Cloud turbulence microphysics at interfaces: a DNS model with phase change and droplet interaction

Clouds play a major role in meteorology and climate, due to their fundamental role in maintaining Earth’s energy budget, by regulating the amount of solar energy that reaches the surface and the amount of the Earth’s energy that is radiated back into space. Therefore, understanding how microphysical processes impact cloud generation and evolution is an important aspect of atmospheric physics and is still an open question. The complexity of the phenomenon is linked to the simultaneous action of many factors, including the evolution of atmospheric aerosols, interactions with water vapor, and associated unstable processes such as nucleation, condensation, evaporation, collision, and fragmentation of water droplets, all of which play a significant role in shaping the microphysical properties of clouds. The aforementioned main processes occur mainly in turbulent background airflow. Recently, the cloud boundary within cloud environments, has attracted considerable interest. The specific study of these interfaces leads to essential results that can bring rapid progress in the assessment of cloud dynamics. These kinds of interfaces are significant examples of inhomogeneity and anisotropy within turbulent airflow. In the present work, I addressed a few problems in the area of small-scale cloud dynamics, using direct numerical simulations to study the temporal evolution of a perturbation located in the turbulent layer that generally separates a cloud from the surrounding clear air. The second part of the research is related to in-field experimentation using the mini green radiosondes developed in H2020 COMPLETE Marie Curie Network (http:// www.complete-h2020network.eu). In the first part, an initial value problem is considered, where the temporal evolution of an initial distribution of turbulent kinetic energy, temperature, humidity, and droplet distributions are observed. A sufficiently intense stratification was observed to change the mixing dynamics. The formation of a sub-layer inside the shearless layer was observed. The sub-layer, under a stable thermal stratification condition, behaved like a pit of kinetic energy. However, it was observed that turbulent kinetic energy transient growth took place under unstable conditions, which led to the formation of an energy peak just below the center of the shearless layer. A monodisperse droplet population with a radius of 15 µm and a polydisperse distribution with radii within the 0.6 – 40 µm range. Polydispersity has shown a different behavior in droplet evaporation and condensation both within the homogeneous cloudy region and in the anisotropic interface mixing zone for both distributions. However, the two populations show a common aspect in the course of the transient, that is, an increased probability of collisions within the interface layer, which exhibits a marked anisotropic velocity fluctuation. These DNSs show that supersaturation fluctuations broaden the droplet size distribution and induce an increase in the collision rate. This result is in contrast to the classical growth of (non-turbulent) condensation, which leads to an increase in the average droplet size but also to a narrower droplet distribution. It was also found that although the turbulent kinetic energy of the airflow hosting the cloud decreased by 90 % over the course of the simulation, the collision activity decreased by 40% inside the cloud, but increased by 25% in the mixing area of the interaction. The size distribution of the number density of the droplets, for the initially monodisperse population in the mixing layer, showed a standard deviation growth 15 times faster than that in the cloud region. In the polydisperse case, the concentration distributions were oppositely skewed, and the width of the distributions decreased more rapidly (about four times) over time within the interface region than in the cloud. Moreover, for the monodisperse population, a clustering of the values of the reaction, phase, and evaporation times, that is around 20-30 seconds, is observed in the central area of the mixing layer, just before the location where the maximum value of the supersaturation turbulent flux occurs. This clustering of values is similar for the polydisperse population but also includes the condensation time. The mismatch between the time derivative of the supersaturation and the condensation term in the interfacial mixing layer is correlated with the planar covariance of the horizontal longitudinal velocity derivatives of the carrier airflow and the supersaturation field, thus suggesting that a quasi-linear relationship may exist between these quantities. In the second part, which contains in-field experimentation with radioprobes, is a preliminary result of ongoing work. It is mainly a proof-of-concept, and in the future, more variables could be measured by equipping the probes with suitable sensors. This part of the research is aimed to study the water droplet dispersion due to turbulence in warm clouds. The analysis is afforded by means of both experimental and numerical approaches (numerical approaches based on Horizon 2020 Marie Sklodowska Curie project). The radiosonde data post-processing is based on distance-neighbor graphs, which was the original statistical analysis proposed by L.F. Richardson in 1926. While the first part of the work deals with DNSs and is limited to small-scale dynamics, the second part, which is experiments with radio probes, was aimed to analyse a few aspects of large-scale dispersion, which cannot be dealt with DNSs, and to measure in a Lagrangian way the state changes that a parcel of moist air undergoes in the atmosphere, thus providing a reference for numerical simulations. Therefore, the two parts reflect the same point of view on the same research work, i.e., the interaction between droplets and turbulence is seen from a different timescale.

