В учебниках рост градин объясняется так: ядра собирают замёрзшие слои, когда их многократно поднимает вверх и опускает вниз через облака. Но у учёных были намёки на то, что этот цикл не всегда отражает реальные пути градин. Теперь исследователи возродили старый метод, чтобы отследить десятки градин. Новые результаты показывают, что многие из них проходят более простые пути.
Идея о том, что град растёт при многократном подъёме и падении, возникла как способ объяснить чередующиеся слои разной прозрачности, — говорит Сянъюй Линь, учёный-атмосферник из Пекинского университета в Пекине и автор нового исследования. Однако у учёных нет прямых наблюдений за путями отдельных градин в облаках, поскольку сильные штормы, порождающие град, трудно, даже опасно, наблюдать.
«Подавляющее большинство наших представлений о том, как растёт град, основано на численном моделировании», — говорит Мэттью Кумджян, учёный-атмосферник из Пенсильванского государственного университета, который не участвовал в исследовании. Новое исследование — «хороший пример экспериментальных данных» для проверки этих моделей, — говорит он.
«За последние 8 лет мы собрали более 3000 градин», — говорится в статье.
На семинаре в Пекинском университете в 2018 году Кумджян показал простую дугообразную траекторию — а не траекторию в виде йо-йо — для смоделированных градин. Увидев эти результаты, один из коллег Линь из Пекинского университета, учёный-атмосферник Цинхун Чжан, задался вопросом, можно ли найти настоящие град, которые следовали бы аналогичному пути. В том же году она начала собирать град, используя социальные сети, чтобы попросить людей сохранить ледяные шары. «За последние 8 лет мы собрали более 3000 градин», — сказала она.
Чтобы проследить траектории градин, команда обратилась к стабильным изотопам. На меньшей высоте лёд, который образуется на градинах, имеет большую концентрацию более тяжёлых изотопов водорода и кислорода, чем лёд, который образуется выше. Исследователи могут измерить соотношение тяжёлых и лёгких изотопов в слое, что даёт своего рода «почтовый штемпель» высоты, на которой образовался лёд.
Откуда берётся град?
Учёные проанализировали 27 градин из девяти разных штормов, распространившихся по восточному Китаю. Они разрезали каждую градину пополам, чтобы показать её слои. Затем они разрезали градины слой за слоем, чтобы растопить каждый слой и измерить его изотопы. Чтобы найти связь между концентрациями изотопов и высотой в грозовом облаке, команда использовала данные о температуре, влажности и давлении из метеозондов, которые плавали в атмосфере вблизи каждого шторма.
Изотопы показали, что из проанализированных ими градин только у одной было более одного сегмента подъёма вверх. Несколько градин росли на относительно постоянной высоте, а 16 либо стабильно поднимались, либо опускались по мере роста.
Восемь градин поднялись один раз, прежде чем упасть на землю. Эти восемь градин были значительно крупнее других, — сказала Линь. Град в основном рос при температуре от −10 °C до −30 °C, — выяснили учёные. С их траекторией вверх-вниз эти восемь камней, по-видимому, провели больше времени в этой зоне, что привело к их росту больше, чем у других.
Многие градины не являются идеальными сферами.
Учёные использовали анализ стабильных изотопов для градин около 50 лет назад, но эта методика вышла из моды, — сказал Кумджян. Многие из этих ранних исследований анализировали небольшое количество камней из нескольких штормов или иногда из одного шторма. Новое исследование «возвращает этот старый тип анализа с помощью современных методов», — сказал он.
Но для анализа требовались предположения, которые могли исказить результаты. Например, восходящие потоки могут перемешивать воздух с разных высот, — сказал Кумджян. Это может повлиять на изотопы в слоях градины.
Учёные всё ещё изучают вопросы, связанные с градом, в различных масштабах: от камня до шторма. Хотя исследователи знают, какие штормы могут порождать разрушительный град, трудно предсказать, какие из них будут сеять градины размером с бейсбольный мяч или где именно выпадет град. Между тем, физика роста градин сложна. Исследователи обычно моделируют камни как идеальные сферы — далеко от тех бугристых комков, которые падают с неба. Но эти формы влияют на то, как быстро падает град и какой ущерб он может нанести, — сказал Кумджян.
«Это очень волнительное время в мире града. Мы узнаем много нового в ближайшие годы».
Исследователи используют моделирование, радиолокационные наблюдения и изотопные исследования, подобные этому, для улучшения прогнозов. Град может уничтожать посевы, повреждать конструкции и разбивать солнечные панели. Даже 10 минут предупреждения достаточно, чтобы люди могли переместить автомобили и предотвратить ущерб, — сказала Чжан.
Кумджян входит в команду, которая запускает в облака пенопластовые сферы с приборами. Команда Чжан продолжает изучать изотопы в слоях, теперь исследуя более крупные камни, образовавшиеся во время штормов в Италии. «Это очень волнительное время в мире града», — сказал Кумджян. «Мы узнаем много нового в ближайшие годы».
— Кэролин Уилк (@CarolynMWilke), научный писатель
Citation: Wilke, C. (2025), Isotopes map hailstones’ paths through clouds, Eos, 106, https://doi.org/10.1029/2025EO250206. Published on 30 May 2025.
Text © 2025. The authors. CC BY-NC-ND 3.0
Except where otherwise noted, images are subject to copyright. Any reuse without express permission from the copyright owner is prohibited.