Летающая лаборатория показала, как проливаются дождем теплые облака
Уникальная летающая лаборатория помогла разгадать загадку, которая долгие годы не давала покоя физикам атмосферы — как теплые облака настолько быстро, почти внезапно, проливаются дождем. Исследование на эту животрепещущую тему увидело свет на страницах Proceedings of the National Academy of Sciences.
К большим черным тучам у ученых вопросов давно нет. Вершины этих монструозных массивов атмосферной влаги уходят высоко в тропосферу с ее температурой ниже −40 °C, и потому изобилуют микроскопическими льдинками, вокруг которых концентрируются капли.
Мелкие теплые облака льда не содержат вовсе. Между тем, они составляют значительную долю всех облаков, покрывающих океаны и сушу, служат источником большей части дождей на планете, особенно в тропиках, и играют центральную роль в регуляции энергетического баланса планеты, отражая солнечный свет обратно в космос. Их продолжительность жизни и способность затенять Землю от солнечного излучения критически зависят от того, насколько эффективно микрокапли перерастают в дождевые капли, — и это одна из главных неопределенностей в климатических прогнозах.
Летающая в облаках обсерватория
Для изучения процессов, происходящих в мелких кучевых облаках, в них запустили хеликайт — гибрид воздушного змея и привязного аэростата — напичканный высокотехнологичным оборудованием.
«Это как трехмерный микроскоп в облаках, который исследует размер и распределение частиц», — сравнивает физик-гидродинамик Мохсен Багери из Института динамики и самоорганизации Макса Планка, руководивший исследованием.
Сердцем обсерватории CloudKite служат две специально разработанные оптические системы визуализации, использующие мощные лазеры и высокоскоростные камеры. Одна из них способна реконструировать трехмерные координаты и размеры отдельных облачных капель с частотой 75 раз в секунду, что делает ее одним из самых быстрых бортовых голографических приборов из когда-либо созданных. Другая — измеряет турбулентность внутри облаков. Аэростат дрейфует сквозь облака со скоростью всего около 10 м/с — гораздо медленнее исследовательских самолетов, и не вносит возмущения в измеряемую среду, как это делают дроны.
Что удалось выяснить на высоте 850 метров
«Мы оценили структуру теплого облака с высоким пространственным разрешением», — говорит Багери.
По полученным данным восстановили внутреннее строение участка мелкого кучевого облака протяженностью 55 метров. Выяснилось, что капли распределены не равномерно, а образуют сильно локализованные «горячие точки» — скопления размером всего около метра или даже меньше. В этих областях расстояние между каплями значительно меньше, чем в остальной части облака, что резко повышает шансы на образование более крупных капель.
«Поскольку капли там группируются, столкновения становятся гораздо более вероятными. Эти локализованные очаги, вполне возможно, и есть те самые места, где в мелких кучевых облаках зарождается дождь», — объясняет физик Бирте Тиде, первый автор исследования.
Зачем это нужно
Эти наблюдения ставят под сомнение устоявшееся представление о том, что кластеризация капель слаба и распределена по облаку равномерно. Наоборот — облака обладают скрытой внутренней структурой, которая до сих пор оставалась невидимой.
«Раскрытие внутреннего устройства теплых облаков поможет улучшить модели образования осадков и повысить точность прогнозов», — заключает Багери.
Сейчас исследователи изучают, как турбулентность связана с этими локализованными очагами кластеризации. В будущем запланированы новые полевые кампании с запусками CloudKite в Амазонии, на Балтийском море и в северной Финляндии.
