Новое международное совместное исследование предоставляет ключевые доказательства длительных научных дебатов о климате и атмосфере. Международная группа ученых из Китая, США и Израиля обнаружила, что перенасыщение водяным паром в глубоких тропических конвективных облаках намного превышает предыдущие рекорды человеческих наблюдений. Это открытие подтверждает гипотезу, ранее предложенную научным сообществом, согласно которой при правильных атмосферных условиях крошечные частицы аэрозоля действительно могут «катализировать» и усиливать тропические грозовые облака.
Ученые-климатологи уже давно спорят о том, действительно ли крошечные аэрозольные частицы делают тропические грозовые облака более мощными. Эволюция глубоких конвективных облаков напрямую влияет на глобальные характеристики осадков, молний и климата, в то время как мельчайшие частицы в ядре облачных капель тонким образом изменяют физические механизмы внутри облаков. Научное сообщество предложило теоретический механизм, получивший название «возбуждение конвекции конденсированного аэрозоля». Этот механизм предполагает, что когда водяной пар внутри облака достигает чрезвычайно высокого состояния «пересыщения» (то есть содержание водяного пара в воздухе намного превышает содержание в обычном равновесном состоянии), внедрение аэрозольных частиц будет катализировать образование большого количества дополнительных облачных капель, тем самым ускоряя конденсацию и высвобождая больше скрытого тепла, что в конечном итоге приводит к резкому усилению восходящего потока внутри конвективного облака.
Однако до этого, поскольку прошлые воздушные наблюдения были в основном сосредоточены в облаках с сильным загрязнением и неглубокими теплыми облаками, или места отбора проб находились ниже зон глубокой конвекции, где осадки и облачные капли сливаются очень быстро, что может легко ослабить накопление пересыщения, поэтому данные прошлых измерений с самолетов редко отражали высокий уровень квазистационарного пересыщения, необходимый для подтверждения этой теории.
Чтобы разгадать эту загадку, исследовательская группа провела углубленный анализ данных наблюдений с самолетов в рамках «Эксперимента по процессам облаков, аэрозолей и муссонов», проведенного НАСА на Филиппинах и в окружающих тропических океанах в 2019 году. Они использовали измеренную скорость восходящего потока и распределение облачных капель по размерам, чтобы вывести квазистационарное состояние пересыщения. Этот инновационный подход идеально отражает динамический баланс между подъемом воздуха, образующим водяной пар, и конденсацией водяного пара в облачные капли.
Результаты показывают, что пересыщение, которого можно достичь в тропических конвективных облаках, намного выше, чем ранее зафиксированное аналогичными наблюдениями. Данные показывают, что расчетное квазистационарное пересыщение увеличивается с увеличением высоты, достигая примерно 10% в районе минус 5 градусов по Цельсию, где в облачном слое все еще преобладают переохлажденные капли воды. В районах с более низкими температурами оценки пересыщения продолжают расти. В то же время другое параллельное независимое исследование по проекту воздушного наблюдения «ESCAPE» в прибрежных районах Техаса и Луизианы также подтвердило этот вывод. Это исследование также обнаружило редкое, но чрезвычайное квазистационарное пересыщение до 11% в глубоких конвективных восходящих потоках. Вместе эти два независимых исследования убедительно демонстрируют, что чрезвычайно высокие уровни перенасыщения водяного пара действительно существуют в облачной среде, как ожидали ученые.
Исследователи отметили, что наиболее значительное пересыщение обычно происходит, когда сильные восходящие потоки сочетаются с низкой концентрацией облачных капель. Как только концентрация облачных капель увеличится, общая площадь поверхности облачных капель увеличится, тем самым уменьшая пересыщение за счет ускоренной конденсации, что полностью соответствует законам физики.
Хотя из этих наблюдений еще нельзя напрямую вывести и доказать, что аэрозоли усиливают эти облака, они устанавливают чрезвычайно важный краеугольный камень: «атмосферное топливо», необходимое для возбуждения конденсированного аэрозоля, действительно существует в реальных тропических конвективных облаках. В такой среде с высоким перенасыщением, если добавить мелкие или сверхмелкие частицы аэрозоля, они легко конденсируются в новые облачные капли и выделяют дополнительное скрытое тепло. Предыдущие исследования не смогли обнаружить этот механизм главным образом потому, что не нашли правильную мишень. Если мы хотим по-настоящему раскрыть тайну этого механизма, будущие научные исследования должны сосредоточиться на глубоких и чистых океанских конвективных облаках и дополнительно сравнивать различия между тропическими конвективными облаками в чистой и загрязненной среде в последующих авиационных миссиях, чтобы в конечном итоге улучшить физическое понимание человечеством воздействия аэрозолей на проливные дожди, молнии и прогнозы глобального климата.