Zaskakujące odkrycie naukowców: śnieg i deszcz potrafią wyglądać tak samo
Co dokładnie spada z nieba zimą – śnieg czy deszcz? To pytanie zadają sobie nie tylko kierowcy, ale też naukowcy. Sprawdź, jak próbują je rozwiązać.
Spis treści:
Naukowcy wykorzystują lasery, satelity, a nawet dźwięk, żeby ustalić, co spada z nieba. Mimo to najlepszym narzędziem wciąż może być ludzkie oko. Od dzieci, które marzą o zjeżdżaniu na sankach, po dorosłych chcących uniknąć śliskich dróg – północne zimy budzą sporo emocji związanych z opadami śniegu. Jednak proste pytanie „Czy pada śnieg?” jest dużo bardziej skomplikowane, niż się wydaje.
Na odległym górskim szczycie w Kolorado, w Storm Peak Laboratory, zimą panują dość osobliwe warunki. Naukowcy krzątają się, rozmieszczając ponad 30 urządzeń radarowych i próbników w różnych częściach góry. Ustawiają je też na różnych częstotliwościach, by odpowiedzieć na jedno pozornie proste pytanie: co dokładnie spada z nieba? Jakie są rozmiary i kształty płatków śniegu? I kiedy te opady są w istocie deszczem?
Dlaczego pogoda nie daje jednoznacznych odpowiedzi
Człowiek potrafi zerknąć przez okno i bardzo szybko ocenić, czy pada śnieg. Dla technologii – nawet tej zaawansowanej – to dużo trudniejsze, a skutki są poważne. Miasta muszą wiedzieć, ile śniegu spada i jaką ma gęstość, żeby zdecydować, czy tankować pługi i wysyłać je w teren. Dokładne pomiary są ważne także dla zarządców dróg, którzy podejmują decyzje o zamknięciach tras. Z kolei zarządzający zasobami wodnymi muszą wiedzieć, co spada z nieba, bo zimowa pokrywa śnieżna często zamienia się później w wodę zasilającą rolnictwo. Deszcz natomiast zwykle szybko spływa w dół rzek.
Opady śniegu od dziesięcioleci intrygują naukowców.
– To powinien być naprawdę prosty problem – mówi Keith Jennings, dyrektor ds. badań w Water Resources Institute na University of Vermont.
– Pada deszcz czy śnieg? Część trudności polega na tym, że sama temperatura nie przesądza o tym, co spadnie. W zakresie różnicy około 5°C opad może być deszczem albo śniegiem – zależnie od tego, jakie warunki napotka wyżej w atmosferze.
Dzięki nowym technologiom i narzędziom badacze każdej zimy mierzą się z tym odwiecznym wyzwaniem. Są coraz bliżej modeli i metod, które trafnie określają, co spada z nieba. Okazuje się jednak, że jedne z najlepszych rozwiązań wciąż mogą wymagać prostego udziału człowieka.
Wiadra i bajty
Dlaczego po prostu nie wystawić wiadra i nie zważyć tego, co do niego wpadnie? Claire Pettersen, badaczka z University of Michigan, słyszy to pytanie często. Problem w tym – jak mówi – że nawet lekki podmuch wiatru wywiewa płatki, szczególnie te puszyste i lekkie.
– Wystarczy machnąć ręką w powietrzu, a śnieg zacznie się przemieszczać na wszystkie strony, kiedy spada – mówi. Jedno z jej ostatnich badań wykorzystywało wideo-dysdrometr, czyli urządzenie z kamerami o bardzo wysokiej prędkości, które rejestrowały opad z różnych kątów. Te dane, połączone z uczeniem maszynowym, pokazały, że między deszczem a śniegiem istnieje dziewięć różnych typów opadu – od mżawki po intensywne opady śniegu. Każdy z nich ma swój unikalny wzorzec.
