Мелкие аэрозольные частицы способны усиливать тропические конвективные облака, однако этот вопрос остается предметом научных дискуссий на протяжении десятилетий. Аэрозоли влияют на формирование и рост облачных капель, что может отражаться на процессах конденсации и выделении скрытой теплоты.

Механизм аэрозольного усиления

Один из рассматриваемых процессов — конденсационное аэрозольное усиление — зависит от того, возникают ли в облаках высокие уровни пересыщения водяного пара. При таких условиях дополнительные аэрозольные частицы могут способствовать образованию новых капель, что увеличивает конденсацию, выделение скрытой теплоты и может ускорять восходящие потоки внутри облака.

Измерения и наблюдения

Ранее проведённые измерения с помощью самолетов, как правило, не фиксировали высоких уровней квазистационарного пересыщения, необходимых для этого процесса. Большинство исследований были сосредоточены на облаках с низкой вероятностью экстремального пересыщения, таких как относительно загрязнённые или неглубокие облака, а также облака, изучавшиеся ниже глубоких конвективных областей. На больших высотах столкновения капель, образование осадков и быстрые восходящие потоки могут уменьшать общую площадь поверхности капель, что позволяет пересыщению накапливаться.

Новые данные

В исследовании, опубликованном в Advances in Atmospheric Sciences, были проанализированы данные, полученные с самолетов в тропических облаках во время эксперимента NASA Cloud, Aerosol and Monsoon Processes Philippines Experiment в 2019 году над Филиппинами и прилегающими тропическими океанами. Исследователи из Китая, США и Израиля оценивали квазистационарное пересыщение, используя измерения скоростей восходящих потоков и распределения размеров облачных капель. Этот метод учитывает баланс между водяным паром, образующимся при подъёме воздуха, и паром, удаляемым при конденсации на каплях.

Результаты исследований

Результаты показали, что тропические конвективные облака могут достигать уровней пересыщения, значительно превышающих те, что были зафиксированы в предыдущих исследованиях. Пересыщение увеличивалось по мере исследования более высоких частей облаков, достигая примерно 10% при температуре около –5°C, когда восходящие области состояли преимущественно из переохлаждённых жидких капель. При более низких температурах начинал образовываться лёд, что снижало точность оценок, основанных только на жидкой фазе.

Недавно опубликованное сопутствующее исследование, основанное на данных с самолётной кампании ESCAPE над побережьем Техаса и Луизианы, независимо выявило редкие, но экстремальные значения квазистационарного пересыщения — около 11% внутри глубоких конвективных восходящих потоков.

Значение пересыщения и условия проявления эффекта

Оба исследования указывают на то, что высокое пересыщение водяного пара возникает в облачных средах, где наиболее вероятно проявление конденсационного аэрозольного усиления. Наибольшие значения пересыщения были обнаружены в сильных восходящих потоках с относительно низкой концентрацией капель. При увеличении числа капель их суммарная площадь поверхности возрастала, и больше пара конденсировалось на этих каплях, снижая уровень пересыщения.

Наблюдения не подтверждают, что аэрозоли усилили исследованные облака. Вместо этого они показывают, что необходимые для конденсационного аэрозольного усиления атмосферные условия действительно могут возникать внутри реальных тропических конвективных облаков.

Высокое пересыщение действует как «топливо», которое дополнительные мелкие или ультрамелкие аэрозольные частицы могут использовать для образования новых капель. Эти капли способны увеличить конденсацию, выделить дополнительную скрытую теплоту и потенциально усилить восходящие потоки в облаке.

Перспективы дальнейших исследований

Ключевой вывод заключается не только в существовании экстремального пересыщения, но и в необходимости изучения правильных типов облаков для его обнаружения. В предыдущих исследованиях рассматривались загрязнённые или неглубокие облака, которые обычно не создают условий высокого пересыщения, необходимых для конденсационного усиления. Поэтому такие механизмы не наблюдались в этих условиях.

В дальнейшем планируется проведение специальных самолётных кампаний для более прямой проверки предложенного процесса. В этих исследованиях будут сравниваться чистые и загрязнённые тропические конвективные облака, с особым вниманием к мощным областям восходящих потоков. Также предстоит более точно различать жидкую и ледяную фазы внутри облаков.

Основная цель дальнейших работ — улучшить физическое понимание и прогнозирование влияния аэрозолей на глубокую конвекцию, осадки, молнии и климат.