Обычно считается, что для образования дождя в холодных облаках важную роль играют кристаллы льда: благодаря им капли могут увеличиваться, становиться тяжелее и в итоге выпадать на землю.
Но существует и другой тип облаков — теплые. Они дают значительную часть осадков на Земле, особенно в тропиках, и одновременно влияют на энергетический баланс планеты. При этом ученые до сих пор не могли полностью объяснить, каким образом крошечные капли внутри таких облаков превращаются в полноценные дождевые капли.
Теперь исследователи обнаружили ранее практически невидимые структуры, которые могут оказаться ключом к этой загадке.
Ученые из Института динамики и самоорганизации Общества Макса Планка исследовали низкие кучевые облака неподалеку от Барбадоса с помощью необычного аппарата — заполненного гелием воздушного змея-аэростата.
В отличие от самолета, который быстро пролетает через облако и получает отдельные измерения на большом расстоянии друг от друга, такой аппарат способен подолгу находиться внутри облачной среды. Дроны тоже имеют ограничения по времени полета и сами могут создавать воздушные возмущения.
На аппарате установлены две специально разработанные оптические системы, использующие возможности лазеров и высокоскоростных камер. Они позволяют определять размеры капель и их расположение и фактически строить трехмерную картину внутренней структуры облака.
Измерения проводятся до 75 раз в секунду, что дает возможность наблюдать процессы на масштабах от микрометров до километров.
Главный вопрос заключался в том, каким образом чрезвычайно маленькая капля способна преодолеть своеобразный барьер и превратиться в дождевую. Для этого ей необходимо многократно сталкиваться с другими каплями и сливаться с ними, постепенно увеличиваясь до тех пор, пока она не станет достаточно тяжелой для падения.
Новые измерения показали, что капли внутри облака распределены совсем не так равномерно, как можно было предположить.
Большая часть исследованного облака могла вообще не содержать выраженных скоплений. Вместо этого они возникали в очень небольших и непостоянных областях размером около метра или меньше.
Внутри таких участков капли находились чрезвычайно близко друг к другу — расстояние между отдельными каплями могло составлять примерно один миллиметр.
А это резко увеличивает вероятность столкновений.
По мнению исследователей, именно такие локальные «горячие точки» могут быть местами, где в невысоких кучевых облаках начинается формирование дождя.
Ранее исследования других типов низких облаков показывали более слабое и равномерно распределенное скопление капель. Однако авторы новой работы предполагают, что причиной различий могут быть сами методы измерений. Менее точные приборы могли просто усреднять данные по слишком большой области и тем самым скрывать небольшие локальные скопления.
При этом ученые пока не считают загадку полностью решенной.
Обнаруженные участки с плотным скоплением капель не обязательно совпадали с областями, где было просто больше воды или где средний размер капель был выше. Возможно, ключевую роль играют динамические процессы внутри самого облака — например турбулентность.
Теперь исследователи намерены выяснить, что именно создает эти небольшие области и насколько сильно они увеличивают вероятность столкновения и слияния капель.
Это важно не только для понимания дождя. Облака участвуют в круговороте воды и влияют на энергетический баланс Земли, отражая, поглощая и излучая энергию. Поэтому неточное описание процессов внутри облаков остается одной из проблем современных климатических моделей.
В дальнейшем исследователи планируют проводить аналогичные измерения над Амазонией, Балтийским морем и Финляндией.
Если ученым удастся понять, почему возникают эти «горячие точки», как часто внутри них сталкиваются капли и насколько быстро они объединяются, это может улучшить описание образования дождя в климатических моделях и повысить точность прогнозов погоды.
Исследование опубликовано в журнале PNAS.
