На протяжении десятилетий учёные пытались разгадать сложную и загадочную последовательность событий, которые позволяют крошечным капелькам в облаках вырасти достаточно большими, чтобы упасть на землю. Более глубокое понимание этого процесса имеет решающее значение для улучшения компьютерного моделирования погоды и климата, что, в свою очередь, приводит к более точным прогнозам.

Исследовательская группа, возглавляемая учёными из Национального центра атмосферных исследований Национального научного фонда США (NSF NCAR), обнаружила, что ключевую роль в росте капель и инициировании дождя играют турбулентные движения воздуха в облаках. Исследователи применили передовое компьютерное моделирование для детальных наблюдений за каплями в кучевых облаках, которые были сделаны во время полевой кампании НАСА. Это позволило им отследить воздействие турбулентности на зародышевые капли, которые в конечном итоге объединяются в капли дождя. В результате выяснилось, что турбулентное воздействие на слияние капель имеет решающее значение для изменения размеров капель и инициирования дождя. Турбулентность в кучевых облаках существенно ускоряет выпадение осадков и приводит к гораздо большему их количеству.

Исследователи обнаружили, что при компьютерном моделировании с турбулентностью дождь образуется примерно на 20 минут раньше, чем при компьютерном моделировании без турбулентности. При моделировании, включавшем турбулентность, масса дождевой воды была более чем в 7 раз больше. Исследование было опубликовано в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Напомним, что процесс образования дождя начинается, когда маленькие капельки воды в облаках конденсируются вокруг микроскопических частиц пыли, соли или других материалов, которые называются ядрами конденсации облаков. Когда миллионы капель сталкиваются друг с другом, они объединяются в более крупные капли, которые в конечном итоге становятся достаточно тяжелыми, чтобы выпасть из облака. Образование дождевых капель может варьироваться в зависимости от различных условий, таких как распределение капель в облаке разного размера, а также от других факторов, таких как турбулентные движения и свойства частиц в облаке.

Правильное представление этого процесса в компьютерных моделях погодных явлений и климатической системы имеет жизненно важное значение для повышения надежности этих моделей. Слияние капель воды важно не только для точного прогнозирования осадков, но и для лучшего понимания эволюции облаков и степени, в которой они отражают тепло обратно в космос, тем самым влияя на температуру.

Чтобы выяснить причину выпадения осадков, учёные обратились к наблюдениям за распределением капель по размерам, которые были сделаны исследовательским самолётом, летевшим в кучево-дождевых облаках во время полевой кампании НАСА 2019 года. Используя специализированную компьютерную модель, исследовательская группа разработала серию симуляций с высоким разрешением, чтобы воссоздать облачные условия, которые наблюдались во время кампании, и увидеть, как капли сливались при различных турбулентных потоках.

Результаты моделирования продемонстрировали ключевую роль турбулентности как в определении времени начала, так и в количестве осадков. Они также показали, что наличие крупных ядер конденсации, которое было в центре внимания некоторых теорий образования дождя, не может объяснить наблюдаемые размеры и эволюцию капель. В моделировании с большими ядрами конденсации и малой турбулентностью слияние капель происходило медленнее и приводило к меньшему количеству осадков.

Образование осадков имеет фундаментальное значение для облаков, погоды и всей климатической системы. Лучшее понимание этого процесса может указать путь к значительным улучшениям в компьютерных моделях и, в конечном счёте, в прогнозах погоды и климата, которые помогут защитить общество.