Дождь влияет на циклические паттерны облаков

Некоторые облака, подобно движущимся песчаным дюнам, исчезают в одном месте и появляются в другом. Новое исследование, опубликованное на этой неделе в журнале Nature, показывает причину: дождь вызывает вертикальное движение воздуха, которое разрушает и вновь формирует облачные стенки. Это движение воздуха создает паттерны в низких облаках, которые остаются целостными структурами, даже смещаясь по небу, благодаря принципу, называемому самоорганизацией.

Эти облака, называемые открыто-ячеистыми (они похожи на соты), покрывают значительную часть открытого океана. Понимание того, как эволюционируют их паттерны, в конечном итоге поможет ученым создавать более точные модели для прогнозирования изменения климата. Впервые исследователи показали, что паттерны циклически меняются регулярно, и объяснили, почему.

«Паттерн облаков влияет на то, сколько энергии солнца отражается обратно в космос», — сказал соавтор исследования, специалист по атмосферным наукам Хайлун Ван из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории Министерства энергетики США. Исследование возглавлял физик Грэм Файнголд из Национального управления океанических и атмосферных исследований (NOAA).

«Мы выявили фундаментальные причины, по которым открыто-ячеистые облака осциллируют. Возможность моделировать эти облака на компьютере дает нам больше информации о физике явления. Это поможет лучше интерпретировать измерения в реальной атмосфере и корректнее представлять эти облака в климатических моделях», — добавил Ван.

Кроме того, впервые показано, что открыто-ячеистые облака следуют принципам самоорганизующихся систем — они спонтанно формируют динамичные, целостные структуры, которые стремятся к самовосстановлению и сопротивляются изменениям. Такие облака пополняют ряд других самоорганизующихся сетей, таких как стаи птиц, движущиеся песчаные дюны или пузыри в кипящей воде.

Моделирование и наблюдения

Международная команда под руководством Файнголда из лаборатории исследования земных систем NOAA в Боулдере (Колорадо) использовала компьютерное моделирование и спутниковые снимки. Они смоделировали поля медообразных облаков (морских слоисто-кучевых) ниже одного километра над океаном, подав в модель достаточно аэрозолей для образования дождя и создания ожидаемых ячеистых форм.

Исследователи обнаружили, что сильные восходящие потоки совпадают с наличием толстых вертикальных облачных стенок. Со временем в этих областях накапливается достаточно воды для выпадения дождя, что вызывает нисходящие потоки. Когда соседние нисходящие потоки достигают поверхности океана, они растекаются в стороны, сталкиваются, и воздух, сходясь, формирует новые восходящие потоки. Этот цикл заставляет облачные стены и их ячейки исчезать, но вновь появляться в другом месте поля. Структура облаков сохраняется, но ячейки смещаются в пространстве — авторы называют эти смещения осцилляциями.

Затем команда изучила спутниковые снимки реальных облаков. Со временем они наблюдали, как яркие белые области сменяются темными пустыми, а затем снова белыми. Компьютерная модель успешно воспроизвела эти осциллирующие светлые-темные циклы. Измерения ветра и дождя с корабля также подтвердили симуляцию: данные показали столкновение потоков воздуха от дождя у поверхности океана и их последующий подъем, а приборы зафиксировали периодические осадки, совпадающие со смещающимся облачным паттерном.

В совокупности эксперименты показали, что дождь заставляет открыто-ячеистые облака спонтанно формироваться, осциллировать в небе и сопротивляться изменениям общего паттерна. Это три характеристики сложных систем, способных к самоорганизации.