Когда дело доходит до изменения климата, облака являются дикой картой. Атмосферные физики из Мичиганского технологического института используют камеру Вильсона, создающую турбулентность, чтобы лучше понять детали и капли.
В жизни мало абсолютов, но Уилл Кантрелл, профессор физики Мичиганского технологического университета, говорит, что это один из них: «Каждая облачная капля в атмосфере Земли образовалась из ранее существовавшей аэрозольной частицы».
И то, как формируются эти капли - с малым или большим количеством аэрозольных частиц - может иметь серьезные последствия для погоды и изменения климата.
На протяжении десятилетий было известно, что более чистые облака, как правило, имеют более крупные облачные капли. Но благодаря исследованиям, проведенным в камере Вильсона Мичиганского технологического института и опубликованным в Proceedings of the National Academy of Sciences, Кантрелл, аспирант Камаль Кант Чандракар, коллега-профессор физики Рэймонд Шоу и их коллеги обнаружили, что более чистые облака также имеют гораздо более широкую изменчивость капель. размер. На самом деле настолько широкие, что некоторые из них достаточно велики, чтобы их можно было считать моросящими каплями.
Более грязные облака, объясняет Шоу, не только имеют более мелкие капли, но и гораздо более однородны по размеру капель, без видимых капель моросящего дождя.
«Если бы в облаках было больше аэрозолей, капли были бы меньше и более похожи по размеру», - говорит Шоу. «Облаку будет труднее лить дождь, и тогда оно продержится дольше. Если из облака идет дождь или в нем меньше воды, оно не будет отражать солнечный свет».
Аэрозоли, конфеты и дождь
Для многих людей слово аэрозоль вызывает в воображении образы лака для волос Aqua Net или бытовых освежителей воздуха. Но аэрозоль - это просто любое твердое или жидкое вещество, взвешенное в газе или жидкости.
Когда аэрозольная частица в атмосфере Земли поглощает воду, она становится облачной каплей. Сами по себе аэрозольные частицы крошечные; когда облачная капля становится каплей дождя, она увеличивается в миллион раз по мере того, как капли сталкиваются и сливаются вместе. Что Шоу и Кантрелл хотят лучше понять, так это то, как аэрозоли влияют на размер, при котором облачные капли становятся достаточно тяжелыми, чтобы выпадать в виде дождя.
Чтобы разобраться, они отправились в камеру Вильсона и создали два вида облаков - очень загрязненные облака и очень чистые. Представьте себе доступную воду в этих облаках как пиньяту, полную конфет, а все аэрозоли - дети. Если в комнате много детей, более вероятно, что большинство из них получит конфету; если там всего 10 процентов детей, то лишь немногие - самые быстрые или удачливые - накопают большую часть хороших вещей. Точно так же аэрозоли конкурируют за водяной пар: большее количество аэрозолей приводит к более мелким каплям с более равномерным распределением, а меньшее количество аэрозолей приводит к более крупным каплям с неравномерным распределением.
Но есть еще один ключевой элемент, который следует учитывать: турбулентность. Разбрызгивание и прыжки леденцов, выпущенных из пиньяты, подобны водяному пару в реальном облаке, которое постоянно перемешивается и закручивается турбулентностью. Иногда турбулентность создает «всплеск» водяного пара. В загрязненном облаке есть много капель, которые поглощают водяной пар. В чистом облаке один и тот же всплеск высокого уровня водяного пара может длиться долгое время, и лишь несколько счастливых капелек поблизости от пара будут обильно жевать и расти намного больше, чем их соседи.
«При неоднородном разбросе размеров капель облачные капли с большей вероятностью превратятся в капли дождя, потому что они с большей вероятностью столкнутся», - объясняет Кантрелл, добавляя, что капли разного размера падают с разной скоростью, потому что атмосферы Земли.«Когда капли дождя падают, их скорость регулируется балансом между гравитацией, притягивающей их вниз, и сопротивлением, удерживающим их. В то время как каждая капля дождя падает с предельной скоростью, более крупные капли падают быстрее».
