Christine Chiu de la Colorado State University enquête sur les nuages. Elle les appelle « objets 3D compliqués qui évoluent rapidement ».

Elle étudie les nuages ​​d'en bas et de tous les côtés avec des radars à balayage de nuages ​​et d'en haut avec des données satellitaires. Ses recherches sont importantes. Les propriétés des nuages ​​sont les principaux déterminants du bilan énergétique de la Terre, pourtant ne sont pas bien représentés dans les modèles actuels.

L'éventail déconcertant de prédictions du système terrestre actuel, Chiu dit, « est en partie le résultat de propriétés inexactes des nuages ​​dans les modèles climatiques ».

Pour améliorer les modèles, il est nécessaire de mieux comprendre les processus physiques et les effets radiatifs des nuages ​​et des précipitations.

À cette fin, Chiu et ses collègues du Colorado, Le Royaume-Uni, et la Finlande a commencé à travailler en juillet 2018 sur un projet de recherche de trois ans qui aborde un puzzle persistant de la microphysique des nuages. Pourquoi la concentration observée de particules de glace dans un système nuageux dépasse-t-elle souvent, de plusieurs ordres de grandeur, le nombre proche de noyaux de glace primaire ?

En somme, pourquoi tant de glace dans les nuages ​​est-elle fabriquée à partir de si peu d'ingrédients apparents ?

Les scientifiques ont un nom pour cette amélioration inattendue des particules de glace :production de glace secondaire, ou SIP.

Au cours des 70 dernières années, les chercheurs ont émis l'hypothèse de nombreux mécanismes qui pourraient expliquer le SIP, comme indiqué dans cet article de synthèse de 2017 dans le Bulletin of the American Meteorological Society.

Les trois mécanismes qui intéressent au premier chef Chiu, le chercheur principal (IP) du projet, beaucoup d'attention dans les discussions en cours. Mais il n'est pas clair lequel est le plus important, ou comment l'initiation et la formation du SIP varient selon les types de nuages.

Chiu et son équipe ont l'intention de confronter ces questions et d'autres sur le processus SIP, et (surtout) de découvrir comment ces processus affectent le rayonnement et les précipitations.

Leur projet de recherche - pour évaluer le SIP dans les nuages ​​continentaux - est financé par le programme de recherche sur le système atmosphérique (ASR) du département américain de l'Énergie (DOE).

Chiu fait partie de la recherche ASR presque continuellement depuis 2006.

Riding, Bouleversant, et collisions

Parmi les trois mécanismes SIP sur lesquels Chiu se concentre, il en est un qui a été émis pour la première fois en 1943. L'éclatement du givre se produit lorsque de grosses particules de glace comme des flocons de neige ou des graupel (granules de neige) collectent des gouttelettes liquides surfondues, générant de nombreux éclats de glace.

L'éclatement des gouttes gelées se produit lorsque des gouttelettes plus grosses gèlent, puis éclater. Plus la température est basse, plus les taux d'éclatement sont élevés.

Collision glace-glace, le troisième mécanisme SIP hypothétique, se produit lorsque des cristaux de glace fragiles, recouvert d'aiguilles fines ou de dendrites élancées, rompre facilement lors de collisions entre eux.

Certaines observations et simulations de modèles ont suggéré que les trois mécanismes SIP peuvent se produire ensemble, dit Chiu, mais à quelles conditions ? "Les processus microphysiques sont beaucoup trop compliqués."

En outre, SIP est-il le processus le plus important de tous ? "Les gens ne savent pas vraiment, " dit-elle. " Mais connaître le début de la concentration de particules de glace est un endroit important où aller. "

Au travail

Pour commencer à obtenir des réponses, "nous craquons des données maintenant, " dit Chiu.

Au CSU, dans la première phase du projet, elle travaille avec Nicholas Kedzuf, un étudiant à la maîtrise, d'examiner les données et d'établir un inventaire complet des propriétés des particules de glace. ("C'est une joie absolue de travailler avec un étudiant aussi excellent, " dit Chiu.)