Pettersen uważa, że łączenie metod – tak jak w eksperymentach w Storm Peak Laboratory – może dawać najdokładniejsze odpowiedzi na pytanie, co spada z nieba. Od satelitów na orbicie po lasery na ziemi, których wiązki mogą być rozpraszane przez spadające płatki, a także po samoloty przelatujące przez burze, by zrozumieć procesy związane z obfitymi opadami śniegu.
– Najlepszy scenariusz jest taki, że masz pod ręką wiele różnych instrumentów – mówi.
Są też bardziej eksperymentalne sposoby pomiaru opadów. Inna grupa badawcza z University of Vermont wykorzystuje czujniki akustyczne, aby określić cechy dźwięku różnych typów opadu. Utrzymanie sprzętu w działaniu bywa trudne. W takich regionach jak Nowa Anglia marznące deszcze często uszkadzają czujniki i technologię.
– Możesz mieć świetny sprzęt, wnieść go w góry, gdzie chcesz robić pomiary, a potem przejdzie potężna burza lodowa. Musisz wtedy pędzić z powrotem na górę i skuwać lód z urządzeń – to potrafi być naprawdę żmudny proces – mówi Jennings. Jak dodaje, w przyszłości może pojawić się więcej zautomatyzowanych obserwacji, które nie będą wymagały udziału ludzi.
Nic nie zastąpi ludzkiego oka
Czasem to ludzie wciąż są najlepsi w rozpoznawaniu pogody. Gdy temperatura mieści się mniej więcej między 0°C a 7°C, modelom komputerowym trudno stwierdzić, co spada z nieba. Ten „zimowy miszmasz” może oznaczać wszystko pomiędzy deszczem a śniegiem. Pięć lat temu Jennings i jego współpracownicy uruchomili projekt nauki obywatelskiej Mountain Rain or Snow. Chodziło o to, by poprzez aplikację zbierać wizualne zgłoszenia: deszcz, śnieg albo opad mieszany w rejonach górskich. Liczyli, że raporty od ludzi pomogą ulepszyć modele.
Do tej pory zebrali niemal 100 000 obserwacji od 1700 obserwatorów na całym świecie. Kiedy badacze przetestowali trzy algorytmy AI na danych od wolontariuszy, w połączeniu z historycznymi danymi pogodowymi, narzędzia technologiczne okazały się tylko nieznacznie lepsze od tradycyjnych metod meteorologicznych w sytuacji, gdy temperatura była bliska zamarzania. – Kilka lat po rozpoczęciu projektu nadal, i być może nawet bardziej niż kiedykolwiek, uważamy, że najlepszym sposobem monitorowania rodzaju opadu tam, gdzie on spada, są obserwatorzy ludzie – mówi Jennings. – To ekscytujące i może trochę nieintuicyjne w epoce sztucznej inteligencji, ale ludzie nadal odgrywają ogromną rolę.
Gdy śnieg leży już na ziemi, ludzie także są przydatni. Podstawowa technologia pomiaru śniegu wciąż jest zaskakująco prosta: linijka, szpatułka, deszczomierz i płaska biała deska. Ponad 20 000 Amerykanów pomaga, mierząc opady w ramach Community Collaborative Rain, Hail and Snow Network, założonej w 1998 roku. Zbierane dane trafiają do centralnej bazy i są wykorzystywane przez National Weather Service, a także w federalnych działaniach monitorujących susze i wspierających zarządzanie zasobami wodnymi.
W miarę jak technologia i modele się poprawiają, badacze próbują jednocześnie nadążyć za zmianami klimatu. Góry należą do obszarów szczególnie nimi dotkniętychi, co często oznacza, że śnieg coraz częściej przechodzi w deszcz. Jennings wskazuje tu dwa wyzwania. Po pierwsze, w tych rejonach brakuje dobrych danych historycznych, więc trudno ustalić punkt odniesienia. Po drugie, regiony te przechodzą w kierunku klimatu bardziej deszczowego, a deszcze mogą wypłukiwać i redukować zimową pokrywę śnieżną. – To wciąż ogromna niewiadoma, jak będzie wyglądać przesunięcie od śniegu do deszczu w ciągu najbliższych 50–100 lat – mówi.
Źródło: National Geographic