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