D'où vient la neige ? Cela peut sembler une question simple à méditer alors que la moitié de la planète émerge d'une saison où l'on regarde des flocons fantaisistes tomber du ciel et les pelleter des allées. Mais une nouvelle étude sur la façon dont l'eau se transforme en glace dans les nuages ​​arctiques légèrement surfondus peut vous faire repenser la simplicité de la substance pelucheuse. L'étude, publié par des scientifiques du laboratoire national de Brookhaven du Département de l'énergie des États-Unis (DOE) dans le Actes de l'Académie nationale des sciences , comprend de nouvelles preuves directes que les gouttelettes de bruine fracassantes entraînent des événements explosifs de « multiplication de glace ». Les résultats ont des implications pour les prévisions météorologiques, modélisation climatique, l'approvisionnement en eau et même les infrastructures énergétiques et de transport.

"Nos résultats jettent un nouvel éclairage sur la compréhension antérieure basée sur des expériences en laboratoire sur la façon dont les gouttelettes d'eau surfondues - de l'eau encore liquide en dessous de son point de congélation - se transforment en glace et finalement en neige, " a déclaré Edward Luke, scientifique de l'atmosphère de Brookhaven Lab, l'auteur principal de l'article. Les nouveaux résultats, à partir de mesures radar à long terme et de ballons météorologiques dans le monde réel dans des nuages ​​en phase mixte (composés d'eau liquide et de glace) à des températures comprises entre 0 et -10 degrés Celsius (32 et 14° Fahrenheit), fournir des preuves que la fragmentation par le gel des gouttes de bruine est importante pour la quantité de glace qui se formera et qui pourrait tomber de ces nuages ​​sous forme de neige.

« Maintenant, les modèles climatiques et les modèles de prévisions météorologiques utilisés pour déterminer la quantité de neige que vous devrez pelleter peuvent faire un bond en avant en utilisant une physique beaucoup plus réaliste pour simuler la formation de glace « secondaire », " dit Luc.

Qu'est-ce que la glace secondaire?

Les précipitations de neige provenant de nuages ​​surfondus proviennent généralement de particules de glace « primaires », qui se forment lorsque l'eau cristallise sur de minuscules particules de poussière ou d'aérosols dans l'atmosphère, connues sous le nom de particules de nucléation de glace. Cependant, à des températures légèrement surfondues (c'est-à-dire, 0 à -10°C), les observations d'avions ont montré que les nuages ​​peuvent contenir beaucoup plus de cristaux de glace que ne peut l'expliquer le nombre relativement peu élevé de particules de nucléation de glace présentes. Ce phénomène a intrigué la communauté de la recherche atmosphérique pendant des décennies. Les scientifiques ont pensé que l'explication était la production de glace "secondaire", dans lequel les particules de glace supplémentaires sont générées à partir d'autres particules de glace. Mais saisir le processus en action dans l'environnement naturel a été difficile.

Les explications précédentes sur la façon dont les formes de glace secondaire reposaient principalement sur des expériences de laboratoire et limitées, vols d'échantillonnage à court terme à partir d'aéronefs. Une compréhension commune qui est ressortie de plusieurs expériences en laboratoire était que relativement grande, particules de glace tombant rapidement, appelés rimers, peut "collecter" et geler minuscule, des gouttelettes de nuages ​​en surfusion, qui produisent alors plus de minuscules particules de glace, appelés éclats. Mais il s'avère qu'un tel "éclatement du givre" n'est pas presque toute l'histoire.

Les nouveaux résultats de l'Arctique montrent que de plus grosses gouttelettes d'eau surfondues, classé comme bruine, jouent un rôle beaucoup plus important dans la production de particules de glace secondaires qu'on ne le pense généralement.

"Quand une particule de glace frappe l'une de ces gouttes de bruine, il déclenche le gel, qui forme d'abord une solide coquille de glace autour de la goutte, " a expliqué Fan Yang, un co-auteur sur le papier. "Puis, à mesure que le gel se déplace vers l'intérieur, la pression commence à monter parce que l'eau se dilate lorsqu'elle gèle. Cette pression fait éclater la goutte de bruine, générant plus de particules de glace."

Les données montrent que ce processus de « fragmentation gelée » peut être explosif.

"Si vous aviez une particule de glace déclenchant la production d'une autre particule de glace, ce ne serait pas si important, " dit Luke. " Mais nous avons fourni la preuve que, avec ce processus en cascade, la fragmentation par bruine verglaçante peut augmenter de 10 à 100 fois les concentrations de particules de glace dans les nuages, voire 1, 000 à l'occasion !

"Nos résultats pourraient fournir le chaînon manquant pour le décalage entre la rareté des particules primaires de nucléation de glace et les chutes de neige de ces nuages ​​légèrement surfondus."

Des millions d'échantillons

Les nouveaux résultats reposent sur six années de données recueillies par un radar Doppler de longueur d'onde millimétrique pointant vers le haut à l'observatoire atmosphérique du versant nord de l'Alaska de l'installation utilisateur de mesure du rayonnement atmosphérique du DOE à Utqiagvik (anciennement Barrow), Alaska. Les données radar sont complétées par des mesures de température, humidité, et d'autres conditions atmosphériques recueillies par des ballons météorologiques lancés d'Utqiagvik tout au long de la période d'étude.

