debido a núcleos de condensación de nubes más abundantes, que son necesarios para que el agua se condense. Nubes continentales, que suelen ser más turbulentas, tienen más probabilidades de tener gotas agrupadas.

El cielo es el límite

Debido a que las nubes examinadas en el estudio no eran particularmente turbulentas, lo que significaba que era más probable una distribución aleatoria de gotas, hizo que la presencia de gotas agrupadas fuera aún más importante.

"Estábamos emocionados y escépticos al mismo tiempo, cuando vimos por primera vez emerger una señal a partir de datos muy ruidosos, "Dijo Shaw." Se necesitó mucha discusión y pruebas para estar seguro de que la señal era significativa y no un artefacto instrumental.

Shaw señala que esta validación es importante para el campo de la ciencia atmosférica porque la señal de agrupamiento detectada es consistente con los conceptos desarrollados durante las últimas dos décadas. basado en trabajo de laboratorio y teórico.

"En nubes con turbulencias más intensas, la señal de agrupamiento podría ser mucho más fuerte, y podría influir en la velocidad a la que las gotas de las nubes chocan para formar gotas de llovizna, ", Dijo Shaw." Pero exactamente cómo sucede eso necesitará más trabajo ".

La investigación muestra que aún queda mucho por aprender sobre las nubes y sus efectos en el planeta.