Как капли дождя, скользящие по окнам вашего автомобиля, когда вы едете во время ливня, капли воды в облаках движутся по линиям воздушного потока, следуя за потоками воздуха, как правило, не касаясь их. Тем не менее, воздух внутри облаков имеет тенденцию быть турбулентным, что может подтвердить любой нервный летчик, а вихревой турбулентный воздух приводит к скоплению капель.
В течение 20 лет ученые, занимающиеся атмосферой, предполагали, что капли воды действительно собираются внутри облаков, в основном благодаря знанию о том, что турбулентные воздушные потоки полны вращающихся вихрей, которые хорошо перемешивают жидкости. Но облака кружатся в таких огромных масштабах, что сохранялись сомнения, можно ли перенести турбулентность, смоделированную компьютером или созданную в лаборатории, в атмосферу. Группа исследователей атмосферы провела исследования самой атмосферы и подтвердила, что капли воды действительно собираются вместе внутри облаков.
В ноябре в журнале Physical Review Letters была опубликована статья «Мелкомасштабное скопление капель в атмосферных облаках: трехмерная функция радиального распределения из бортовой цифровой голографии». небо, используя бортовой голографический прибор, известный как HOLODEC, сокращение от голографического детектора облаков. Прибор установлен под крылом высокоэффективной бортовой платформы для исследований окружающей среды Gulfstream-V, эксплуатируемой Национальным центром атмосферных исследований (NCAR) и Национальным научным фондом (NSF). HOLODEC напоминает клешню, его зубцы могут записывать трехмерные изображения, фиксируя форму, размер и пространственное положение всего, что проходит между ними.
«Сигнал кластеризации, который мы наблюдали, действительно мал, поэтому, как это часто бывает в науке, необходимо было провести тщательный анализ, чтобы обнаружить слабый сигнал и убедить себя в том, что он реален», - сказал Рэймонд Шоу., профессор физики и директор докторской программы по атмосферным наукам.
Растянутый по небу
Сюзанна Глиенке, которая была приглашенным докторантом в Мичиганском технологическом институте из Института химии им. Макса Планка и Университета Иоганна Гутенберга в Майнце, Германия, провела сбор данных и анализ голографических изображений. Затем она передала информацию Майку Ларсену, адъюнкт-профессору Чарльстонского колледжа и выпускнику Мичиганского технологического института, который изучил, насколько плотно сгруппированы капли, рассчитав вероятность обнаружения двух капель, находящихся на определенном расстоянии друг от друга, по сравнению с вероятностью обнаружения их на определенном расстоянии друг от друга. одинаковое расстояние в случайном порядке. Он определил, что кластеризация капель становится более выраженной при меньших расстояниях между частицами.
«Если капли собираются в облаках, они с большей вероятностью столкнутся», - сказал Глиенке. «Столкновения увеличивают скорость роста капель и, следовательно, могут сократить время, необходимое до начала осадков».
Глиенке отмечает, что знания о кластеризации улучшают общие знания об облаках и могут привести к улучшению прогнозирования поведения облаков: когда пойдет дождь? Как долго продержатся облака?
Кроме того, кластеризация не только влияет на дождь, но и сокращает срок службы облака. Если облако рассеивается быстрее, оно оказывает меньшее влияние на радиационный баланс и влияет на глобальный климат, если вовлечено много облаков.
Эксперимент требовал длительной непрерывной выборки, когда самолет летел сквозь слой слоисто-кучевых облаков на постоянной высоте.
«Мы не были уверены, что сможем обнаружить сигнал, - сказал Шоу. «Облака, которые мы замеряли, слабо турбулентны, но имеют то преимущество, что они разбросаны на сотни километров, так что мы могли замерять и усреднять в течение длительного времени».
Морские облака ведут себя не так, как облака над сушей. Континентальные облака обычно имеют более мелкие капли из-за более обильных ядер конденсации облаков, которые необходимы для конденсации воды. Континентальные облака, которые, как правило, более турбулентны, чаще имеют сгруппированные капли.
Пределы неба
Поскольку облака, изученные в ходе исследования, не были особенно турбулентными, а это означало, что случайное распределение капель было более вероятным, присутствие сгруппированных капель стало еще более важным.
«Мы были одновременно взволнованы и настроены скептически, когда впервые увидели появление сигнала из очень зашумленных данных», - сказал он. «Потребовалось много обсуждений и испытаний, чтобы убедиться, что сигнал был значимым, а не инструментальным артефактом».
Шоу отмечает, что это подтверждение важно для науки об атмосфере, поскольку обнаруженный сигнал кластеризации согласуется с концепциями, разработанными в течение последних двух десятилетий на основе лабораторных и теоретических работ.
«В облаках с более интенсивной турбулентностью сигнал кластеризации может быть намного сильнее и может влиять на скорость, с которой облачные капли сталкиваются, образуя моросящие капли», - сказал Шоу. «Но то, как именно это происходит, требует дополнительной работы».
Работа показывает, что еще многое предстоит узнать об облаках и их влиянии на планету.