Наблюдения за атмосферой Земли показывают, что грозы часто бывают сильнее в присутствии высоких концентраций аэрозолей-частиц воздуха, слишком мелких, чтобы их можно было увидеть невооруженным глазом. Например, вспышки молний более часты на морских маршрутах, где грузовые суда выбрасывают твердые частицы в воздух, по сравнению с окружающим океаном. А самые сильные грозы в тропиках разыгрываются над сушей, где аэрозоли повышаются как за счет природных источников, так и за счет деятельности человека.

В то время как ученые наблюдали связь между аэрозолями и грозами в течение десятилетий, причина этой ассоциации не совсем понятна.

Теперь ученые Массачусетского технологического института открыли новый механизм, с помощью которого аэрозоли могут усиливать грозы в тропических регионах. Используя идеализированное моделирование динамики облаков, исследователи обнаружили, что высокие концентрации аэрозолей могут усиливать грозовую активность за счет повышения влажности воздуха, окружающего облака.

Этот новый механизм взаимодействия аэрозолей и облаков, который команда назвала механизмом "поглощения влажности", может быть включен в погодные и климатические модели, чтобы помочь предсказать, как может изменяться грозовая активность региона при изменении уровня аэрозоля.

"Вполне возможно, что, очистив загрязнение, места могут испытывать меньше штормов", - говорит Тим Кронин, доцент кафедры атмосферных наук в Массачусетском технологическом институте. "В целом, это обеспечивает способ, которым люди могут иметь след на климате, который мы действительно не очень ценили в прошлом."

Кронин и его соавтор Тристан Эббот, аспирант кафедры наук о Земле, атмосфере и планетах Массачусетского технологического института, опубликовали свои результаты сегодня в журнале Science.

Облака в коробке

Аэрозоль - это любое скопление мелких частиц, взвешенных в воздухе. Аэрозоли образуются в результате антропогенных процессов, таких как сжигание биомассы и сжигание на судах, заводах и выхлопных трубах автомобилей, а также в результате природных явлений, таких как извержения вулканов, морские брызги и пыльные бури. В атмосфере аэрозоли могут выступать в качестве семян для образования облаков. Взвешенные частицы служат воздушными поверхностями, на которых окружающий водяной пар может конденсироваться, образуя отдельные капли, которые висят вместе как облако. Капли внутри облака могут сталкиваться и сливаться, образуя более крупные капли, которые в конечном итоге выпадают в виде дождя.

Но когда аэрозоли сильно концентрируются, множество мельчайших частиц образуют столь же крошечные облачные капли,которые не так легко сливаются. Как именно эти аэрозольные облака генерируют грозы, остается открытым вопросом, хотя ученые предложили несколько вариантов, которые Кронин и Эббот решили проверить при моделировании облаков с высоким разрешением.

Для их моделирования они использовали идеализированную модель, которая имитирует динамику облаков в объеме, представляющем атмосферу Земли над 128-километровым квадратом тропического океана. Коробка разделена на сетку, и ученые могут наблюдать, как изменяются такие параметры, как относительная влажность в отдельных ячейках сетки, когда они настраивают определенные условия в модели.

В их случае команда провела моделирование облаков и представила эффекты увеличения концентрации аэрозоля путем увеличения концентрации капель воды в облаках. Затем они подавили процессы, которые, как считалось, приводили в действие два ранее предложенных механизма, чтобы увидеть, увеличиваются ли грозы, когда они увеличивают концентрацию аэрозоля.

Когда эти процессы были отключены, моделирование все еще генерировало более интенсивные грозы с более высокими концентрациями аэрозоля.

"Это говорит нам о том, что эти две ранее предложенные идеи не были тем, что вызывало изменения в конвекции в наших симуляциях", - говорит Эббот.

Другими словами, должен работать какой-то другой механизм.

Вождение штормов

Команда порылась в литературе по динамике облаков и нашла предыдущие работы, которые указывали на связь между температурой облаков и влажностью окружающего воздуха. Эти исследования показали, что при подъеме облака смешиваются с чистым воздухом вокруг них, испаряя часть своей влаги и в результате охлаждая сами облака.

Если окружающий воздух сухой, он может впитывать больше влаги облака и понижать его внутреннюю температуру, так что облако, нагруженное холодным воздухом, будет медленнее подниматься через атмосферу. С другой стороны, если окружающий воздух относительно влажный, облако будет теплее, поскольку оно испаряется и будет подниматься быстрее, создавая восходящий поток, который может превратиться в грозу.

Кронин и Эббот задались вопросом, Может ли этот механизм играть роль в воздействии аэрозолей на грозы. Если облако содержит много аэрозольных частиц, которые подавляют дождь, оно может испарять больше воды в окружающую среду. В свою очередь, это могло бы повысить влажность окружающего воздуха, обеспечив более благоприятные условия для образования гроз. Таким образом, эта цепочка событий может объяснить связь аэрозолей с грозовой активностью.

Они проверили свою идею с помощью того же моделирования динамики облаков, на этот раз отметив температуру и относительную влажность каждой ячейки сетки в облаках и вокруг них по мере увеличения концентрации аэрозоля в моделировании. Концентрации, которые они установили, варьировались от низкоаэрозольных условий, подобных отдаленным районам над океаном, до высокоаэрозольных сред, подобных относительно загрязненному воздуху вблизи городских районов.

Они обнаружили, что низменные облака с высокой концентрацией аэрозоля менее склонны к выпадению дождя. Вместо этого эти облака испаряли воду в окружающую среду, создавая влажный слой воздуха,который облегчал воздуху быстро подниматься через атмосферу в виде сильных штормовых восходящих потоков.

"После того, как вы установили этот влажный слой относительно низко в атмосфере, у вас есть пузырь теплого и влажного воздуха, который может действовать как семя для грозы", - говорит Эббот. "Этому пузырю будет легче подниматься на высоту от 10 до 15 километров, что является глубиной, на которую облака должны расти, чтобы действовать как гроза."

Этот механизм "поглощения влажности", при котором насыщенные аэрозолями облака смешиваются с окружающим воздухом и изменяют его влажность, по-видимому, является, по крайней мере, одним из объяснений того, как аэрозоли приводят к образованию гроз, особенно в тропических регионах, где воздух в целом относительно влажный.

"Мы предоставили новый механизм, который должен дать вам основание предсказывать более сильные грозы в тех частях мира, где много аэрозолей", - говорит Эббот.

ИСТОЧНИК