Les données proviennent d'une campagne de terrain de 2014 en Finlande appelée Biogenic Aerosols—Effects on Clouds and Climate (BAECC), pris en charge par l'installation utilisateur de mesure du rayonnement atmosphérique (ARM) du DOE.

ARM maintient des observatoires atmosphériques fixes à long terme et portables à court terme à travers le monde. Il collecte également, contrôles qualité, et archive toutes ses données de terrain. (Chiu utilise les données ARM depuis 2003.)

BAECC a été conçu pour obtenir des détails importants sur les processus liés aux aérosols, nuage, et la formation de neige qui ne sont pas actuellement bien comprises ou bien représentées dans les modèles du système terrestre.

Pendant la campagne de terrain, les chercheurs ont déployé des mesures multi-instruments coïncidentes, une première lors d'une étude sur le terrain de la microphysique de la neige et de la glace.

D'autres instruments ont fourni les mesures complètes des aérosols dont Chiu a besoin pour calculer le nombre de noyaux de glace primaires. "Sans connaître la concentration des noyaux de glace primaire, " dit Chiu, "nous ne pourrons pas savoir si la production de glace 'secondaire' se produit."

Les mesures pendant le BAECC ont été recueillies dans les étendues glaciales des forêts boréales finlandaises, souvent dans des conditions de nuages ​​profonds et de fortes pluies, ce qui est utile à la mission du projet ASR.

"On pense que la production de glace secondaire se produit dans une zone de température plutôt étroite entre moins-3 et moins-15 degrés Celsius, " dit Chiu. "Nous voulions augmenter nos chances d'observer cette production de glace. La haute latitude est notre environnement idéal."

L'unique, les premières mesures radar multifréquences effectuées lors du BAECC constituent l'un des ensembles de données radar les plus complets des archives ARM, elle dit, mais les données n'ont pas encore été pleinement exploitées.

Deux vétérans finlandais des données BAECC collaborent au projet ASR actuel de Chiu :Tuukka Petäjä de l'Université d'Helsinki, et David Brus de l'Institut météorologique finlandais.

De meilleurs modèles à venir

À juste titre, Chiu est rejoint par V. Chandrasekar de CSU, une autorité internationalement connue sur les systèmes radar et co-PI du projet ASR.

« Les données radar jouent un rôle important dans ce projet, " dit-elle. " Chandrasekar nous aidera à tirer le meilleur parti de ces observations radar. "

Pour obtenir la meilleure qualité de données pour la méthode de récupération du cloud, Chiu travaille également en étroite collaboration avec les mentors des instruments radar ARM Bradley Isom et Nitin Bharadwaj. Les deux sont au Pacific Northwest National Laboratory à Richland, Washington.

Un autre collègue de la CSU aidera dans le projet ASR. Susan van den Heever, un expert en microphysique des nuages, supervise le système régional de modélisation atmosphérique, ou RAMS. Le modèle sera utilisé pour évaluer les résultats du projet.

Van den Heever dit que les processus de glace secondaires jouent un grand rôle dans « la production de précipitations, forçage nuage-radiatif, et la dynamique de l'enclume." Raison de plus pour mieux les comprendre au niveau des processus, Elle ajoute, et de les représenter dans des modèles de recherche et de prévision.

Pour mettre le projet en mouvement, Chiu a écrit les questions scientifiques ainsi que l'algorithme de récupération du cloud. Une fois qu'elle et les autres sont confiants quant à leur récupération dans le cloud, ils exécuteront RAMS pour tester leur nouvelle compréhension de SIP.

« En cas de succès, nous proposerons des paramétrisations de glace secondaire plus précises, ", dit Chiu. "Cela conduira à des modèles qui prédisent mieux la teneur en eau glacée et le rayonnement."

À la fin, elle espère que le projet contribuera à améliorer la façon dont la microphysique de la glace est représentée dans les modèles et donc à réduire les erreurs dans l'estimation des précipitations et des rayonnements mondiaux.

"C'est vraiment nouveau"

L'objectif de l'équipe est de combler les lacunes critiques dans les connaissances sur les processus microphysiques, dit Chiu. "Les nuages ​​sont encore à bien des égards mystérieux."

