پژوهشگران آزمایشگاه ملی بروکهِیون در نیویورک با استفاده از یک لیدار بسیار دقیق توانسته‌اند ساختار لایه‌های بالایی ابرها را با وضوحی بی‌سابقه بررسی کنند. این نتایج نشان می‌دهد رفتار قطرات آب در بالاترین بخش ابرها بسیار پیچیده‌تر از مدل‌های فعلی است و می‌تواند بر پیش‌بینی بارش و بازتاب نور خورشید تأثیر بگذارد.

اگر تجربه پرواز داشته باشید، احتمالاً ظاهر بالای ابرها برایتان آشناست؛ معمولاً سفید و پف‌دار با بخش‌هایی آبی‌ـ‌خاکستری. با این حال، فیزیک لایه‌های بالایی ابرها سال‌ها برای دانشمندان معما بود تا اینکه اکنون پاسخی روشن‌تر پیدا شده است.

در تأسیسات آزمایشگاه ملی بروکهِیون در لانگ آیلندِ نیویورک، پژوهشگران نوع جدیدی از لیدار، یعنی یک ابزار سنجش از دور مبتنی بر لیزر، توسعه داده‌اند. این لیدار قادر است جزئیات بسیار ریز ساختار ابرها را در مقیاسی حدود یک سانتی‌متر ثبت کند؛ وضوحی که بین ۱۰۰ تا ۱۰۰۰ برابر بیشتر از ابزارهای سنتی است. در مطالعه‌ای که اخیراً در مجله نشنال آکادمی منتشر شده، تیم بروکهِیون این لیدار را با آزمایش‌های اتاقک ابر ترکیب کرده است. این پژوهش نخستین توصیف تجربی است که تفاوت میان ساختارهای آبی در بالای ابر و بخش‌های داخلی آن را مشخص می‌کند؛ ساختارهایی که تعیین می‌کنند ابرها چگونه شکل می‌گیرند، بارش چگونه تولید می‌شود و چه تأثیری بر تعادل انرژی زمین دارند.

به گفته پژوهشگران، این لیدار جدید تصاویری فوق‌العاده با وضوح بالا از پویایی ابرها ارائه می‌دهد. نکته چشمگیر این است که دستگاه می‌تواند فوتون‌های منفرد (ذرات بدون جرم حامل نور) را که پس از برخورد پالس‌های لیزری فوق‌سریع از ابر خارج می‌شوند، شناسایی و شمارش کند. سپس یک الگوریتم نمونه‌برداری داده، این سیگنال‌های فوتونی را به یک پروفایل دقیق از ساختار ابر تبدیل می‌کند. فان یانگ (Fan Yang)، نویسنده اصلی مطالعه و پژوهشگر بروکهِیون، این لیدار را «میکروسکوپی برای ابرها» توصیف کرده است.

تیم پژوهشی دستگاه را به اتاقک ابر در میشیگان برد؛ جایی که می‌توان ابرها را در شرایط کنترل‌شده دما و رطوبت به‌صورت مصنوعی تولید کرد. این محیط کنترل‌شده به آن‌ها اجازه داد فیزیک دقیق نحوه توزیع قطرات آب در بخش‌های مختلف یک ابر را ثبت کنند. نتایج نشان داد مدل‌های فعلی در توصیف فیزیک ابرها دقت کافی ندارند. اندازه‌گیری‌های لیدار نشان داد که در لایه بالایی ابر، توزیع قطرات آب بسیار متغیر است، در حالی که در بخش‌های داخلی ابر این توزیع یکنواخت‌تر دیده می‌شود.

پژوهشگران معتقدند این تفاوت به دو فرآیند «اختلاط» و «رسوب‌گذاری» مربوط است. در فرآیند اختلاط، هوای خشک و صاف بالای ابر به سمت پایین کشیده می‌شود و باعث ایجاد توزیع لکه‌ای قطرات در لایه بالایی ابر می‌شود. هم‌زمان، رسوب‌گذاری قطرات را بر اساس اندازه مرتب می‌کند؛ قطرات بزرگ‌تر سریع‌تر به داخل ابر سقوط می‌کنند و قطرات کوچک‌تر مدت بیشتری در بالا باقی می‌مانند.

در مقابل، بخش داخلی و حجیم ابر معمولاً دچار آشفتگی شدید است و همین باعث می‌شود قطرات آب به سرعت با هم ترکیب شده و توزیع یکنواختی پیدا کنند. اما در لایه بالایی ابر، شدت آشفتگی بسیار کمتر است و تنها قطرات کوچک‌تر می‌توانند در آن ناحیه معلق بمانند. یانگ توضیح می‌دهد که «بسیاری از مدل‌های جوی، رسوب‌گذاری قطرات را نادیده می‌گیرند یا همه قطرات با اندازه‌های مختلف را با سرعت سقوط یکسان در نظر می‌گیرند. این ساده‌سازی در بخش داخلی ابر که آشفتگی شدید است قابل قبول محسوب می‌شود، اما در لایه بالایی ابر که آشفتگی ضعیف‌تر است، دقت مدل را کاهش می‌دهد.»

