Дым от пожаров не дает пролиться дождю

Во время тушения лесных пожаров все с надеждой ищут в небе дождевые облака. Но они всё не появляются. Американские ученые в ходе своего эксперимента убедились, что появлению дождевых облаков мешает… дым от пожаров.

Команда исследователей из университетов c запада США экспериментально проверила известный факт, что крошечные твердые частицы пепла в дыме лесных пожаров влияют на формирование дождевых капель в облаках. Это потенциально приводит к уменьшению количества дождей и усилению засухи, которая дополнительно способствует распространению пожаров.

Статью об этом исследовании вышла в научном издании Geophysical Research Letters.

Когда лесные пожары выбрасывают дым в атмосферу, вместе с газообразными продуктами горения взлетают в атмосферу крошечные твердые частицы пепла сгоревших деревьев и травы. Ученые назвали взвесь этих твердых частиц в воздухе и продуктах сгорания дымовым аэрозолем. Капли воды могут конденсироваться на аэрозольных частицах дыма в кучевых облаках. И они конденсируются.

Процесс конденсации зависит от высоты облака в атмосфере, от химического состава аэрозоля, формы его кристаллов и других его свойств. К примеру, аэрозоль вулканического пепла отличается от аэрозоля лесных пожаров.

Присутствие аэрозоля в низких и высоких кучево-дождевых облаках тоже по-разному влияет на способность облаков излиться дождем. Скажем, "гриб" от атомного взрыва представляет собой облако, наполненное твердыми частицами измельченной взрывом местности. И это аэрозольное кучево-дождевое облако высотой до 20 километров как раз проливает обильные ливни.

Это ученым известно уже не менее 60 лет.

Известно и то, что в аэрозольном облаке, в отличие от "чистого" облака, центров конденсации больше – ровно на число аэрозольных частиц. Значит объем воды в облаке делится на большее количество капель. Из этого следует, что в аэрозольном облаке капель больше, и каждая из этих капель мельче, чем в облаке без аэрозоля, при одинаковом объеме воды в обоих облаках. При этом облако с аэрозолем может не давать дождя из-за слишком мелкого размера своих капель.

Чем больше капель в облаке, тем хуже оно пропускает солнечный свет и тем лучше его отражает. То есть облако с аэрозолем еще и охлаждает поверхность, над которой парит.

И вот новизна работы американских исследователей состоит в том, что они впервые измерили влияние аэрозоля именно от лесных пожаров на вероятность выпадения дождя над конкретным регионом – западом США. Ученые изучали дым от лесных пожаров в относительно низких кучевых облаках – на высоте от двух до трех километров.

Выяснить, почему в кучевых облаках над лесными пожарами дымовой аэрозоль от пожаров мешает формированию дождевых капель, американские ученые решили путем отбора проб воздуха с каплями из кучевых облаков. Они делали это, находясь на борту исследовательского самолета во время лесных пожаров на западе США в 2018 году.

Оказалось, что кучевое облако с дымовым аэрозолем содержало дождевых капель в пять раз больше, чем "чистое" кучевое облако. Но размер дождевых капель в облаке с дымом был вполовину меньше, чем в чистом от дыма облаке. Капли воды в обычном кучевом облаке вырастают до диаметра около 8 микрометров (0,08 мм). А в кучевом облаке с дымовым аэрозолем от лесных пожаров над западом США средний диаметр капель оказался около 4 – 5 микрометров. Столь мелкий размер капель и мешал им упасть на землю дождем, считают авторы исследования. Напомним, диаметр дождевых капель обычно составляет от 0,5 до 7 миллиметров.

"Мы были удивлены, насколько эффективно эти преимущественно органические частицы [аэрозоля] формируют капли в облаках и какое большое влияние они оказывают на микрофизику облаков", – говорит ведущий автор исследования Синтия Туи (Cynthia Twohy) из Института океанографии Скриппса Калифорнийского университета в Сан-Диего.

В высоких облаках добавление большего количества частиц аэрозоля может "взбодрить" облако и вызвать дождь. Но для низких кучевых облаков верно обратное, свидетельствуют результаты эксперимента американских исследователей, изложенные в опубликованной статье.

"Что действительно взволновало меня в этой статье, так это связь с гидрологическим циклом, – подчеркивает Энн Мари Карлтон (Ann Marie Carlton), химик из Калифорнийского университета в Ирвайне, которая не участвовала в описываемом исследовании. – Они наблюдают разницу размеров капель в облаках и в осадках, а образование облаков определенно влияет на гидрологический цикл".

Микрофизика облаков сложна, и исследователи, кроме более мелкого размера дождевых капель, в своей статье отмечают также другие факторы общего воздействия дыма на региональный климат. К примеру, в небольших облаках более многочисленные и более мелкие капли сильнее отражают солнечный свет и таким образом охлаждают поверхность земли, над которой находятся.

Исследование американских ученых было сосредоточено на небольших кучевых облаках, которые летом накрывают около четверти западной части США. Однако другие типы облаков, такие как высокие кучево-дождевые облака, несущие грозы и шквалистый ветер, могут демонстрировать другие свойства.

Поскольку летние дожди на западе США скудеют, Туи считает, что вызывающие засуху эффекты берут верх над вызывающими дождь явлениями, такими как образование дождевых облаков.

"За последние пару десятилетий количество летних дождей в регионе уменьшилось, а температура повысилась. Облачные эффекты, вероятно, являются важной частью этого процесса. Я надеюсь, что наши результаты послужат толчком к детальному моделированию региональных [атмосферных] явлений, которое поможет нам оценить влияние дыма на облака и климат в регионе", – отмечает Туи.

Ранее мы рассказывали, как ученые измеряют облачность и чем поможет новый российский прибор. Также мы писали, что эксперты ООН считают изменение климата "однозначным" и "беспрецедентным", и описывали, что станет с экологией, если в Арктике появятся сельскохозяйственные угодья.