Un pays des merveilles hivernales évoque des tas de neige duveteuse et scintillante. Mais pour atteindre le sol, les flocons de neige sont entraînés dans l'atmosphère turbulente, tourbillonnant dans les airs au lieu de tomber directement sur le sol.
La trajectoire des précipitations est complexe mais importante pour bien plus que les seuls skieurs évaluant la poudreuse potentielle pendant leurs vacances alpines ou les écoliers espérant une journée de neige. Déterminer la vitesse de chute des flocons de neige est crucial pour prédire les conditions météorologiques et mesurer le changement climatique.
Dans Physique des Fluides , des chercheurs de l'Université de l'Utah rapportent des accélérations des flocons de neige dans les turbulences atmosphériques. Ils ont découvert que quel que soit le type de turbulence ou de flocon de neige, l'accélération suit un modèle statistique universel qui peut être décrit comme une distribution exponentielle.
L'article, "Une loi d'échelle universelle pour les accélérations lagrangiennes des flocons de neige dans la turbulence atmosphérique", est rédigé par Dhiraj Kumar Singh, Eric R. Pardyjak et Timothy Garrett.
"Même sous les tropiques, les précipitations commencent souvent leur vie sous forme de neige", a déclaré l'auteur Timothy Garrett. "La rapidité avec laquelle les précipitations tombent affecte grandement la durée de vie et les trajectoires des tempêtes ainsi que l'étendue de la couverture nuageuse qui peut amplifier ou diminuer le changement climatique. De petits ajustements dans les représentations du modèle de la vitesse de chute des flocons de neige peuvent avoir des impacts importants à la fois sur la prévision des tempêtes et sur la rapidité avec laquelle le climat peut être attendu. se réchauffer pour un niveau donné de concentrations élevées de gaz à effet de serre."
Installée dans un domaine skiable près de Salt Lake City, l'équipe a affronté une chute de neige sans précédent de 900 pouces. Ils ont simultanément filmé les chutes de neige et mesuré les turbulences atmosphériques. À l'aide d'un appareil qu'ils ont inventé et qui utilise une feuille de lumière laser, ils ont recueilli des informations sur la masse, la taille et la densité des flocons de neige.
"En général, comme prévu, nous constatons que les flocons de neige 'duveteux' de faible densité sont plus sensibles aux tourbillons turbulents environnants", a déclaré Garrett.
Malgré la complexité du système, l'équipe a découvert que les accélérations des flocons de neige suivent une distribution de fréquence exponentielle avec un exposant de trois moitiés. En analysant leurs données, ils ont également découvert que les fluctuations de la distribution de fréquence de vitesse terminale suivaient le même schéma.
"Les flocons de neige sont compliqués et la turbulence est irrégulière. La simplicité du problème est en réalité assez mystérieuse, d'autant plus qu'il existe cette correspondance entre la variabilité des vitesses terminales - quelque chose apparemment indépendant de la turbulence - et les accélérations des flocons de neige lorsqu'ils sont localement secoués par turbulences", a déclaré Garrett.
Étant donné que la taille détermine la vitesse terminale, une explication possible est que la turbulence dans les nuages qui influence la taille des flocons de neige est liée à la turbulence mesurée au sol. Pourtant, le facteur trois moitiés reste un mystère.
Les chercheurs revisiteront leur expérience cet hiver, en utilisant un brouillard de gouttelettes d'huile pour observer de plus près les turbulences et leur impact sur les flocons de neige.
Plus d'informations : Dhiraj Kumar Singh et al, Une loi d'échelle universelle pour les accélérations lagrangiennes des flocons de neige dans la turbulence atmosphérique, Physique des fluides (2023). DOI :10.1063/5.0173359
Informations sur le journal : Physique des fluides
Fourni par l'Institut américain de physique