Облако белое, Облако яркое
Источников выброса аэрозолей много. Любой, кто был в мегаполисе, знает оранжевую дымку аэрозолей, которая часто висит в воздухе. У ученых есть веские основания ожидать, что эти массовые выбросы аэрозолей могут изменить яркость облаков и эффективность дождя из облаков. Исследование Мичиганского технологического института подтверждает, что более грязные облака - более яркие облака, которые рассеивают больше солнечного света, отражая часть его обратно в космос - вероятно, будут существовать дольше, потому что они с меньшей вероятностью приведут к осадкам.
«Облака - это большая дикая карта», - говорит Шоу. «Мы рассматриваем облака как часть большой климатической системы. Как и все взаимосвязанные части системы, облака имеют тенденцию реагировать на изменения в системе. Но как они ответят? Будут ли они нейтрализовать большую часть эффекта углекислого газа или только небольшую?»
Облако в камере Вильсона Мичиганского технологического института является турбулентным, что позволяет исследователям сохранять его столько, сколько они хотят, пока они продолжают подпитывать его аэрозолями. Облако в камере Вильсона Мичиганского технологического института турбулентно, что позволяет исследователям сохранять его столько, сколько они хотят, пока они продолжают подпитывать его аэрозолями. Изучать облака в природе очень сложно. Исследователям приходится брать то, что они могут получить в любой день, а ничто не является постоянным. Однако в камере Вильсона Шоу и Кантрелл могут контролировать так называемые термодинамические и микрофизические переменные - температуру, давление, количество аэрозоля и водяной пар..
Камера Вильсона Мичиганского технологического института отличается от любой другой тем, что облако внутри турбулентно, и исследователи могут удерживать облако столько, сколько захотят, пока они продолжают подпитывать его аэрозолями. В других камерах облака более статичны и длятся всего несколько минут. Камера Мичиганского технологического института работает по-другому из-за смешивания облаков между горячей и холодной поверхностью, того же процесса, который формирует облака или туман над озером в осенние дни, когда температура воды выше температуры воздуха.
Камера Технологического института Мичигана создает облака путем смешивания облаков между горячей и холодной поверхностью - тот же процесс, который образует туман над озером Портедж в осенние дни, когда температура воды выше температуры воздуха. Камера Мичиганского технологического института создает облака путем смешивания облаков между горячей и холодной поверхностью - тот же процесс, который формирует туман над озером Портедж в осенние дни, когда температура воды выше температуры воздуха.
Из коробки
Шоу отмечает, что сила исследования камеры Вильсона также является его недостатком.
«Сила в том, что мы можем все контролировать, - говорит Шоу, - но атмосфера полна обратной связи - вы меняете одну вещь, а десять других реагируют, иногда так, как вы не понимаете».
Камера Вильсона устраняет многие из этих обратных связей, и исследователи получают понимание того, что происходит, когда условия неизменны. Но природа никогда не бывает постоянной, поэтому одним из следующих шагов является отправка исследований в небо.
Шоу и его коллеги сотрудничали с Национальным центром атмосферных исследований (NCAR) и Институтом тропосферных исследований в Германии, чтобы использовать свои бортовые лаборатории для изучения облаков, и теперь они могут проверить размеры и явления распределения в настоящие облака. Исследователи также планируют продолжить сотрудничество с Тихоокеанской северо-западной национальной лабораторией, чтобы продолжить проверку своей атмосферной модели с использованием моделирования и контроля в камере Вильсона.
На данный момент выращивание искусственных облаков дает информацию, доступную только через специализированную камеру Вильсона, созданную командой. Чем больше исследователи понимают внутри камеры Вильсона, тем лучше ученые-атмосферники смогут применять эти знания вне коробки.