Как из облака рождается дождь: находка немецких физиков

Долгое время оставалось загадкой, почему из тёплых облаков — тех самых, что не содержат ледяных кристаллов, — вообще идёт дождь. Немецкие исследователи подняли в воздух необычный аппарат на границе шара и воздушного змея и увидели то, что раньше ускользало от приборов: крошечные участки, где капли воды скучиваются почти вплотную друг к другу.

Дождь без льда

Существует расхожее представление: чтобы капля выросла и упала на землю, в облаке должны появиться кристаллы льда. Они действительно помогают многим осадкам сформироваться в холодных слоях атмосферы. Но значительная часть дождей на планете, особенно в тропиках, рождается совсем иначе — в так называемых тёплых облаках, где температура выше нуля от нижней границы до самой верхушки.

Как именно крошечные, невидимые невооружённым глазом капельки превращаются там в увесистые капли дождя, физики не могли объяснить десятилетиями. Проблема не в отсутствии интереса — в нехватке инструментов, способных заглянуть внутрь облака достаточно подробно.

Шар, который смотрит внутрь облака

Самолёты пролетают сквозь облако слишком быстро и оставляют между точками измерений разрывы в километры. Дроны ограничены временем полёта и своим собственным потоком воздуха, который искажает картину. Институт динамики и самоорганизации Общества Макса Планка (MPI-DS) пошёл другим путём и построил CloudKite — заполненный гелием баллон-змей, который зависает внутри облака и работает как своего рода трёхмерный микроскоп.

Аппарат несёт на себе две оптические системы собственной разработки, объединяющие лазеры и высокоскоростные камеры. За счёт этого CloudKite строит объёмную карту положения и размера капель, снимая данные 75 раз в секунду — от микрометров до километров в одном наборе измерений.

Испытания прошли над низкими кучевыми облаками у берегов Барбадоса.

Капли собираются не везде одинаково

Результаты, опубликованные в журнале PNAS, показали: скучивание капель происходит не равномерно по всему облаку, а вспышками — в крайне локализованных, коротко живущих пятнах.

Большая часть облака вообще не показывает заметного сгущения. Зато в отдельных участках размером метр и меньше капли выстраиваются буквально плечом к плечу, на расстоянии около миллиметра друг от друга.

Именно там, по словам исследовательницы Бирте Тиде, столкновения между каплями становятся куда более вероятными — а значит, эти пятна и есть места, где, вероятно, зарождается дождь в неглубоких кучевых облаках.

О том, что ещё роднит дождь и человеческое восприятие погоды, — в подборке неожиданных фактов о дожде.

Расхождение с прежними данными

Более ранние наблюдения за похожими, но более плоскими слоисто-кучевыми облаками показывали, что скучивание капель там слабее и размазано по большей площади. Возможная причина в том, что прежние приборы не различали локальные кластеры и усредняли сигнал по слишком крупным участкам — в отличие от CloudKite.

При этом сами авторы работы предупреждают: обнаруженные хотспоты не всегда совпадают с зонами повышенной концентрации капель или их среднего размера. Более вероятным объяснением выглядит турбулентность — движение воздушных потоков внутри облака, которое сейчас изучает та же команда.

Зачем это климатологам

От того, как капли сталкиваются и соединяются, зависит не только выпадение осадков, но и распределение воды в атмосфере, а также энергетический баланс планеты — облака отражают, поглощают и переизлучают солнечный свет.

Институт готовит новые экспедиции с CloudKite — над Амазонией, Балтийским морем и Финляндией.

Руководитель исследования Мохсен Багери формулирует итог так: понимание скрытой структуры тёплых облаков должно привести к более точным моделям формирования дождя и более надёжным прогнозам погоды.

О том, какие ещё формы способно принимать небо, рассказывает подборка 10 редких видов облаков.