Вчені створили лідар для вивчення фізики хмар

Дослідники з Брукгейвенської національної лабораторії на Лонг-Айленді в Нью-Йорку розробили новий тип лідара — лазерного пристрою дистанційного зондування. Цей інструмент фіксує деталі структури хмар з роздільною здатністю приблизно 1 сантиметр, що робить зображення в 100−1000 разів чіткішими порівняно з традиційними приладами.

У дослідженні, опублікованому в журналі Proceedings of the National Academy of Sciences, науковці поєднали новий лідар з експериментами в хмарній камері. Це дозволило вперше експериментально описати різницю між водними структурами у верхній частині хмар та їхніх внутрішніх областях. Ці особливості визначають, як хмари еволюціонують, формують опади та впливають на енергетичний баланс Землі.

Новий лідар виявляє та підраховує окремі фотони — безмасові частинки, що переносять світло — які вилітають з хмари після її опромінення ультракороткими лазерними імпульсами. Спеціальний алгоритм обробки даних перетворює сигнали фотонів у профіль структури хмари. «По суті, це мікроскоп для хмар», — зазначив провідний автор дослідження Фань Ян.

Команда випробувала пристрій у хмарній камері в Мічигані, де можна штучно створювати хмари за різних температур та вологості. Виміри показали високу варіативність розподілу крапель води у верхній частині хмари, тоді як в решті хмари все було більш однорідним.

Дослідники пояснюють це двома процесами: захопленням повітря та седиментацією. Захоплення втягує сухе повітря згори вниз, створюючи нерівномірний розподіл крапель у верхньому шарі. Седиментація сортує краплі за розміром, тому важчі краплі швидше падають всередину хмари.

Всередині хмари сильна турбулентність змішує краплі рівномірно. Натомість у верхній частині турбулентність слабша, тому там залишаються лише відносно малі краплі. Ян пояснив, що багато атмосферних моделей або ігнорують седиментацію крапель, або представляють краплі різних розмірів однією швидкістю падіння.

Неточне представлення фізики верхівок хмар може спричинити значну невизначеність у прогнозах того, як хмари відбивають сонячне світло та викликають опади. Дослідники сподіваються, що лідар згодом використовуватимуть для прямих вимірювань реальних хмар в атмосфері.