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Nuova tecnica per lo studio delle nuvole in 3D

Con due fotocamere digitali off-the-shelf situate a circa 1 km di fronte alla Biscayne Bay di Miami, gli scienziati David Romp e Rusen Oktem, del Lawrence Berkeley Laboratory National, stanno raccogliendo dati tridimensionali sul comportamento delle nuvole.

Viene utilizzata la  stereofotogrammetria, una tecnica che utilizza le foto per effettuare misurazioni in 3D dei confini delle nuvole, trasformandola da processo laborioso ad uno strumento che può ora essere utilizzato su una base regolare. I miglioramenti si basano su nuovi algoritmi che possono trovare rapidamente i punti caratteristici e abbinarli. 
Le foto permettono a Romps, uno scienziato del clima che si specializza sulle nuvole, di misurare a quale velocità le nuvole aumentano il che  a sua volta può far luce su una vasta gamma di settori che vanno dai tassi di fulmini alle precipitazioni estreme al buco dell'ozono.

Una migliore comprensione del comportamento di base della  nuvola  permetterà agli scienziati di migliorare i modelli climatici globali. "Vogliamo rispondere a una domanda molto semplice: con quale velocità aumentano le nuvole attraverso l'atmosfera? A questo è molto difficile rispondere con qualsiasi tecnologia diversa dalla stereofotogrammetria. Conoscere la loro velocità è importante per diverse ragioni", ha spiegato Romps.

Mentre prima stereofotogrammetria, che utilizza le foto per effettuare misurazioni 3D dei confini cloud, è stata utilizzata prima per studiare il comportamento della  nuvola, ora l'innovazione consiste nell'utilizzare la tecnica che non richiede un punto di riferimento, come ad esempio una montagna o altro a terra. Questo permetterà agli scienziati di studiare le nuvole sopra l'oceano aperto.

"Abbiamo un sacco di misure di nubi sulla terra ma di gran lunga meno sopra l'oceano", ha detto Romps. "Il comportamento può essere molto diverso. Ad esempio, guardando i dati satellitari, si vedono aree continentali  con un sacco di fulmini e meno negli oceani".

La tecnica è stata dettagliata in un documento pubblicato lo scorso anno nel Journal of Atmospheric and Oceanic Technology,  dal titolo "Stereophotogrammetry of Oceanic Clouds". Co-autori includono Berkeley Lab calcolo esperti Oktem, James Lee, Aaron Thomas, e Prabhat, e Paquita Zuidema di l'Università di Miami. Il documento descrive come impostare e calibrare le due fotocamere; Romps e il suo team hanno anche ideato degli algoritmi per automatizzare la ricostruzione in 3D, trovare rapidamente punti caratteristici e di corrispondenza. La precisione della tecnica è stato validata con lidar e radiosonde. "Con le immagini scattate ogni 10 a 30 secondi, possiamo davvero iniziare a guardare l'intero ciclo di vita delle nuvole", ha detto Romps. La sua tecnica offre anche una risoluzione spaziale e temporale molto più elevata rispetto alle altre tecnologie.

Il Dipartimento di programma (ARM) di energia atmosferica Misuratori di radiazioni ha finanziato una seconda serie di telecamere nel suo sito Southern Great Plains in Oklahoma, il sito di ricerca sul clima più grande e più estese del mondo. Attraverso circa 55.000 miglia quadrate, grappoli di lidar, radar e altre sofisticate apparecchiature di sorveglianza raccolgono enormi quantità di dati per studiare gli effetti degli aerosol, precipitazioni, i flussi di superficie e le nuvole sul clima globale.

Utilizzando la stereofotogrammetria, Romps ha misurato le velocità di nubi basse in aumento attraverso l'atmosfera a 1-3 metri al secondo e nubi più profonde in aumento a velocità superiori a 10 metri al secondo. "Le velocità updraft svolgono un ruolo importante nella microfisica, le precipitazioni in generale e l'elaborazione di aerosol,che tutte le simulazioni climatiche d'impatto", ha detto. I passi successivi sono quelli di combinare i dati stereofotogrammetrici con le altre osservazioni sul sito ARM per rispondere alle domande di base sul ciclo di vita delle nuvole. In particolare Romps e colleghi vogliono capire quali condizioni ambientali possono essere utilizzati per prevedere le dimensioni, velocità, profondità e vita delle nubi convettive. Romps e Oktem stanno sviluppando nuove tecniche per automatizzare la ricostruzione delle strutture delle nubi in 3D. I loro nuovi algoritmi sono stati utilizzati su supercomputer che permettono di  ricostruire rapidamente 35 milioni di funzioni di cloud a partire da un periodo di tre mesi.

Ali Dorate

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