Лидар сверхвысокого разрешения выявил скрытые структуры облаков

Ученые из Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE) и их коллеги разработали новый тип лидара — лазерного дистанционного зондирующего прибора, способного наблюдать структуры облаков в масштабе одного сантиметра. Ученые использовали этот лидар высокого разрешения для прямого наблюдения тонких структур в самой верхней части облаков, созданных в лабораторных условиях. Эта возможность изучения верхушек облаков с разрешением в 100–1000 раз выше, чем у традиционных атмосферных лидаров, позволяет проводить сопоставление с измерениями в хорошо контролируемых камерных экспериментах, что ранее было невозможно.

Результаты, опубликованные в Proceedings of the National Academy of Sciences, предоставляют одни из первых экспериментальных данных, показывающих, как свойства капель вблизи верхушек облаков отличаются от свойств во внутренней части. Эти различия имеют решающее значение для понимания того, как облака эволюционируют, формируют осадки и влияют на энергетический баланс Земли.

«Это первый раз, когда мы смогли непосредственно и ненавязчиво увидеть эти микроструктуры на вершинах облаков, — сказал Фан Ян, атмосферный ученый из Брукхейвенской лаборатории и ведущий автор исследования. — Эти структуры существуют в масштабах, меньших, чем те, что используются в большинстве атмосферных моделей, но они могут сильно влиять на яркость облаков и вероятность выпадения дождя».

Новый лидар использует метод подсчета одиночных фотонов с корреляцией по времени, способный обнаруживать отдельные фотоны, рассеянные облаками от сверхбыстрых лазерных импульсов. Алгоритмы обработки данных используют эти сигналы для реконструкции детальных профилей структуры облака с точностью до сантиметра.

Команда протестировала инструмент на хорошо охарактеризованных облаках, созданных в контролируемых условиях температуры и влажности в облачной камере Мичиганского технологического университета. Измерения выявили, что распределение капель на вершине облака значительно отличалось от более однородной структуры основной массы облака. В частности, вблизи вершины лабораторных облаков капель было меньше.

По мнению ученых, это уменьшение количества капель у вершины связано с двумя процессами: вовлечением (entrainment), когда сухой воздух сверху втягивается в облако, разбавляя его и вызывая испарение части капель, и «сортировкой по размеру» из-за осаждения, когда более тяжелые капли падают быстрее легких.

«Неточное представление физики верхушек облаков может внести значительную неопределенность в прогнозы моделей о том, как облака отражают солнечный свет и вызывают дождь», — отметил Ян. Ученые планируют расширить эти исследования в новой облачной камере, построенной в лаборатории, чтобы углубить понимание процессов, которые почти невозможно изолировать в природе.

Эти результаты также помогут улучшить измерения в реальной атмосфере, обеспечивая калибровку атмосферных лидаров, использующих ту же технику, включая лидар T2, построенный командой Брукхейвена для изучения характеристик облаков у их основания.