Скрытые структуры в облаках могут разгадать давнюю загадку выпадения осадков

Фото из открытых источников

Общеизвестно, что где дым, там и огонь, но знаете ли вы, что где дождь, там и лед? По крайней мере, так принято считать, поскольку атмосферные ледяные кристаллы позволяют каплям дождя вырастать до размеров, достаточных для того, чтобы выпадать из холодных облаков. 

Существуют также «теплые облака», которые являются источником большей части осадков на Земле, особенно в тропиках, и влияют на глобальный энергетический баланс.

Однако то, как образуются капли дождя внутри этих переносимых в небо водяных «зефирок», является одной из самых больших загадок в атмосферной науке и препятствием для точных климатических прогнозов.

Теперь ученые сделали важный шаг к разгадке этой тайны, раскрыв ранее невидимые структуры, в которых образуются капли дождя в теплых облаках.

Как сообщается в недавнем исследовании, опубликованном в журнале PNAS, исследователи из Института динамики и самоорганизации им. Макса Планка (MPI-DS) использовали свой уникальный, разработанный внутри компании CloudKite — наполненный гелием воздушный шар-змей — для исследования низколетящих кучевых облаков вблизи Барбадоса.

«Мы оценили структуру теплого облака с высоким пространственным разрешением», — говорит ведущий автор исследования Мохсен Багери.

В отличие от самолетов, которые пролетают мимо и собирают меньше данных, расстояние между которыми может составлять несколько миль, или дронов, которые имеют ограниченное время полета и могут вызывать турбулентность, CloudKite — это «как трехмерный микроскоп в облаках, исследующий размер и распределение частиц», — объясняет Багери.

Он оснащен двумя специально разработанными оптическими системами визуализации, которые сочетают в себе преимущества сканирования облаков с помощью лазеров и высокоскоростных камер.

В результате CloudKite может создавать трехмерные модели положения и размера капель в облаках, собирая данные со скоростью 75 раз в секунду для отображения динамики облаков в масштабах от микрометров до километров.

Однако наше понимание микрофизики облаков по-прежнему неполно, «что подтверждается нашей неспособностью полностью объяснить, как дождь начинается в теплых облаках», — говорят исследователи, — «это неразгаданная загадка, которая мучает ученых на протяжении многих десятилетий».

Поэтому исследователи попытались разгадать главную загадку этого процесса: узкое место, которое должны преодолеть потенциальные капли дождя.

Чтобы крошечная капелька, находящаяся на пределе человеческого зрения, превратилась в полноценную падающую дождевую каплю, она должна столкнуться и соединиться со своими собратьями, став достаточно тяжелой, чтобы упасть с неба.

Теперь исследователи раскрыли этот невидимый процесс, продемонстрировав, что скопление облачных капель происходит в крайне прерывистых, ультралокализованных очагах, а не равномерно или случайным образом по всей поверхности облаков.

В действительности, большая часть исследованного облака может не содержать значительных скоплений капель. Вместо этого, они, по-видимому, образуют небольшие участки размером в метр или меньше, в которых отдельные капли плотно прилегают друг к другу на расстоянии всего около одного миллиметра.

«Поскольку капли скапливаются там, вероятность столкновений значительно возрастает», — говорит соавтор исследования Бирте Тиде. «Таким образом, эти локализованные очаги могут представлять собой места, где дождь начинается в неглубоких кучевых облаках».

Напротив, предыдущие исследования показали, что кластеризация слабее и более рассредоточена в неглубоких (низких) слоисто-кучевых облаках. Это может быть связано с тем, что другие обсерватории не могли сравниться с CloudKite по способности различать локализованные кластеры и вместо этого усредняли свои сигналы по гораздо большим областям.

Хотя это может показаться простым решением загадки кластеризации, исследователи отмечают, что очаги скопления могут не иметь четкой корреляции с концентрацией капель или их средними размерами.

Вместо этого, их развитию могут способствовать динамические факторы, такие как турбулентность, которую в настоящее время изучает команда.

Эти факторы влияют на то, как компоненты облаков эволюционируют и объединяются в капли дождя, определяя как водный баланс Земли, так и ее энергетический баланс, поскольку облака играют жизненно важную роль в отражении, поглощении и излучении солнечной радиации.

Таким образом, в планах компании CloudKite – будущие экспедиции, включая полеты над Амазонкой, Балтийским морем и Финляндией.

Ограничение процессов образования горячих точек, частоты столкновений капель и способов их соединения будет иметь решающее значение для устранения некоторых существенных недостатков в климатических моделях, что позволит вам никогда больше не попасть под ливень, который испортит вашу прическу, без зонта.

Как заключает Багери, раскрытие «скрытой структуры теплых облаков приведет к более точному описанию образования осадков и более точным прогнозам погоды».