Die Forschung in Utah könnte alles ändern, was wir über Schneefall wissen

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SALT LAKE CITY – Die meisten Menschen wissen bereits, dass fast keine Schneeflocken gleich sind, aber eine neue Studie von Forschern der University of Utah bietet neue Erkenntnisse darüber, wie und warum alle einzelnen Schneeflocken auf die Art und Weise fallen, wie sie fallen.

Ihre Erkenntnisse, Veröffentlicht in der peer-reviewten Fachzeitschrift Fluid Physics Letzte Woche stellte er fest, dass trotz der „Komplexität der Schneeflockenstrukturen und der unregelmäßigen Natur der Turbulenzen“ die Beschleunigung einer Schneeflocke oder wie schnell Schnee fällt, durch eine mathematische Gleichung „eindeutig bestimmt“ werden kann.

„Es deutet darauf hin, dass in der Atmosphäre etwas lauert, das eigentlich ganz einfach ist, und ich bin mir nicht ganz sicher, was es ist, aber unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass es möglicherweise Möglichkeiten gibt, einen der schwierigsten Aspekte der Atmosphärenwissenschaft irgendwie zu beschreiben.“ sagte Tim Garrett, Professor für Atmosphärenwissenschaften an der University of Utah und einer der Co-Autoren der Studie: „Vielleicht könnte dies durch ein Computermodell auf ziemlich einfache Weise angegangen werden.“

Die Ergebnisse könnten die Tür zu einem besseren Verständnis von Schneestürmen und Lawinen sowie zu besseren Vorhersagen in der Zukunft öffnen.

Schneefall und Bewegung

Es dauerte mehr als ein Jahrzehnt, die Ergebnisse der Studie vorzubereiten. Garrett begann zu messen, wie schnell Schneeflocken in Alta fielen, als er beschloss, tiefer in das Thema einzusteigen. Angesichts seines Interesses an der Physik der Bewegung und der Art und Weise, wie Utahner im Allgemeinen gerne über Schnee sprechen, hielt er dies für das perfekte Thema zum Erkunden.

Dies führte zu frühen Beobachtungen, dass die Schneeflocken nicht ganz so fielen, wie sie nach traditionellen Wetter- und Klimamodellen erwartet wurden, die auf Geräten basierten, die nur Schneefall in ruhiger Luft berücksichtigten. Schnee fällt auf einzigartigere Weise als die Modelle vermuten lassen, was überhaupt nicht überraschend ist.

„Auch wenn Atmosphärenforscher das natürlich nicht zugeben, weiß jeder, dass sich Schneeflocken in der Luft drehen“, sagte er gegenüber KSL.com und erinnerte sich an den Moment.

Deshalb rekrutierte er Dheeraj Singh und Eric Bardjak, zwei Forscher aus der Fakultät für Maschinenbau der Universität, um bei der Lösung des Zusammenhangs zwischen Schneefall und atmosphärischen Turbulenzen zu helfen. Sie erfanden – und patentierten – ein Werkzeug namens a Differenzielle Messskala für den Emissionsgrad Messung der Masse, des Volumens und der Dichte von Schneeflocken, um dieses wissenschaftliche Rätsel zu lösen.

Mit Hilfe eines Zuschusses der National Science Foundation stellte das Team das Gerät während der Wintersaison 2020–2021 an einem Standort im Little Cottonwood Canyon auf. Sie untersuchten Lufttemperatur, relative Luftfeuchtigkeit, Turbulenzen und andere Wetterfaktoren und analysierten mehr als 500.000 Schneeflocken. All diese Informationen lieferten ein „umfassendes Bild“, das noch nie zuvor gesehen worden sei, sagte Garrett.

Als sie all diese Informationen zusammenstellten, fanden sie heraus, dass sie anhand der Stokes-Zahl der Flocken vorhersagen konnten, wie schnell Schnee fallen würde. Dabei handelt es sich um eine dimensionslose Zahl, die Wissenschaftlern hilft, zu verstehen, wie Partikel mit Strömungsänderungen wie atmosphärischen Turbulenzen interagieren. Die Stokes-Zahl ist bei Regen meist höher und bei Schnee niedriger, weshalb sie unterschiedlich ausfällt.

„Dadurch ist Schnee tendenziell turbulenten Luftströmungen ausgesetzt, während Regen direkt durch sie hindurch fällt“, sagte Garrett. „Am Ende haben wir herausgefunden, dass die Schneeflockenwelt, in der wir lebten, in gewisser Weise unsere Auster war, solange wir die Stokes-Zahl, diese eine dimensionslose Zahl, kannten. Und das waren genug Informationen, um zu beschreiben, wie oft Schneeflocken ein bestimmtes Niveau erreichten.“ der Beschleunigung.

Die Forscher weisen außerdem unter Berufung auf jahrzehntealte frühere Forschungen darauf hin, dass Aufwinde in Wolken die Bildung von Schneeflocken beeinflussen. Garrett erklärt, dass die Hinzufügung neuer Erkenntnisse dazu führen könnte, dass der Schneefall durch Messung der Wolkenturbulenzen vollständig bestimmt werden kann.

Warum spielt es eine Rolle

Dies kann in der Zukunft viele Auswirkungen haben. Beispielsweise sei die Art und Weise, wie Schneeflocken fallen, ein „kritischer Parameter“ für die Wettervorhersage, da die Geschwindigkeit, mit der Feuchtigkeit aus den Wolken fällt, traditionell ein Maß dafür sei, wie lange ein Sturm anhalten werde, sagte Garrett in einer Erklärung vor der Veröffentlichung der Studie.

Gegenüber KSL.com erklärte er, dass die neue Studie „uns nicht sofort zu einer Antwort führt“, wie sich die Länge und Intensität von Stürmen besser vorhersagen lässt, sie aber neue Erkenntnisse über den Zusammenhang zwischen Schneefall und Wind liefern könnte. Dies könnte zu zukünftigen meteorologischen Durchbrüchen führen.

„Wenn dies der Fall ist und wir in Zukunft zeigen können, dass dies tatsächlich unterstützt wird, könnte dies zu erheblichen Verbesserungen bei der Sturmmodellierung führen“, sagte er. „Zurzeit besteht eine der größten Herausforderungen für Wettermodelle darin, die Arten von Schneeflocken vorherzusagen, die sich in Wolken bilden. Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass einige der Schwierigkeiten … irgendwann ‚weniger komplex‘ sein könnten.“

Dies kann auf die Messung der Luftbewegung in Wolken beschränkt werden.

Mittlerweile wird das Differentialemissionsmessgerät, das zu dieser Entdeckung führte, bereits auf andere wirkungsvolle Weise eingesetzt. Das Verkehrsministerium von Utah hat einige Geräte angeschafft, um Lawinen an Orten wie dem Little Cottonwood Canyon vorherzusagen, da sie sofort die Schneedichte messen, die oft ein Faktor bei Lawinen ist.

Die Arbeit ist auch noch nicht erledigt. Garrett sagt, er und seine Kollegen hätten mehr Daten gesammelt, als sie entschlüsseln konnten; Er plant jedoch, es weiter zu untersuchen und Experimente durchzuführen, um den Schneefall besser zu verstehen.

Er hofft auch, dass jeder die Schönheit der in der Luft tanzenden Schneeflocken entdecken kann, wenn sie diesen Winter fallen, während er und andere ihre Geheimnisse aufdecken.

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