Исследование внутренней жизни облаков может помочь предсказывать снегопады.

Лобовое стекло самолёта представляло собой сплошную серую завесу — видимость почти нулевая, NASA P-3 сотрясался в толчках снежной бури на высоте чуть более 4 500 метров. Датчики, прикреплённые к крыльям, измеряли размеры ледяных частиц в облаках, инфракрасные термометры фиксировали температуру, а камеры щёлкали тысячи фотографий снежинок. Пока данные поступали, более дюжины учёных в салоне самолёта методично записывали всё в журналы. А где-то на 13 километров выше, пилот другого самолёта пролетал сквозь самую макушку того же облака. Воздух был там настолько разрежен, что ему пришлось надеть скафандр.

Снегопад в море

Эта восьмичасовая миссия была лишь одной из многих, проведённых в течение трёх лет в рамках программы NASA под названием IMPACTS — «Исследование микрофизики и осадков в снежных бурях, угрожающих Атлантическому побережью». В проекте участвовало более трёхсот специалистов — метеорологов, атмосферных физиков и технических команд. Данные, собранные в их полётах, завершившихся в феврале 2023 года, заполняют пробелы в понимании физики снежных бурь: например, где именно в облаке формируются кристаллы льда и при каких условиях они превращаются в снежинки и выпадают. Эти знания помогут прогнозистам точнее предсказывать, где выпадет снег и сколько его будет — задача, мягко говоря, непростая, к великому разочарованию синоптиков, лыжников и, разумеется, школьников, мечтающих об отмене школьных занятий из-за снегопада.

«Наша цель — разобраться, как все эти процессы действуют вместе и создают те самые снежные бури, что потом сеют хаос», — говорит Роберт М. Раубер, недавно вышедший на пенсию атмосферный учёный из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн и один из главных исследователей проекта.

Когда холодный воздух с полюсов встречается с тёплым, насыщенным влагой воздухом с тропиков, в облаках образуются кристаллы льда. Со временем они могут стать достаточно тяжёлыми, чтобы упасть в виде снежинок. Но угадать, куда именно ударит снежная буря и сколько снега она принесёт — задача из разряда наитруднейших. Всё потому, что путь от кристаллика льда до снежной лавины — это путаный и капризный маршрут.

Кристаллы чаще всего зарождаются у верхушки облака, затем медленно оседают вниз. Однако, если внутри облака имеются восходящие потоки, кристаллы могут быть вновь подхвачены вверх, где сливаются с другими и превращаются в более массивные снежинки. Эти снежинки затем организуются в полосы — их мы и видим на погодных картах в виде цветных лент, обозначающих зоны интенсивного снегопада. Но почему и как формируются эти полосы — вопрос по-прежнему во многом открытый. К тому же, достигнув земли, снег может попросту растаять, если почва слишком тёплая.

Облака, как правило, устроены слоями — словно воздушный пирог, каждый слой со своими особенностями. В 70-х и 80-х годах прошлого века метеорологи полагались на модели, которые учитывали лишь несколько таких слоёв. Современные же приборы и вычислительные методы позволяют заглянуть в восемь раз глубже. Тем не менее, данных всё ещё недостаточно, и синоптикам приходится опираться на наблюдения из прошлых исследований, чтобы интерпретировать спутниковые снимки и улучшать модели.

«Наши прогнозы действительно стали лучше за последние десятилетия, но нам всё ещё не хватает информации о всех мелочах, что творятся внутри этих бурь», — признаёт Джим Стинберг, атмосферный учёный из Университета Юты, не участвовавший в проекте IMPACTS.

В 2009 году команда Раубера начала более пристальное изучение снежных бурь в рамках проекта PLOWS — «Профилирование зимних бурь». С помощью наземных и воздушных радаров нового поколения учёные собрали удивительно подробные данные о микрофизике снежных бурь на Среднем Западе. Они обнаружили так называемые снежные струи — области внутри облаков, где конвективные потоки поднимаются вверх, несмотря на падающие вниз кристаллы льда. «Вот тогда мы и сказали: “Да тут целый мир крутится!” — вспоминает Раубер. — Эти новые радары перевернули наше представление о таких штормах».

Спустя десятилетие начались полёты IMPACTS, нацеленные уже на бурные снегопады Атлантического побережья США, питаемые влажным океанским воздухом. Учёные задействовали ещё более совершенные радары и лидары, чтобы измерять содержание переохлажденной воды и ледяных кристаллов в облаках — с помощью такого показателя, как отражательная способность. Это позволило проследить, как соотношение между водой и льдом меняется в зависимости от температуры и других факторов. Кроме того, радары с короткими и средними волнами дали возможность рассмотреть мельчайшие частицы и всю структуру облака с высоким разрешением. И впервые в истории подобных проектов два самолёта летели одновременно — один по верхам шторма, другой по нижнему ярусу, — отслеживая, как и где именно формируются снежинки.

Данные, полученные за 35 полётов, выявили два ключевых микрофизических процесса, в результате которых снежинки становятся достаточно тяжёлыми, чтобы упасть на землю: агрегация и обрастание. При агрегации ледяные кристаллы сливаются, образуя снежинки. При обрастании они захватывают переохлаждённые капли воды на пути вниз. Проект IMPACTS стал одним из наиболее полных исследований снежинок, образованных именно за счёт обрастания.

«Мы пытаемся с помощью данных о радиолокационной отражаемости понять, какой именно процесс в конкретном случае вносит вклад в снегопад — агрегация, обрастание или оба сразу. Что же там на самом деле происходит?» — говорит Линн МакМёрди, ведущий исследователь IMPACTS и атмосферный учёный из Университета Вашингтона.

Теперь, когда стало понятнее, как кристаллы льда набирают массу и падают, учёные обратились к вопросу, что же происходит в тех самых снежных полосах, в которых они выпадают. Особенно интересует механизм образования полос, приносящих наибольшее количество снега. В будущем планируется исследовать, как со временем меняется структура снежных облаков и как это влияет на силу бури. Хотя нынешние измерения проводились вдоль Атлантического побережья США, полученные выводы вполне применимы и к другим регионам.

В последующих проектах, возможно, будут использоваться медленно летящие беспилотники, чтобы снимать детальные данные сразу из нескольких слоёв облаков. Это поможет ещё глубже понять процессы образования и трансформации ледяных кристаллов. Но даже сейчас, по словам Брайана Колле, атмосферного учёного из Университета Стони-Брук и участника IMPACTS, знание того, какие именно процессы развиваются в надвигающемся шторме, уже помогает делать более точные прогнозы. «Если мы можем просто сказать, что в этом районе ожидается усиленный снегопад из-за активности снежных полос, — это уже шаг вперёд по сравнению с тем, что было раньше».

Источник: перевод статьи Susan Cosier из журнала Scientific American #330, 2024.

Комментарии:

Нет комментариев :( Вы можете стать первым!