Le nuvole, contribuendo a mantenere il bilancio energetico del nostro pianeta, regolando la quantità di energia solare che ne raggiunge la superficie e la quantità di energia che viene irradiata dalla Terra nello spazio, svolgono un ruolo fondamentale nella meteorologia e nel clima. Pertanto, comprendere come i processi microfisici influenzino la generazione e l'evoluzione delle nuvole è un aspetto importante della fisica dell’atmosfera. La complessità del fenomeno è legata all'azione simultanea di molti fattori, tra cui l'evoluzione degli aerosol atmosferici, le interazioni con il vapore acqueo e i processi attivi sulla microscala come la nucleazione, la condensazione, l’evaporazione, la collisione e frammentazione delle gocce d'acqua. I suddetti processi sono ospitati entro la fase gassosa (aria) che si trova in uno stato di intenso moto turbolento. Recentemente, l’interesse della comunità scientifica si e' focalizzato sulla regione di confine delle nuvole, la cosiddetta regione di interfaccia nuvola – aria limpida, la cui dinamica è fondamentale nella comprensione dell'evoluzione delle nuvole. Questo tipo di interfaccia e' un esempio significativo di flusso in cui le fluttuazioni turbolente sono caratterizzate da forte disomogeneità ed anisotropia. Nel presente lavoro, ho affrontato alcuni problemi nell'area della dinamica delle nuvole su piccola scala, utilizzando simulazioni numeriche dirette (DNS) per studiare l'evoluzione temporale di una perturbazione associata alla presenza di una stratificazione instabile localizzata vicino allo strato turbolento che generalmente separa una nuvola dall'aria limpida circostante. La seconda parte della ricerca è relativa alla sperimentazione sul campo utilizzando le mini radiosonde verdi sviluppate in H2020 COMPLETE Marie Curie Network (http:// [http://www.complete-h2020network.eu)]www.complete-h2020network.eu). Nella prima parte del lavoro, considerando un problema ai valori iniziali, è stata simulata numericamente l'evoluzione temporale di una distribuzione iniziale di energia cinetica turbolenta, temperatura, umidità contenente due tipi diversi (mono e poli-dispersa) di popolazione di gocce di acqua. È stato osservato come le dinamiche di miscelamento nella zona di interfaccia vengano influenzate dalla stratificazione termica. È stata inoltre rilevata, all’interno dello strato di miscelamento, la formazione di un sotto-strato che, in condizioni di stratificazione termica stabile, si comporta come un pozzo di energia cinetica. Ed è stato osservato che la crescita dell'energia cinetica turbolenta ha avuto luogo in condizioni di stratificazione instabile, con la formazione di un picco di energia poco sotto il centro dello strato di miscelamento. Per quel che concerne la fase acqua liquida, i due tipi di popolazione di goccioline considerati sono una distribuzione mono-dispersa sul raggio, con raggio delle gocce di 15 µm, ed una distribuzione poli-dispersa con raggi compresi tra 0,6 e 40 µm. Sebbene le due popolazioni presentino un comportamento diverso nei processi di evaporazione e di condensazione delle gocce sia all'interno della regione nuvolosa omogenea che nella zona di interfaccia, tuttavia, esse hanno un comportamento comune nello sviluppo del transitorio: ovvero un'aumentata probabilità di collisioni all'interno dello strato di interfaccia nuvola-aria chiare che contiene una marcata anisotropia delle fluttuazioni sia della velocità che dei due scalari trasportati, la temperatura ed la concentrazione di vapor d'acqua. I risultati delle simulazioni