Фізики з Брукхейвенської національної лабораторії в штаті Нью-Йорк вперше детально дослідили верхівки хмар з надвисокою роздільною здатністю. Новий тип лідара дозволив побачити суттєві відмінності між фізикою верхніх і внутрішніх шарів хмар. Результати можуть змінити уявлення про те, як хмари впливають на клімат і формування опадів, пише Gizmodo.
Дослідники розробили лазерний лідар дистанційного зондування, здатний фіксувати структури хмар з просторовою роздільною здатністю близько 1 сантиметра. Це у 100–1000 разів перевищує можливості традиційних інструментів спостереження.
У дослідженні, опублікованому в Proceedings of the National Academy of Sciences, новий лідар поєднали з камерними експериментами. Такий підхід уперше дозволив експериментально розрізнити структури води у верхівках хмар і в їхніх внутрішніх шарах.
Саме ці відмінності, за словами авторів, визначають, як хмари еволюціонують, формують опади та впливають на енергетичний баланс Землі. Раніше ці процеси залишалися погано описаними через обмеження вимірювальних методів.
Як зазначив провідний автор дослідження Фан Ян з Брукхейвенської лабораторії, новий прилад працює як “мікроскоп для хмар”, оскільки здатен виявляти й підраховувати окремі фотони, що повертаються після удару надшвидких лазерних імпульсів по хмарі. Отримані сигнали спеціальний алгоритм перетворює на детальний профіль хмарної структури. За його словами Яна, прилад забезпечує зображення динаміки хмар з надвисокою роздільною здатністю.
Для перевірки технології команда використала камеру Вільсона в Мічигані, де можна штучно створювати хмари за контрольованих температури та вологості. Це дозволило точно зафіксувати фізику розподілу крапель усередині хмари.
Результати показали, що наявні моделі неправильно описують фізику верхівок хмар. Лідар зафіксував значну варіативність розподілу крапель у верхніх шарах, тоді як у середині хмари структура була значно одноріднішою.
Дослідники пов’язують це з двома процесами — захопленням і седиментацією. Захоплення затягує сухе повітря зверху вниз, створюючи плямисту структуру, тоді як седиментація сортує краплі за розміром.
У внутрішній частині хмари сильна турбулентність швидко перемішує краплі в однорідну масу. Натомість у верхівках турбулентність слабша, і там утримуються лише дрібніші краплі.
“Багато атмосферних моделей або взагалі нехтують седиментацією крапель, або представляють краплі різних розмірів з однією швидкістю падіння. Це спрощення є доцільним в основній області хмари, де турбулентність сильна, але воно зникає поблизу верхівки хмари, де турбулентність слабша”, — пояснив Ян.
Науковці зазначають, що неточні уявлення про фізику хмарних поверхонь можуть суттєво впливати на кліматичні прогнози. Зокрема, це стосується оцінок відбиття сонячного світла та формування опадів.
У перспективі дослідники планують застосувати лідар для безпосередніх вимірювань у реальній атмосфері. Водночас вони визнають, що лабораторні камери не повністю відтворюють природну динаміку хмар, хоча нова технологія значно наблизилася до більш точного визначення цього.
Нещодавно вчені створили найточнішого “цифрового двійника” Землі. Вони здійснили прорив у кліматичному моделюванні завдяки поєднанню короткострокових погодних даних із довготривалими глобальними процесами.