La mission plus large du projet est d'attirer l'attention sur la nécessité de fréquent, observations robustes pour caractériser les processus SIP.

Historiquement, l'évaluation de l'éclatement du givre et d'autres mécanismes SIP dépend des données d'observation des aéronefs. Mais Chiu et son équipe mettent au point une méthode pour intégrer également les puissants radars au sol d'ARM afin de mieux quantifier la concentration de particules de glace.

Intégrer des radars pour résoudre le casse-tête SIP « est un projet à haut risque, " dit-elle. " C'est vraiment nouveau. Nous essayons de récupérer quelque chose d'une manière que personne n'a jamais faite auparavant en dehors d'un laboratoire ou des données d'un avion."

Dans certaines de ses recherches antérieures sur l'ASR, Chiu a fait des sauts méthodologiques dans la récupération des propriétés microphysiques et optiques, en utilisant ce qu'elle appelle des mesures "synergiques" du radar de nuages, lidar, et les spectromètres à ondes courtes.

Chiu trouve des moyens de tirer parti de la façon dont les nuages ​​et le rayonnement affectent les observations de télédétection. Par exemple, elle a combiné des mesures de rayonnement solaire et des tranches radar pour récupérer une haute résolution, champs de nuages ​​tridimensionnels pour la première fois dans des situations de nuages ​​​​couverts et brisés.

Elle appelle cela "une étape clé pour améliorer notre compréhension des cycles de vie et de l'organisation du cloud".

Chiu et ses collègues ont également développé une nouvelle méthode pour récupérer simultanément les profils verticaux des nuages ​​et de la bruine. Il est bien connu que la bruine domine souvent la réflectivité radar observée. Ils ont proposé un moyen de contourner cela en utilisant la télédétection active sur les nuages ​​de la couche limite marine.

Les données proviennent de huit transects de l'océan Pacifique par un porte-conteneurs Horizon Lines équipé d'instruments atmosphériques lors de la campagne de terrain Marine ARM GPCI Investigation of Clouds (MAGIC) de 2012 et 2013.

Chiu a également effectué des recherches sur le terrain aux Açores, en tant que co-chercheur pour la campagne Aerosol and Cloud Experiments in the Eastern North Atlantic (ACE-ENA). L'étude des nuages ​​bas et des aérosols de la couche limite marine a eu lieu à l'été 2017 et à l'hiver 2018.

"Je trouve les interactions entrelacées entre la bruine, des nuages, aérosols, dynamique, et rayonnement fascinant, " dit Chiu.

Un chemin vers la science du cloud

Le courage d'affronter les risques, et voyager loin pour atteindre ses objectifs, a caractérisé la vie de Chiu jusqu'à présent.

Né à Taïwan, et bon tôt en maths et en physique, elle a pris son premier risque scientifique à 13 ans. Toujours au collège, elle avait une question sur la chimie et l'a hardiment postée au légendaire Wu Ta-You, maintenant connu sous le nom de « père de la physique chinoise ».

Il a répondu une réponse manuscrite de 10 pages. Cela la secoua de joie.

"Vous pouvez imaginer ce que je ressentais, " dit Chiu. " Il a énuméré plusieurs arguments et expliqué comment résoudre la question. C'était la première fois que je voyais que connaître la réponse n'était peut-être pas la chose la plus importante, que le processus en lui-même était plus amusant !"

Elle ajoute :"Je n'étais qu'une petite fille d'une ville pas très développée, alors sa lettre m'a vraiment inspiré et touché. Je suis toujours reconnaissant pour cela."

Au lieu d'être astronaute

Des études de licence à l'Université centrale nationale de Taïwan ont donné à Chiu son premier aperçu des sciences de l'atmosphère - un intérêt qui s'est développé après qu'elle a réalisé qu'elle ne pouvait pas être astronaute, son premier amour scientifique. "Je suis très myope, " she confesses, "and get motion sickness."

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

As a postdoctoral researcher, she joined the Joint Center for Earth Systems Technology at the University of Maryland, Baltimore County. À la fois, 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, aérosols, précipitation, and radiation.

À la fois, 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."