Per decenni, gli scienziati hanno cercato di decifrare la complessa e misteriosa sequenza di eventi che permette alle piccole goccioline nelle nuvole di crescere fino a diventare abbastanza grandi da cadere al suolo. Comprendere più a fondo questo processo, noto come “collo di bottiglia nella formazione della pioggia”, è essenziale per perfezionare le simulazioni dei modelli informatici di meteo e clima, che a loro volta conducono a previsioni più accurate.
Il team di ricerca guidato da scienziati del Centro Nazionale per la Ricerca Atmosferica della Fondazione Nazionale per la Scienza degli Stati Uniti ha scoperto che i movimenti turbolenti dell’aria nelle nuvole svolgono un ruolo chiave nella crescita delle goccioline e nell’inizio della pioggia.
I ricercatori hanno utilizzato la modellazione informatica avanzata per analizzare osservazioni dettagliate delle goccioline in nuvole cumuliformi raccolte durante una campagna di campo della NASA. Questo ha permesso loro di tracciare gli impatti della turbolenza sulle goccioline embrionali che alla fine si fondono in gocce di pioggia.
“Questa ricerca dimostra che gli effetti della turbolenza sulla coalescenza delle gocce sono cruciali per l’evoluzione delle dimensioni delle goccioline e l’inizio della pioggia”, ha affermato Kamal Kant Chandrakar, scienziato del NSF NCAR e autore principale dello studio. “La turbolenza nelle nuvole cumuliformi accelera notevolmente la caduta della pioggia e porta a quantità molto maggiori di precipitazioni.”
Chandrakar e i suoi colleghi hanno scoperto che la pioggia si formava circa 20 minuti prima nelle simulazioni con turbolenza rispetto a quelle senza. La massa dell’acqua piovana era più di sette volte superiore nelle simulazioni che includevano la turbolenza.
Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Proceedings of the National Academy of Sciences. È stato finanziato dalla NASA, dal Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti e dalla NSF.
Il processo di pioggia inizia quando piccole goccioline d’acqua nelle nuvole si condensano attorno a particelle microscopiche di polvere, sale o altri materiali, chiamati nuclei di condensazione delle nuvole (CCN). Mentre milioni di goccioline si scontrano tra loro, si fondono in goccioline più grandi che alla fine diventano abbastanza pesanti da cadere dalla nuvola.
La formazione delle gocce di pioggia può variare a seconda delle condizioni, come la distribuzione delle diverse dimensioni delle goccioline di nuvola e altri fattori come i movimenti turbolenti e le proprietà delle particelle nella nuvola.
Rappresentare correttamente questo processo nei modelli informatici degli eventi meteorologici e del sistema climatico è vitale per migliorare l’affidabilità di questi modelli. La coalescenza delle goccioline d’acqua è importante non solo per prevedere accuratamente le precipitazioni, ma anche per comprendere meglio l’evoluzione delle nuvole e la misura in cui riflettono il calore nello spazio, influenzando così le temperature.
Per analizzare l’inizio della pioggia, Chandrakar e i suoi colleghi si sono affidati a osservazioni delle distribuzioni delle dimensioni delle gocce raccolte da aerei di ricerca che hanno volato in nuvole cumulo congestus durante la campagna di campo della NASA del 2019, l’esperimento Cloud, Aerosol and Monsoon Processes Philippines (CAMP2Ex).
Utilizzando un modello informatico specializzato, il team di ricerca ha sviluppato una serie di simulazioni ad alta risoluzione per ricreare le condizioni delle nuvole osservate durante la campagna e vedere come le goccioline si fondessero con diversi flussi turbolenti.
Le simulazioni hanno dimostrato il ruolo chiave della turbolenza sia nella tempistica sia nell’estensione delle precipitazioni. Hanno anche indicato che la presenza di grandi CCN, che è stata al centro di alcune teorie sulla formazione della pioggia, non poteva spiegare le dimensioni osservate e l’evoluzione delle goccioline. Nelle simulazioni con grandi CCN e poca turbolenza, la coalescenza delle goccioline avveniva più lentamente e generava meno pioggia.
“Lo sviluppo della pioggia è fondamentale per le nuvole, il tempo meteorologico e l’intero sistema climatico”, ha affermato Chandrakar. “Comprendere meglio questo processo può indicare la strada verso miglioramenti significativi nei nostri modelli informatici e, in ultima analisi, nelle previsioni meteorologiche e nelle proiezioni climatiche che aiutano a proteggere la società.”
Riferimento: “Are turbulence effects on droplet collision–coalescence a key to understanding observed rain formation in clouds?” di Kamal Kant Chandrakar, Hugh Morrison, Wojciech W. Grabowski e R. Paul Lawson, 25 giugno 2024, Proceedings of the National Academy of Sciences.
DOI: 10.1073/pnas.2319664121