雪是从哪里来的?这似乎是一个很容易思考的问题，稳定杏耀因为地球上有一半的人都是在这个季节看着异想天开的雪花从天而降，然后从车道上铲下来的。但是，一项关于水在稍微过冷的北极云层中如何变成冰的新研究可能会让你重新思考这种蓬松物质的简单性。美国能源部(DOE)布鲁克海文国家实验室的科学家们发表在《国家科学院院刊》上的这项研究包括了新的直接证据，表明破碎的小水滴推动了爆炸性的“冰增殖”事件。研究结果对天气预报、气候建模、供水，甚至能源和交通基础设施都有意义。
布鲁克海文实验室大气科学家爱德华·卢克是这篇论文的主要作者，他说:“我们的研究结果为之前基于实验室实验的对过冷水滴——仍在冰点以下的液体——如何变成冰并最终变成雪的理解提供了新的线索。”新成果,从现实世界的长期云雷达和气象气球在混合相位测量云(由液体水和冰)在温度0到-10摄氏度之间(32和氏14°),提供证据表明,冻结破碎的细雨滴多少冰将形成很重要,可能从这些云如雪。
卢克说:“现在，气候模型和天气预报模型通过使用更加真实的物理模拟二次冰的形成，来决定你需要铲多少雪，这是一个飞跃。”
什么是二次冰?
从过冷云中析出的雪通常来源于“初级”冰粒，当水在大气中选定的尘埃或气溶胶上结晶时形成的冰粒，被称为冰核粒子。然而，在稍微过冷的温度下(即0到-10°C)，飞机观测表明，云层中包含的冰晶远远多于现有的相对较少的冰成核粒子所能解释的。这一现象困扰了大气研究界几十年。科学家们认为，这一现象的解释是“二次”制冰，即额外的冰粒是由其他冰粒产生的。但要在自然环境中捕捉到这一过程并不容易。
之前对二次冰形成的解释主要依赖于实验室实验和有限的、短期的飞机采样飞行。几个实验室实验得出的一个共识是，相对较大的、快速下落的冰粒，称为rimers，可以“收集”并冻结微小的、过冷的云滴，然后产生更多的微小冰粒，称为碎片。但事实证明，这种“雾凇碎裂”并不是故事的全部。
来自北极的最新研究结果表明，被归类为毛毛雨的较大过冷水滴，杏耀在产生二次冰颗粒方面发挥着比人们通常认为的重要得多的作用。
该论文的合著者范洋(音译)解释说:“当一个冰粒子撞击其中一个雨滴时，就会引发冻结，这首先会在雨滴周围形成一个坚固的冰壳。”然后，随着冰点向内移动，压力开始形成，因为水在结冰时膨胀。这种压力导致雨滴碎裂，产生更多的冰粒。”
数据表明，这种“冻结破碎”过程是爆炸性的。
卢克说:“如果一个冰粒子触发另一个冰粒子的产生，效果不会那么显著。”“但我们提供的证据表明，通过这种级联过程，细雨冻结碎片可以使云中的冰粒子浓度提高10到100倍，有时甚至会提高1000倍!”
“我们的发现可能为缺乏初级成冰粒子和这些微冷云产生的降雪之间的不匹配提供缺失的一环。”
数以百万计的样品
新的结果依赖于一个向上指向的毫米波长多普勒雷达收集了六年的数据，该雷达位于美国能源部大气辐射测量(ARM)用户设施的阿拉斯加大气观测站北坡，位于阿拉斯加的Utqiagvik(以前叫Barrow)。雷达数据由在整个研究期间从Utqiagvik发射的气象气球收集的温度、湿度和其他大气条件的测量数据进行补充。
布鲁克海文实验室大气科学家和帕瓦Kollias研究的合著者,也是大气科学教授石溪大学部门至关重要的收集毫米级波长的雷达数据的方式使科学家们推断二级冰是如何形成的。
ARM自20世纪90年代以来率先使用短波云雷达，以更好地了解云的微物理过程，以及这些过程如何影响今天的地球天气。我们的团队领导优化了他们的数据采样策略，这样就可以获得云和降水过程的信息，就像在这项研究中提出的那样，”Kollias说。
该雷达的毫米级波长使其对云中冰粒和水滴的大小特别敏感。它的双极化提供了有关粒子形状的信息，使科学家能够识别针状冰晶——在稍微过冷的云层条件下，二次冰粒子的优先形状。每隔几秒钟记录的多普勒光谱观测提供了粒子数量和它们落向地面的速度的信息。这一信息对于确定哪里有泛冰、毛毛雨和二次冰颗粒至关重要。
使用复杂的自动化分析技术开发的卢克,杨和Kollias,科学家们通过数以百万计的这些多普勒雷达扫描光谱对粒子进行排序成桶的数据的大小和形状,匹配与同期气象气球观测数据的存在过冷云水、温度、和其他变量。通过详细的数据挖掘，他们可以比较在不同条件下产生的二次冰针的数量:只有直纹、直纹加毛毛雨或只有毛毛雨。
卢克说:“如此庞大的观测量，使我们第一次从正在发生的所有其他大气过程的‘背景噪音’中提取二次冰信号，并量化二次冰事件是如何以及在什么情况下发生的。”
结果很清楚:在过冷的情况下，毛毛雨会产生戏剧性的冰增殖事件，比直雨多很多。
短期和长期影响
这些真实世界的数据使科学家能够量化各种云层条件下的“冰的倍增因子”，这将提高气候模型和天气预报的准确性。
“天气预报模型无法完全处理复杂的云微物理过程。我们需要在计算上节省开支，否则你永远不会做出预测，”该研究的另一位合著者安德鲁·沃格曼(Andrew Vogelmann)说。“要做到这一点，你必须找出物理的哪些方面是最重要的，然后在模型中尽可能准确和简单地解释物理。这项研究清楚地表明，了解这些混合相云中的细雨是至关重要的。”
除了帮助你预算你需要多少额外的时间来铲雪你的车道和去工作，更清楚的了解导致二次冰形成的原因，可以帮助科学家更好地预测有多少雪将积累在分水岭全年提供饮用水。新的数据也将帮助我们更好地了解云会持续多长时间，这对气候有重要的影响。
杨教授说:“二次生成冰产生的更多冰粒子将对降水、太阳辐射(云反射回太空的阳光数量)、水循环和混合相云的演化产生巨大影响。”
Luke和Vogelmann指出，云的寿命对北极的气候特别重要，而且北极的气候对地球的整体能量平衡非常重要。
Vogelmann说:“混合相云，里面有过冷的液态水和冰粒子，可以在北极持续数周。”“但如果有一大堆冰粒，在它们生长并以雪的形式落到地面后，云层就会被清除。然后你将有阳光能够直接穿过开始加热地面或海洋表面。”
这可能会改变地面上冰雪的季节性，导致冰雪融化，然后太阳光反射更少，热量更多。
卢克说:“如果我们能在气候模型中预测有什么东西将会改变冰的形成、细雨和其他因素的平衡，杏耀注册 ，那么我们就能更好地预测未来的天气和气候，可能也能更好地应对这些影响。”
