Кредит: Шаттерсток
В научном сообществе не утихают споры о том, способны ли мельчайшие аэрозольные частицы выступать в роли катализатора для тропических конвективных облаков. Эти частицы, служа ядрами конденсации, напрямую влияют на образование и рост облачных капель, что сопровождается выделением скрытого тепла и усилением вертикальных движений воздуха. Долгое время ключевой механизм, получивший название конденсационно-аэрозольного конвективного усиления, оставался под вопросом из-за того, что его непременное условие — значительное перенасыщение водяным паром внутри облака — крайне редко фиксировалось при экспериментальных замерах.
Суть гипотезы сводится к следующему: в развивающихся облаках, где перенасыщение достигает высоких значений, дополнительные аэрозоли способны инициировать формирование новых капель. Это ведет к интенсификации конденсации, выбросу добавочного скрытого тепла и стремительному подъему воздушных масс. Тем не менее стандартные авиационные измерения, как правило, не выявляют тех самых квазистационарных уровней пересыщения, которые необходимы для запуска этого процесса. Однако отсутствие таких данных не означает, что подобные условия никогда не возникают в реальной атмосфере.
Прежние дискуссии преимущественно опирались на наблюдения в облачных средах, где экстремальное перенасыщение маловероятно: речь идет о сравнительно загрязненных облаках, неглубоких теплых облачных системах и зонах, расположенных под мощными конвективными ячейками. Между тем на больших высотах, где происходит активное образование капель, а ускоренные восходящие потоки сокращают суммарную площадь поверхности этих капель, складываются предпосылки для возникновения перенасыщения.
Авиационные наблюдения раскрывают новые детали
Свежие результаты, опубликованные в журнале «Достижения в области атмосферных наук», позволили взглянуть на проблему под иным углом. Группа исследователей из Китая, США и Израиля обработала данные, полученные в ходе Филиппинского эксперимента НАСА, посвященного изучению облачных, аэрозольных и муссонных процессов. Кампания проходила в 2019 году над Филиппинами и прилегающими тропическими водами. Ученые оценивали квазистационарное перенасыщение, сопоставляя измерения скорости восходящего потока с распределением облачных капель по размерам; этот подход учитывает баланс между водяным паром, образующимся при подъеме воздуха, и паром, удаляемым при конденсации на каплях.
Выяснилось, что тропические конвективные облака способны демонстрировать уровни перенасыщения, заметно превышающие те, что были зафиксированы в предыдущих работах, где применялись консервативные методики расчета. По мере того как самолет поднимался в более высокие части облаков, показатель перенасыщения возрастал, достигая примерно 10% при температуре около -5°C. Примечательно, что на этой отметке восходящий поток все еще состоял в основном из переохлажденных жидких капель. При дальнейшем понижении температуры расчетные значения продолжали увеличиваться, однако появление ледяных кристаллов делало оценки, базирующиеся исключительно на жидкой фазе, менее точными.
Дополнительное подтверждение гипотезе принесли недавние авиационные кампании ESCAPE, проводившиеся в прибрежных районах Техаса и Луизианы. В ходе этих вылетов независимо было зафиксировано редкое, но чрезвычайно высокое квазистационарное перенасыщение — около 11% — внутри контуров конвективных восходящих потоков. Это наблюдение согласуется с представлением о том, что именно в подобной облачной среде наиболее вероятно проявление конденсационно-аэрозольного конвективного усиления.
Наибольшие значения перенасыщения отмечались при мощных восходящих потоках и относительно низкой концентрации капель. Когда же количество капель возрастало, их общая площадь поверхности увеличивалась, что приводило к более интенсивной конденсации пара и, соответственно, к снижению расчетного перенасыщения. Эта закономерность подчеркивает сложную взаимосвязь между аэрозолями и микрофизикой облаков.
Важно подчеркнуть, что полученные данные не доказывают непосредственного влияния аэрозолей на усиление облачности. Скорее, они свидетельствуют о наличии атмосферных условий, необходимых для активации механизма, который потенциально способен вызывать рост тропических конвективных облаков. Само высокое перенасыщение выступает своего рода «топливом»: при поступлении дополнительных мелких или сверхмелких аэрозольных частиц оно могло бы позволить сформировать значительно большее количество капель, что, в свою очередь, усилило бы конденсацию, высвободило добавочное скрытое тепло и способствовало дальнейшему развитию восходящих потоков.
ъяснить это.
"Предыдущие исследования крупных загрязненных или неглубоких облаков – типов, которые обычно не описываются условиями высокого перенасыщения, необходимыми для конденсационного обозначения. Поэтому неудивительно, что они не создают этот механизм в действии», — сказал он. Сказал Дэниел Розенфельд из Еврейского университета в Иерусалиме и Уханьского университета, принимавший участие в обоих исследованиях. «Наши наблюдения показывают: если вы хотите увидеть этот механизм в действии, вам нужно посмотреть на глубокие чистые облака над океаном».
Непосредственное облако облачного механизма
Теперь исследователи планируют более активно протестировать предлагаемый процесс с помощью особых категорий самими. В этих исследованиях будут сравниваться чистые и загрязненные тропические конвективные облака, уделяя особое внимание областям с мощным восходящим потоком. Ученым также необходимо будет лучше различать жидкую и ледяную фазы внутри облаков.
«В конечном итоге наша цель — улучшение фундаментального понимания и прогнозирование воздействия аэрозолей на глубокую конвекцию, осадку, вспышку и климат», — сказал он. — сказал Розенфельд.