In uno studio che potrebbe migliorare le previsioni meteorologiche, i ricercatori dello Utah scoprono che il modo in cui si muovono i fiocchi di neve è sorprendentemente prevedibile.
Tim Garrett ha dedicato la sua carriera scientifica alla caratterizzazione dei fiocchi di neve, le particelle di ghiaccio che si formano nelle nuvole e cambiano drasticamente quando cadono sulla Terra.
Ora, lo scienziato atmosferico dell’Università dello Utah sta svelando il mistero di come i fiocchi di neve si muovono in risposta alla turbolenza dell’aria che accompagna le nevicate utilizzando una nuova strumentazione sviluppata nel campus.
E dopo aver analizzato più di mezzo milione di fiocchi di neve, ciò che il suo team ha scoperto lo ha lasciato sbalordito.
Piuttosto che qualcosa di incomprensibilmente complicato, prevedere come si muovono i fiocchi di neve si è rivelato sorprendentemente semplice.
“Il modo in cui cadono i fiocchi di neve ha attirato molto interesse per molti decenni perché è un parametro critico per prevedere il tempo e il cambiamento climatico”, ha detto Garrett. “Questo è legato alla velocità del ciclo dell’acqua. La velocità con cui l’umidità cade dal cielo determina la durata delle tempeste”.
‘Lettere inviate dal Cielo’
Il famoso fisico giapponese Ukichiro Nakaya definì i cristalli di neve “lettere inviate dal cielo” perché le loro delicate strutture trasportano informazioni sulle fluttuazioni di temperatura e umidità nelle nuvole dove le faccette basali e prismatiche dei cristalli competono per la deposizione di vapore acqueo.
Mentre si ritiene che ogni fiocco di neve sia completamente unico, il modo in cui queste particelle ghiacciate cadono attraverso l’aria, mentre accelerano, vanno alla deriva e turbinano, segue dei modelli, secondo una nuova ricerca di Garrett e colleghi del College of Engineering.
Il movimento dei fiocchi di neve ha importanti implicazioni per le previsioni meteorologiche e i cambiamenti climatici, anche ai tropici.
“La maggior parte delle precipitazioni inizia sotto forma di neve. Come la questione della velocità con cui cade influenza le previsioni di dove atterrano le precipitazioni al suolo e quanto tempo durano le nuvole per riflettere la radiazione nello spazio esterno”, ha detto Garrett. “Può anche influenzare le previsioni di una traiettoria di uragano”.
Per studiare il movimento dei fiocchi di neve, il team aveva bisogno di un modo per misurare i singoli fiocchi di neve, che è stato un puzzle impegnativo per anni.
“Hanno masse molto basse. Possono pesare solo 10 microgrammi, un centesimo di milligrammo, quindi non possono essere pesati con altissima precisione”, ha detto Garrett.
Lavorando con la facoltà di ingegneria, Garrett ha sviluppato una strumentazione chiamata Differential Emissivity Imaging Disdrometer, o DEID, che misura la massa, le dimensioni e la densità delle idrometeore dei fiocchi di neve.
Da allora questo dispositivo è stato commercializzato da una società co-fondata da Garrett chiamata Particle Flux Analytics. Il Dipartimento dei Trasporti dello Utah ha schierato l’attrezzatura nel Little Cottonwood Canyon per aiutare con le previsioni delle valanghe, ha detto.
Per gli esperimenti sul campo di Garrett, il suo team lo ha allestito ad Alta, la famosa destinazione sciistica e il luogo più innevato dello Utah per l’inverno 2020-21.
La strumentazione è stata impiegata insieme alle misurazioni della temperatura dell’aria, dell’umidità relativa e della turbolenza, e collocata direttamente sotto un sistema di tracciamento delle particelle costituito da un foglio di luce laser e da una fotocamera reflex a obiettivo singolo.
“Misurando la turbolenza, la massa, la densità e le dimensioni dei fiocchi di neve e osservando come si muovono nella turbolenza”, ha detto Garrett, “siamo in grado di creare un quadro completo che non era stato possibile ottenere prima in un ambiente naturale”.
I risultati non sono stati quelli che il team si aspettava.
Nonostante le forme intricate dei fiocchi di neve e il movimento irregolare dell’aria che incontrano, i ricercatori hanno scoperto di poter prevedere come i fiocchi di neve accelererebbero in base a un parametro noto come numero di Stokes (St), che riflette la velocità con cui le particelle rispondono ai cambiamenti nei movimenti dell’aria circostante.
Quando il team ha analizzato l’accelerazione dei singoli fiocchi di neve, la media è aumentata in modo quasi lineare con il numero di Stokes.
Inoltre, la distribuzione di queste accelerazioni potrebbe essere descritta da una singola curva esponenziale indipendente dal numero di Stokes.
I ricercatori hanno scoperto che lo stesso modello matematico potrebbe essere collegato al modo in cui le forme e le dimensioni dei fiocchi di neve cambiano influenzando la velocità con cui cadono, suggerendo una connessione fondamentale tra il modo in cui l’aria si muove e il modo in cui i fiocchi di neve cambiano quando cadono dalle nuvole al suolo.
“Questo, a me, sembra quasi mistico”, ha detto Garrett. “C’è qualcosa di più profondo nell’atmosfera che porta alla semplicità matematica piuttosto che alla straordinaria complessità che ci aspetteremmo dall’osservazione di complicate strutture di fiocchi di neve che vorticano caoticamente nell’aria turbolenta. Dobbiamo solo guardarla nel modo giusto e i nostri nuovi strumenti ci permettono di vederlo”.