Le scientifique atmosphérique de Brookhaven Lab et co-auteur de l'étude Pavlos Kollias, qui est également professeur à la division des sciences de l'atmosphère à l'Université Stony Brook, était crucial pour la collecte de ces données radar de longueur d'onde millimétrique d'une manière qui a permis aux scientifiques de déduire comment la glace secondaire s'est formée.

"ARM a été le pionnier de l'utilisation de radars de nuages ​​à courte longueur d'onde depuis les années 1990 pour mieux comprendre les processus microphysiques des nuages ​​et comment ceux-ci affectent le temps sur Terre aujourd'hui. Notre équipe a dirigé l'optimisation de sa stratégie d'échantillonnage de données afin que les informations sur les processus de nuages ​​et de précipitations comme le celui présenté dans cette étude peut être obtenu, " dit Kollias.

La longueur d'onde millimétrique du radar le rend particulièrement sensible à la taille des particules de glace et des gouttelettes d'eau dans les nuages. Sa double polarisation fournit des informations sur la forme des particules, permettant aux scientifiques d'identifier des cristaux de glace en forme d'aiguilles, la forme préférentielle des particules de glace secondaires dans des conditions nuageuses légèrement surfondues. Les observations de spectres Doppler enregistrées toutes les quelques secondes fournissent des informations sur le nombre de particules présentes et la vitesse à laquelle elles tombent vers le sol. Cette information est essentielle pour déterminer où il y a des rimers, bruine, et des particules de glace secondaires.

En utilisant des techniques d'analyse automatisées sophistiquées développées par Luke, Yang, et Kollias, les scientifiques ont scanné des millions de ces spectres radar Doppler pour trier les particules dans des ensembles de données par taille et forme - et ont fait correspondre les données avec des observations de ballons météorologiques contemporaines sur la présence d'eau de nuage surfondue, Température, et d'autres variables. L'exploration détaillée des données leur a permis de comparer le nombre d'aiguilles de glace secondaires générées dans différentes conditions :en présence de rimers seulement, rimers plus gouttes de bruine, ou simplement bruine.

"Le volume considérable d'observations nous permet pour la première fois de sortir le signal de glace secondaire du" bruit de fond "de tous les autres processus atmosphériques en cours et de quantifier comment et dans quelles circonstances les événements de glace secondaires se produisent, " dit Luc.

Les résultats étaient clairs :des conditions avec des gouttes de bruine surfondues ont produit des événements dramatiques de multiplication de glace, beaucoup plus que les rimeurs.

Impacts à court et à long terme

Ces données du monde réel donnent aux scientifiques la possibilité de quantifier le "facteur de multiplication de glace" pour diverses conditions nuageuses, ce qui améliorera la précision des modèles climatiques et des prévisions météorologiques.

« Les modèles de prévision météorologique ne peuvent pas gérer toute la complexité des processus microphysiques du cloud. Nous devons économiser sur les calculs, sinon tu n'aurais jamais de prévisions, " a déclaré Andrew Vogelmann, un autre co-auteur de l'étude. "Pour faire ça, vous devez déterminer quels aspects de la physique sont les plus importants, et ensuite rendre compte de cette physique aussi précisément et simplement que possible dans le modèle. Cette étude montre clairement qu'il est essentiel de connaître la bruine dans ces nuages ​​en phase mixte."

En plus de vous aider à prévoir le temps supplémentaire dont vous aurez besoin pour pelleter votre allée et vous rendre au travail, une meilleure compréhension de ce qui entraîne la formation de glace secondaire peut aider les scientifiques à mieux prévoir la quantité de neige qui s'accumulera dans les bassins hydrographiques pour fournir de l'eau potable tout au long de l'année. Les nouvelles données aideront également à améliorer notre compréhension de la durée pendant laquelle les nuages ​​resteront, ce qui a des conséquences importantes sur le climat.

« Plus de particules de glace générées par la production de glace secondaire auront un impact énorme sur les précipitations, le rayonnement solaire (combien de lumière solaire les nuages ​​réfléchis dans l'espace), le cycle de l'eau, et l'évolution des nuages ​​à phases mixtes, " a dit Yang.

La durée de vie des nuages ​​est particulièrement importante pour le climat de l'Arctique, Luke et Vogelmann ont noté, et le climat arctique est très important pour le bilan énergétique global de la Terre.

"Nuages ​​en phase mixte, qui contiennent à la fois de l'eau liquide surfondue et des particules de glace, peut durer des semaines dans l'Arctique, " dit Vogelmann. " Mais si vous avez tout un tas de particules de glace, le nuage peut se dissiper après avoir grandi et tomber au sol sous forme de neige. Ensuite, vous aurez la lumière du soleil capable de traverser directement pour commencer à réchauffer le sol ou la surface de l'océan."

Cela pourrait changer la saisonnalité de la neige et de la glace au sol, provoquant la fonte et alors encore moins de réflexion de la lumière du soleil et plus de chauffage.

"Si nous pouvons prédire dans un modèle climatique que quelque chose va changer l'équilibre de la formation de glace, bruine, et d'autres facteurs, alors nous aurons une meilleure capacité à anticiper à quoi s'attendre dans le temps et le climat futurs, et éventuellement être mieux préparé à ces impacts, " dit Luc.