Physics of Fluids: Снежинки помогут ученым составлять прогноз погоды

В ходе исследования, которое может улучшить прогнозирование погоды, ученые из Юты обнаружили, что движение снежинок удивительно предсказуемо.

Тим Гарретт посвятил свою научную карьеру описанию снежинок — протеиновых частиц льда, которые образуются в облаках и кардинально меняются при падении на Землю.

Теперь ученый-атмосферолог из Университета Юты раскрывает тайну того, как снежинки движутся в ответ на турбулентность воздуха, сопровождающую снегопад, с помощью новых приборов, разработанных в кампусе. Проанализировав более полумиллиона снежинок, его команда пришла в изумление.

Оказалось, что предсказать движение снежинок не так уж сложно, как кажется, а удивительно просто.

То, как падают снежинки, вызывает большой интерес уже много десятилетий, потому что это критически важный параметр для прогнозирования погоды и изменения климата, — говорит Гарретт.

Это связано со скоростью круговорота воды. От того, как быстро влага падает с неба, зависит продолжительность штормов.

Письма, посланные с небес

Известный японский физик Укичиро Накая назвал снежные кристаллы «письмами, посланными с небес», поскольку их тонкие структуры несут информацию о колебаниях температуры и влажности в облаках, где базальные и призматические грани кристаллов конкурируют за осаждение водяных паров.

Хотя считается, что каждая снежинка совершенно уникальна, то, как эти морозные частицы падают в воздухе — ускоряются, дрейфуют и кружатся, — подчиняется определенным закономерностям, согласно новому исследованию Гаррета и его коллег из Инженерного колледжа. Движение снежинок имеет важное значение для прогнозирования погоды и изменения климата, даже в тропиках.

Большинство осадков начинается как снег. Вопрос о том, как быстро он падает, влияет на прогнозы того, где на земле выпадают осадки, и как долго облака отражают излучение в космос, — говорит Гарретт.

Это может даже повлиять на прогнозы траектории урагана.

В исследовании также участвуют Дхирадж Сингх и Эрик Пардьяк с факультета машиностроения Университета.

Для изучения движения снежинок команде понадобился способ измерения отдельных снежинок, что было сложной загадкой на протяжении многих лет.

У них очень маленькая масса. Они могут весить всего 10 микрограммов, сотые доли миллиграмма, поэтому их невозможно взвесить с очень высокой точностью, — говорит Гарретт.

Работая с преподавателями инженерного факультета, Гарретт разработал прибор под названием Differential Emissivity Imaging Disdrometer, или DEID, который измеряет массу, размер и плотность гидрометеоритов снежинок. Впоследствии это устройство было коммерциализировано компанией, соучредителем которой является Гарретт, под названием Particle Flux Analytics. По его словам, Департамент транспорта штата Юта установил это оборудование в каньоне Литтл Коттонвуд, чтобы помочь в прогнозировании схода лавин.

Для полевых экспериментов Гарретта его команда установила оборудование в Альте, известном горнолыжном курорте и самом снежном месте штата Юта зимой 2020-21 года. Приборы были развернуты наряду с измерениями температуры воздуха, относительной влажности и турбулентности, а также размещены непосредственно под системой слежения за частицами, состоящей из лазерной лампы и однообъективной зеркальной камеры.

Измеряя турбулентность, массу, плотность и размер снежинок и наблюдая за тем, как они перемещаются в турбулентности, — говорит Гарретт, — мы смогли создать полную картину, которую раньше не удавалось получить в естественных условиях.

Полученные результаты оказались не такими, как ожидала команда.

Несмотря на сложную форму снежинок и неравномерное движение воздуха, с которым они сталкиваются, исследователи обнаружили, что могут предсказать ускорение снежинок на основе параметра, известного как число Стокса (St), который отражает, насколько быстро частицы реагируют на изменения в движении окружающего воздуха.

Когда команда проанализировала ускорение отдельных снежинок, оказалось, что среднее значение почти линейно увеличивается с ростом числа Стокса. Более того, распределение этих ускорений можно было описать одной экспоненциальной кривой, не зависящей от числа Стокса.

Исследователи обнаружили, что эта же математическая закономерность может быть связана с тем, как изменение формы и размера снежинок влияет на скорость их падения, что говорит о фундаментальной связи между движением воздуха и тем, как меняются снежинки при падении из облаков на землю.

По-моему, это почти мистика, — говорит Гарретт.

В атмосфере происходит нечто более глубокое, что приводит к математической простоте, а не к необычайной сложности, которую мы ожидаем, глядя на сложные структуры снежинок, хаотично вращающихся в турбулентном воздухе. Нужно только правильно посмотреть на это, и наши новые приборы позволяют нам это увидеть.

Исследование опубликовано в журнале Physics of Fluids.

