Скрытые структуры в облаках могут объяснить, как начинается дождь
В облаках обнаружены небольшие области, где капли воды собираются в плотные скопления. Такие структуры могут создавать условия для частых столкновений и слияния капель, что в конечном итоге приводит к образованию дождя.
Формирование дождевых капель в облаках, состоящих преимущественно из жидкой воды, остаётся одной из нерешённых проблем атмосферной науки. В ледяных облаках кристаллы льда помогают каплям увеличиваться, однако механизм образования крупных капель в облаках без ледяной фазы изучен значительно хуже.
Исследование, опубликованное в журнале PNAS, провели специалисты Института динамики и самоорганизации Общества Макса Планка. Для наблюдений они использовали разработанную институтом систему CloudKite и исследовали низкие кучевые облака над Барбадосом.
Облако исследовали изнутри
CloudKite представляет собой аэростат с научным оборудованием, который позволяет медленно перемещаться внутри облака и получать данные о расположении и размерах капель. В отличие от самолётов, быстро пролетающих через облако, такая система позволяет проводить измерения на значительно меньших пространственных масштабах.
Аппарат оснащён двумя оптическими системами, которые используют лазеры и высокоскоростные камеры. Они позволяют восстанавливать трёхмерную структуру распределения капель и отслеживать изменения внутри облака.
Измерения проводились с частотой до 75 раз в секунду и охватывали масштабы от микрометров до километров.
Полученные данные показали, что капли распределены внутри облака неравномерно. В некоторых небольших областях они образуют плотные скопления размером около метра или даже меньше.
Расстояние между каплями внутри таких зон может составлять всего около одного миллиметра. Это существенно увеличивает вероятность их столкновений и последующего слияния.
Дождь может начинаться в небольших областях
Чтобы небольшая капля превратилась в дождевую, она должна сталкиваться с другими каплями и объединяться с ними. По мере роста капля становится тяжелее и в определённый момент начинает падать из облака.
Новые наблюдения показывают, что такой процесс может происходить не равномерно по всему объёму облака, а преимущественно в отдельных локальных областях.
Большая часть исследованных облаков практически не демонстрировала выраженного скопления капель. При этом в небольших участках их плотность резко возрастала.
Именно такие локальные зоны могут быть местами, где начинается формирование дождя в неглубоких кучевых облаках.
Предыдущие исследования показывали более слабое и равномерное распределение капель в низких слоисто-кучевых облаках. Исследователи предполагают, что одна из причин может заключаться в недостаточном пространственном разрешении прежних наблюдений: небольшие скопления просто терялись при усреднении данных на больших участках.
Важную роль может играть турбулентность
При этом само по себе скопление капель ещё не объясняет, почему такие области возникают. Исследователи предполагают, что их формированию могут способствовать турбулентные воздушные потоки.
Турбулентность способна изменять распределение капель внутри облака, сближая их и повышая вероятность столкновений. Однако точный механизм образования обнаруженных локальных структур ещё предстоит установить.
Это имеет значение не только для понимания формирования дождя. Облака отражают солнечное излучение, поглощают его и участвуют в переносе тепла в атмосфере. Поэтому процессы внутри них влияют на энергетический баланс Земли и остаются одним из источников неопределённости при моделировании климата.
Исследователи планируют новые наблюдения с помощью CloudKite, в том числе над Амазонией, Балтийским морем и Финляндией. Сравнение данных из разных регионов позволит определить, насколько распространены обнаруженные структуры и как они зависят от типа облаков и условий окружающей среды.
Более точное понимание того, где возникают плотные скопления капель и как они влияют на частоту их столкновений, может улучшить модели образования осадков и повысить точность прогнозов погоды.
Исследование в журнале PNAS.