DNS mostrano che le fluttuazioni della sovrasaturazione ampliano la distribuzione delle dimensioni delle goccioline e inducono un aumento del tasso di collisione. Si e' inoltre riscontrato che sebbene l'energia cinetica turbolenta del flusso d'aria che ospita la nube diminuisca nel corso del transitorio del 90%, l'attività di collisione diminuisca del 40% all'interno della nube, ma aumenti del 25% nella regione di interfaccia altamente intermittente. La distribuzione dimensionale della densità numerica delle goccioline, per la popolazione inizialmente monodispersa, ha mostrato nello strato di miscelamento una crescita della deviazione standard 15 volte più veloce di quella nella regione omogena che modella la dinamica della nuvola. Nel caso polidisperso a iniziale densita' in massa uniforme sui raggi, la distribuzione evolve in modo opposto, presenta cioe' un restringimento. Anche in questo caso, il processo di restringimento si sviluppa più rapidamente (circa quattro volte) all'interno della regione di interfaccia che nella nuvola. Inoltre, per la popolazione mono-dispersa, si è osservato un raggruppamento dei valori tipici dei tempi di reazione di fase ed evaporazione, pari a circa 20-30 secondi, nell'area centrale dello strato di mescolamento. Precisamente, cio' avviene poco prima dello strato in cui si verifica il valore massimo del flusso turbolento della sovrasaturazione. Nel caso della simulazione contenente la popolazione iniziale poli-dispersa, questa convergenza di valori include anche il tempo di condensazione. La differenza tra la derivata temporale della sovra-saturazione e il termine di condensazione nello strato di interfaccia è molto correlata alla covarianza tra la derivata longitudinale della fluttuazione della velocità dell'aria e le fluttuazioni del campo di sovra-saturazione, suggerendo così che possa esistere una relazione quasi lineare tra queste quantità. Il che e' concettualmente equivalente a dire che il termine di produzione della super-saturazione e' proporzionale al prodotto della fluttuazione della super-saturazione con la frequenza caratteristica delle piccole strutture della turbolenza della fase aria. La parte finale della tesi descrive alcune preliminari sperimentazioni sul campo effettuate con le mini green radiosonde prototipate nell'ambito del Progetto Europeo H2020 Marie Curie (MSCA ITN ETN COMPLETE). Questa parte della ricerca è finalizzata allo studio della dispersione turbolenta nelle nuvole tiepide in cui sono presenti aria, vapore d'acqua e gocce d'acqua liquida, ma non aghi di ghiaccio. L'analisi preliminare è condotta mediante approcci sia sperimentali che numerici ed e' qui presentata soprattutto per dare una visione prospettica sui possibili futuri risultati ottenibili mediante l’elaborazione dei dati delle radiosonde. Essa sara' fondata su statistiche del tipo grafici neighbour-distance, cioe' l'approccio di analisi statistica proposto da L.F. Richardson nel 1926. Mentre la prima parte di questa tesi si basa su risultati ottenuti per mezzo di simulazioni numeriche DNS ed è limitata alle dinamiche su piccola scala, la parte relativa alle misure sul campo ha lo scopo: a) di analizzare alcuni aspetti della dispersione turbolenta su larga scala nelle nuvole tiepide, cosa allo stato dell’arte non ancora affrontabile per mezzo di simulazioni numeriche, e b) di misurare in modo lagrangiano i cambiamenti di stato che una particella di aria umida subisce nei suoi spostamenti entro l'atmosfera, fornendo così un riferimento per le simulazioni numeriche.