У теплих купчастих хмарах, які дають значну частину дощів на Землі, вчені виявили приховані мікроструктури, де ймовірно зароджується дощ. Нові високодетальні вимірювання показують, що краплі води в таких хмарах не розподілені рівномірно, а збираються в крихітні «гарячі точки» з дуже високою щільністю. Про це повідомляє ScienceAlert.

Чому теплі хмари залишалися загадкою

Традиційно вважалося, що дощ пов’язаний насамперед із крижаними кристалами в холодних хмарах: саме вони допомагають краплям вирости настільки, щоб упасти на землю. Але значна частина опадів, особливо в тропіках, випадає з так званих теплих хмар, які складаються лише з рідкої води.

Як саме в цих «повітряних зефірах» формуються великі краплі, залишалося однією з найбільших загадок атмосферної фізики та джерелом невизначеності для кліматичних моделей. Для того щоб невидима неозброєним оком мікрокраплина перетворилася на повноцінну дощову краплю, вона має багаторазово стикатися й зливатися з іншими краплями. Де і як це відбувається всередині хмари, досі було незрозуміло.

CloudKite: «3D-мікроскоп» у небі

Команда з Інституту динаміки та самоорганізації товариства Макса Планка (MPI-DS) застосувала власну розробку — систему CloudKite, щоб зазирнути всередину низьких купчастих хмар поблизу Барбадосу. Це гібрид повітряного змія та гелієвої кулі, спеціально створений для дослідження зв’язку між мікрофізикою хмар і турбулентністю.

На відміну від літаків, які пролітають крізь хмару надто швидко й дають розріджені вимірювання, або дронів з обмеженим часом польоту, CloudKite працює як «3D-мікроскоп у хмарах», пояснює керівник дослідження Мохсен Багері (Mohsen Bagheri). Система оснащена двома оптичними комплексами, що поєднують лазерне сканування та високошвидкісні камери.

Завдяки цьому CloudKite може будувати тривимірні карти розташування та розмірів крапель у хмарі, фіксуючи дані зі швидкістю близько 75 разів на секунду. Це дозволяє простежити динаміку хмари на масштабах від мікрометрів до кілометрів.

«Гарячі точки» скупчення крапель

Попри десятиліття досліджень, мікрофізика хмар залишається неповною, що, за словами авторів, добре видно на прикладі того, що механізм запуску дощу в теплих хмарах досі не був пояснений. Тому команда зосередилася на так званому «вузькому місці» — етапі, коли дрібні краплі мають почати активно зіштовхуватися й зливатися.

Вимірювання показали, що скупчення крапель відбувається не рівномірно й не випадково по всій хмарі. Натомість воно зосереджене в дуже локальних ділянках розміром близько одного метра або менше. У цих зонах окремі краплі розташовані буквально «пліч-о-пліч» — на відстані приблизно одного міліметра одна від одної.

За словами першої авторки роботи Бірте Тіде (Birte Thiede), саме в таких локалізованих «гарячих точках» зіткнення між краплями стають набагато ймовірнішими. Отже, ці ділянки можуть бути тими місцями, де в неглибоких купчастих хмарах фактично стартує дощ.

Попередні дослідження вказували на слабше й більш розмите скупчення крапель у низьких шарувато-купчастих хмарах. Ймовірно, інші інструменти просто не могли розрізнити настільки локальні кластери й усереднювали сигнали по значно більших об’ємах повітря.

Роль турбулентності та значення для клімату

Попри те, що виявлені структури виглядають привабливим поясненням механізму утворення дощу, дослідники застерігають: «гарячі точки» не завжди чітко пов’язані з простою концентрацією крапель чи їхнім середнім розміром. Ймовірно, ключову роль відіграють динамічні фактори, насамперед турбулентність повітря.

Саме турбулентні потоки можуть визначати, як компоненти хмари перемішуються, зближуються й зливаються в більші краплі. Це, у свою чергу, впливає не лише на водний баланс планети, а й на енергетичний: хмари відбивають, поглинають і випромінюють сонячну радіацію, тому точний опис їхньої структури критично важливий для кліматичних моделей.

Команда вже планує нові експедиції з CloudKite — зокрема над Амазонією, Балтійським морем і Фінляндією. Краще розуміння того, де саме виникають «гарячі точки», з якою швидкістю краплі стикаються та як вони зливаються, має допомогти зменшити невизначеність у кліматичних симуляціях і зробити прогнози погоди точнішими.

Як підсумовує Багері, розкриття «прихованої структури теплих хмар» дасть змогу точніше описувати формування дощу й покращити якість метеорологічних прогнозів. Результати дослідження опубліковані в журналі PNAS.