Учёные раскрыли загадку быстрого дождя из теплых облаков

Долгие годы физики атмосферы не могли понять, почему дождь из облаков самого распространённого типа начинается так быстро и почти внезапно. Исследование, опубликованное в Proceedings of the National Academy of Sciences, наконец дало ответ. Учёные использовали уникальную летающую лабораторию, чтобы заглянуть внутрь мелких кучевых облаков и увидеть процесс зарождения дождя в реальном времени.

Большие чёрные тучи, вершины которых уходят в тропосферу с температурой ниже минус сорока градусов, содержат льдинки, вокруг которых концентрируются капли. Это объясняет, как они проливаются дождём. Но мелкие тёплые облака, не содержащие льда, составляют значительную долю всех облаков на планете. Они служат источником большей части дождей, особенно в тропиках, и играют центральную роль в регуляции энергетического баланса Земли, отражая солнечный свет обратно в космос. Их способность затенять планету зависит от того, насколько эффективно микрокапли перерастают в дождевые капли. И до сих пор этот процесс оставался одной из главных неопределённостей в климатических прогнозах.

Для изучения этих процессов учёные запустили в облака хеликайт — гибрид воздушного змея и привязного аэростата, напичканный высокотехнологичным оборудованием. «Это как трёхмерный микроскоп в облаках, который исследует размер и распределение частиц», — говорит физик-гидродинамик Мохсен Багери из Института динамики и самоорганизации Макса Планка, руководивший исследованием. Сердцем обсерватории CloudKite служат две оптические системы визуализации, использующие мощные лазеры и высокоскоростные камеры. Одна из них способна реконструировать трёхмерные координаты и размеры отдельных облачных капель с высокой частотой, что делает её одним из самых быстрых бортовых голографических приборов из когда-либо созданных. Другая измеряет турбулентность внутри облаков. Аэростат дрейфует сквозь облака гораздо медленнее исследовательских самолётов и не вносит возмущения в измеряемую среду, в отличие от дронов.

Хеликайт запускали над Атлантикой недалеко от Барбадоса на высоту до 850 метров — в нижний слой облаков. По полученным данным восстановили внутреннее строение участка мелкого кучевого облака протяжённостью 55 метров. Выяснилось, что капли распределены не равномерно, а образуют сильно локализованные «горячие точки» — скопления размером 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.

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. Каждое новое наблюдение приближает нас к пониманию того, как работает атмосфера — и, возможно, когда-нибудь мы сможем предсказывать дождь с точностью до капли.