به گفته پژوهشگران، این یافته‌ها پیامدهای مهمی برای علم جوّ دارد. برای مثال، نمایش نادرست فیزیک لایه بالایی ابرها می‌تواند عدم قطعیت قابل توجهی در پیش‌بینی مدل‌ها درباره میزان بازتاب نور خورشید و آغاز بارش ایجاد کند. پژوهشگران امیدوارند این لیدار در آینده برای اندازه‌گیری مستقیم ابرها در جو واقعی نیز به کار گرفته شود و به بهبود مدل‌های فعلی کمک کند. البته آن‌ها اذعان داشتند که اتاقک ابر هنوز نسخه‌ای کامل از رفتار واقعی ابرها نیست، اما پیشرفت‌های فناوری باعث شده بتوانند به شکل بی‌سابقه‌ای به شرایط واقعی نزدیک شوند.

مواد نرم مانند کرم‌های دارویی، سس مایونز و کرم‌های ضدآفتاب به مرور زمان تغییر می‌کنند و ساختار داخلی آن‌ها به‌طور آهسته و پیچیده دگرگون می‌شود. این تغییرات همیشه تحت تأثیر نیروی جاذبه زمین قرار دارند و همین موضوع مطالعه دقیق آن‌ها را دشوار کرده است. برای بررسی بهتر این فرآیندها، گروهی از پژوهشگران از دانشگاه Politecnico di Milano و Université de Montpellier تصمیم گرفتند این مواد را در محیطی بدون جاذبه، یعنی ایستگاه فضایی بین‌المللی، مورد آزمایش قرار دهند تا بتوانند رفتار واقعی آن‌ها را در شرایطی کاملاً متفاوت مشاهده کنند.

بررسی دقیق این تغییرات همیشه تحت تأثیر نیروی جاذبه زمین با چالش همراه بوده است. حتی زمانی که این مواد بدون حرکت روی قفسه قرار دارند، جاذبه باعث می‌شود ذرات داخلی آن‌ها ته‌نشین شوند و یا به شکل‌های متفاوتی تغییر کنند. به همین دلیل، گروهی از پژوهشگران از دانشگاه Politecnico di Milano و Université de Montpellier تصمیم گرفتند این مواد را در شرایطی بدون جاذبه، یعنی در فضا، مورد آزمایش قرار دهند تا بتوانند رفتار واقعی آن‌ها را بهتر مشاهده کنند.

نتیجه این تلاش، ایجاد آزمایشگاه پیشرفته COLIS بود؛ مرکزی تحقیقاتی که اکنون در ایستگاه فضایی بین‌المللی فعالیت می‌کند و به‌عنوان یکی از مهم‌ترین پروژه‌های علمی در زمینه مطالعه مواد نرم شناخته می‌شود. این پروژه حاصل بیش از ۲۵ سال همکاری میان لوکا چیپلتی (Luca Cipelletti)، فیزیکدان برجسته در آزمایشگاه Charles Coulomb، و روبرتو پیاتزا (Roberto Piazza)، مدیر آزمایشگاه مواد نرم در Politecnico di Milano است. این همکاری طولانی‌مدت نشان می‌دهد که مطالعه مواد نرم نه‌تنها برای درک علمی اهمیت دارد، بلکه می‌تواند کاربردهای گسترده‌ای در صنایع دارویی، غذایی و آرایشی داشته باشد.

COLIS با بهره‌گیری از فناوری‌های پیشرفته نوری، امکان بررسی دقیق مواد نرم را بدون ایجاد هیچ‌گونه اختلال در ساختار آن‌ها فراهم می‌کند. در این روش، پراکندگی دینامیک نور نشان می‌دهد که پرتوهای لیزر چگونه از میان نمونه‌ها عبور کرده و الگوهای بسیار ریز موسوم به «speckle» را آشکار می‌سازند؛ این الگوها بیانگر تغییرات تدریجی و بازآرایی ساختار مواد نرم در طول زمان هستند. علاوه بر این، این مرکز توانایی دارد نمونه‌ها را با دقت بالا گرم کند تا فرآیند فرسودگی آن‌ها به‌طور کنترل‌شده آغاز شود و سپس تغییرات در سطح مولکولی با جزئیات بررسی شود.

نتایج اولیه این پژوهش‌ها دانشمندان را شگفت‌زده کرده است. مشخص شد که نیروی جاذبه تأثیر بسیار عمیق‌تری بر ساختار مواد نرم دارد و حتی در بازه‌های زمانی طولانی، ویژگی‌های آن‌ها را تغییر می‌دهد. روبرتو پیاتزا (Roberto Piazza) در این‌باره توضیح داد: «شگفت‌انگیز است که ببینیم جاذبه، که در زندگی روزمره بسیار عادی و طبیعی به نظر می‌رسد، چگونه در پشت صحنه مواد مورد استفاده ما را شکل می‌دهد و رفتار آن‌ها را تعیین می‌کند.»