19.12.2023


Подписаться в Telegram



Экология

Российские ученые нашли на Эльбрусе цинк и медь
Российские ученые нашли на Эльбрусе цинк и медь

Биологи изучили ледники Эльбруса, и ...

Ноша последствий изменения климата ляжет на хрупкие женские плечи
Ноша последствий изменения климата ляжет на хрупкие женские плечи

Согласно новому исследованию, опубликованному ...

Nature Geoscience: Тысячелетия тому назад Нил был совсем другим
Nature Geoscience: Тысячелетия тому назад Нил был совсем другим

Исследователи изучили, как развивалась ре...

Ученые впервые количественно оценили пробелы в удалении углерода
Ученые впервые количественно оценили пробелы в удалении углерода

Новое исследование, проведенное Университетом ...

NREE: Виноградари всего мира бьют тревогу из-за изменения климата
NREE: Виноградари всего мира бьют тревогу из-за изменения климата

Виноград, выращиваемый для производства в...

Climate Dynamics: Вот как условия на суше влияют на муссонный климат Азии
Climate Dynamics: Вот как условия на суше влияют на муссонный климат Азии

Исследователи из Токийского столичного ун...

Лаборатория Sandia нашла новые подсказки о потеплении в Арктике
Лаборатория Sandia нашла новые подсказки о потеплении в Арктике

Арктика, ледяная корона Земли, переживает клим...

EHP: Изменение климата может повлиять на вес детей при рождении
EHP: Изменение климата может повлиять на вес детей при рождении

Изменение климата может представлять большую о...

Natural Hazards: Смешанные леса защищают от цунами лучше монокультурных
Natural Hazards: Смешанные леса защищают от цунами лучше монокультурных

Прибрежные леса в Японии преимущественно ...

PTRSB: Эволюция может помешать людям решить проблему изменения климата
PTRSB: Эволюция может помешать людям решить проблему изменения климата

Центральные особенности эволюции человека могу...

Поиск на сайте

Знатоки клуба инноваций


ТОП - Новости мира, инновации

Nature: Поражение лёгких при COVID долго не проходит из-за реакции иммунитета
Nature: Поражение лёгких при COVID долго не проходит из-за реакции иммунитета
JACS: Ученые выяснили, как повысить эффективность фотокатализа
JACS: Ученые выяснили, как повысить эффективность фотокатализа
В ПИШ КАИ создали «мост» к цифровому двойнику композитных преформ
В ПИШ КАИ создали «мост» к цифровому двойнику композитных преформ
Nature Energy: Создана мембрана для удаления CO2, работающая на влажности
Nature Energy: Создана мембрана для удаления CO2, работающая на влажности
Nature Communications: Доказана перспективность универсальной вакцины от гриппа
Nature Communications: Доказана перспективность универсальной вакцины от гриппа
PRC: Ядерная структура титана-48 меняется при наблюдении с разного расстояния
PRC: Ядерная структура титана-48 меняется при наблюдении с разного расстояния
PRSBBS: Несколько видов муравьев выработали одинаковые отношения с деревьями
PRSBBS: Несколько видов муравьев выработали одинаковые отношения с деревьями
Кристаллографы СПбГУ раскрыли структуру минерала, открытого более 70 лет назад
Кристаллографы СПбГУ раскрыли структуру минерала, открытого более 70 лет назад
В МТУСИ разработали систему отслеживания модели человека во время фитнеса
В МТУСИ разработали систему отслеживания модели человека во время фитнеса
Учёные КФУ разработали новые материалы для металл-ионных аккумуляторов
Учёные КФУ разработали новые материалы для металл-ионных аккумуляторов
Студенты СевГУ предложили способ найти сбежавшую собаку при помощи спутника
Студенты СевГУ предложили способ найти сбежавшую собаку при помощи спутника
Московский Политех открывает «Книгу будущего» для развития инновационных изданий
Московский Политех открывает «Книгу будущего» для развития инновационных изданий
Эффективность светодиодов для дополненной реальности выросла вдвое
Эффективность светодиодов для дополненной реальности выросла вдвое
Advanced Materials: Гидрогелевое средство контрацепции сможет лечить эндометриоз
Advanced Materials: Гидрогелевое средство контрацепции сможет лечить эндометриоз
Nature Physics: Новый коллайдер стал ближе с технологией маршалинга мюонов
Nature Physics: Новый коллайдер стал ближе с технологией маршалинга мюонов

Новости компаний, релизы

Московский вуз готовит профессионалов для защиты учебных заведений
Ведущие игроки агрорынка представят новинки на «Дне поля» в Агробиотехнопарке Казанского ГАУ
Московский Политех и ведущие российские компании запускают 79 практико-ориентированных образовательных программ
Студенты Университета МИСИС выиграли 2.8 млн рублей в хакатоне «Лидеры цифровой трансформации»
U-NOVUS 2024: технологическое развитие России немыслимо без университетов и инвестиций бизнеса в техпред