Les recherches innovantes du scientifique atmosphérique Tim Garrett sur les flocons de neige ont révélé que leur mouvement dans la turbulence de l’air, auparavant considéré comme très complexe, peut être prédit à l’aide d’un modèle mathématique simple basé sur le nombre de Stokes. Cette avancée, réalisée grâce à des instruments avancés, a des implications significatives pour les prévisions météorologiques et la compréhension du changement climatique. Crédit : Issues.fr.com
Des chercheurs de l’Utah ont mené une étude qui pourrait améliorer considérablement les prévisions météorologiques en constatant que le mouvement des flocons de neige est étonnamment prévisible.
Tim Garrett a consacré sa carrière scientifique à l’étude des flocons de neige, ces particules de glace en constante évolution qui naissent dans les nuages et se transforment radicalement lorsqu’elles descendent sur Terre.
Aujourd’hui, le scientifique atmosphérique de l’Université de l’Utah dévoile le mystère de la façon dont les flocons de neige se déplacent en réponse aux turbulences de l’air qui accompagnent les chutes de neige, à l’aide de nouveaux instruments développés sur le campus. Et après avoir analysé plus d’un demi-million de flocons de neige, ce que son équipe a découvert l’a laissé stupéfait.
Plutôt que quelque chose d’incompréhensiblement compliqué, prédire le mouvement des flocons de neige s’est avéré étonnamment simple, ont-ils découvert.
« La manière dont les flocons de neige tombent suscite beaucoup d’intérêt depuis de nombreuses décennies car il s’agit d’un paramètre essentiel pour prédire la météo et le changement climatique », a déclaré Garrett. « Ceci est lié à la vitesse du cycle de l’eau. La rapidité avec laquelle l’humidité tombe du ciel détermine la durée de vie des tempêtes.
« Lettres envoyées du Ciel »
Le célèbre physicien japonais Ukichiro Nakaya a qualifié les cristaux de neige de « lettres envoyées du ciel » car leurs structures délicates contiennent des informations sur les fluctuations de température et d’humidité dans les nuages, où les facettes de la base des cristaux et des prismes rivalisaient pour le dépôt de vapeur d’eau.
Bien que l’on pense que chaque flocon de neige est complètement unique, la façon dont ces particules givrées tombent dans l’air (à mesure qu’elles accélèrent, dérivent et tourbillonnent) suit des modèles, selon une nouvelle recherche menée par Garrett et ses collègues du College of Engineering. Le mouvement des flocons de neige a des implications importantes pour les prévisions météorologiques et le changement climatique, même sous les tropiques.
« La plupart des précipitations commencent sous forme de neige. Comment la question de la vitesse à laquelle elles tombent affecte les prévisions sur l’endroit où les précipitations atterrissent sur le sol et combien de temps les nuages durent pour réfléchir les rayonnements vers l’espace », a déclaré Garrett. « Cela peut même affecter les prévisions de trajectoire d’un ouragan. »
Dhiraj Singh et Eric Pardyjak du Département de génie mécanique de l’Université sont également impliqués dans la recherche.
L’étudiant diplômé Ryan Szczerbinski examine un instrument appelé disdromètre d’imagerie à émissivité différentielle, ou DEID, développé par des chercheurs de l’Université de l’Utah et installé à Alta, près du sommet de Little Cottonwood Canyon. L’équipement mesure la masse des hydrométéores, la taille et la densité des flocons de neige. Crédit : Tim Garrett, Université de l’Utah
Pour étudier le mouvement des flocons de neige, l’équipe avait besoin d’un moyen de mesurer les flocons de neige individuellement, ce qui constitue un casse-tête difficile depuis des années.
« Ils ont des masses très faibles. Ils ne pèsent peut-être que 10 microgrammes, un centième de milligramme, ils ne peuvent donc pas être pesés avec une très grande précision », a déclaré Garrett.
En collaboration avec des professeurs d’ingénierie, Garrett a développé un instrument appelé Disdromètre d’imagerie à émissivité différentielle, ou DEID, qui mesure la masse, la taille et la densité des hydrométéores des flocons de neige. Cet appareil a depuis été commercialisé par une société cofondée par Garrett, appelée Particle Flux Analytics. Le ministère des Transports de l’Utah a déployé cet équipement à Little Cottonwood Canyon pour faciliter la prévision des avalanches, a-t-il déclaré.
Pour les expériences sur le terrain de Garrett, son équipe l’a installé à Alta, la célèbre destination de ski et l’endroit le plus enneigé de l’Utah pour l’hiver 2020-21. L’instrumentation a été déployée parallèlement aux mesures de la température de l’air, de l’humidité relative et de la turbulence, et placée directement sous un système de suivi des particules composé d’une feuille de lumière laser et d’un appareil photo reflex à objectif unique.
« En mesurant la turbulence, la masse, la densité et la taille des flocons de neige et en observant comment ils serpentent dans la turbulence », a déclaré Garrett, « nous sommes en mesure de créer une image complète qui n’avait pas pu être obtenue auparavant de manière expérimentale. » environnement naturel auparavant.
Les résultats ne correspondaient pas à ceux attendus par l’équipe.
Malgré les formes complexes des flocons de neige et le mouvement irrégulier de l’air qu’ils rencontrent, les chercheurs ont découvert qu’ils pouvaient prédire comment les flocons de neige accéléreraient en se basant sur un paramètre connu sous le nom de nombre de Stokes (St), qui reflète la rapidité avec laquelle les particules réagissent aux changements dans l’atmosphère. mouvements de l’air environnant.
Lorsque l’équipe a analysé l’accélération de flocons de neige individuels, la moyenne a augmenté de manière presque linéaire avec le nombre de Stokes. De plus, la distribution de ces accélérations pourrait être décrite par une seule courbe exponentielle indépendante du nombre de Stokes.
Les chercheurs ont découvert que le même modèle mathématique pourrait être lié à la façon dont les changements de forme et de taille des flocons de neige affectent la vitesse à laquelle ils tombent, suggérant un lien fondamental entre la façon dont l’air se déplace et la façon dont les flocons de neige changent lorsqu’ils tombent des nuages vers le sol.
« Cela me semble presque mystique », a déclaré Garrett. « Il se passe quelque chose de plus profond dans l’atmosphère qui conduit à une simplicité mathématique plutôt qu’à l’extraordinaire complexité à laquelle on pourrait s’attendre en observant des structures complexes de flocons de neige tourbillonnant de manière chaotique dans un air turbulent. Il suffit de voir les choses sous le bon angle et nos nouveaux instruments nous permettent de le constater.
L’étude a été financée par la National Science Foundation.
