Ein Winterwunderland ruft Berge aus lockerem, funkelnden Schnee in Erinnerung. Aber bis sie den Boden erreichen, werden Schneeflocken durch die turbulente Atmosphäre gefegt und wirbeln durch die Luft, anstatt direkt auf den Boden zu fallen.
Die Niederschlagsbahn ist komplex, aber wichtig für mehr als nur Skifahren im Pulverschnee in den Winterferien oder für Schüler, die auf einen Schneetag hoffen. Die Bestimmung der Fallgeschwindigkeit von Schneeflocken ist entscheidend für die Vorhersage von Wettermustern und die Messung des Klimawandels.
Im Journal Physics of Fluids von AIP Publishing berichten Forscher der University of Utah über die Beschleunigung von Schneeflocken in atmosphärischen Turbulenzen. Sie stellten fest, dass die Beschleunigung ungeachtet des Turbulenz- oder Schneeflockentyps einem universellen statistischen Muster folgt, das als eine Exponentialverteilung beschrieben werden kann.
„Sogar in den Tropen beginnt der Niederschlag seine Existenz oft als Schnee“, sagte der Autor Timothy Garrett. „Wie schnell der Niederschlag fällt, beeinflusst die Lebensdauer und die Bahnen von Stürmen und das Ausmaß der Wolkenbedeckung, das den Klimawandel verstärken oder abschwächen könnte. Bereits geringe Anpassungen der Schneefallgeschwindigkeit an den Modellen können wichtige Auswirkungen auf die Vorhersage von Stürmen haben und darauf, wie schnell sich das Klima bei einem gegebenen Ausstoß an erhöhten Treibhausgaskonzentrationen erwärmt.“
Das Team kämpfte in einem Skigebiet bei Salt Lake City gegen mehr als zwei Meter tiefen Schnee. Die Forscher filmten den Schneefall und maßen gleichzeitig die atmosphärischen Turbulenzen. Mit einem von ihnen erfundenen Laser-Instrument sammelten sie Informationen über die Massen, Größen und Dichten der Schneeflocken.
„Im Allgemeinen stellten wir erwartungsgemäß fest, dass weniger dichte Schneeflocken am stärksten auf umgebende turbulente Wirbel reagierten“, sagte Garrett.
Trotz der Komplexität des System fand das Team heraus, dass die Beschleunigungen der Schneeflocken einer exponentiellen Häufigkeitsverteilung mit einem Exponenten von 3/2 folgen. Bei der Analyse ihrer Daten entdeckten sie außerdem, dass Fluktuationen der Häufigkeitsverteilung der Endgeschwindigkeit demselben Muster folgten.
„Schneeflocken sind kompliziert und Turbulenzen sind irregulär. Die Einfachheit des Problems ist in Wirklichkeit ziemlich rätselhaft, insbesondere wenn man bedenkt, dass es diesen Zusammenhang zwischen der Variabilität der Endgeschwindigkeiten (was scheinbar unabhängig von der Turbulenz passiert) und den Beschleunigungen der Schneeflocken gibt, die lokal durch die Turbulenz beeinflusst werden“, sagte Garrett.
Weil die Größe die Endgeschwindigkeit bestimmt, liegt eine mögliche Erklärung darin, dass die Turbulenzen in Wolken, die die Schneeflockengröße beeinflussen, mit den am Boden gemessenen Turbulenzen zusammenhängen. Dennoch bleibt der Faktor 3/2 ein Rätsel.
Die Forscher werden ihr Experiment in diesem Winter nochmals durchführen und einen Nebel aus Öltröpfchen verwenden, um einen genaueren Blick auf die Turbulenzen und ihre Auswirkungen auf Schneeflocken zu werfen.
(THK)
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