Исследователи разработали новый метод обнаружения и изучения формирования льда в смешанных фазовых облаках. Это значительно расширяет возможности учёных в прогнозировании погоды и моделировании климатических изменений.
«Облака играют ключевую роль в климате Земли и круговороте воды, влияя как на осадки, так и на энергетический баланс планеты», — сказал Девендра Пал, постдокторант и преподаватель сезонных курсов на факультете атмосферных и океанических наук Макгилла. «Но смешанные фазовые облака трудно понять и смоделировать, отчасти потому, что исследователи до сих пор не до конца понимают, как в них образуются более мелкие кристаллы льда и как они ведут себя со временем».
«Наблюдая за формированием этих наночастиц, их ростом и рассеиванием солнечного света, мы можем повысить точность прогнозов погоды и климатических моделей», — сказал Пал, который руководил исследованием вместе с Парисой Ария, профессором химии и атмосферных и океанических наук Джеймса Макгилла.
«Это открытие важно для всех, кто сталкивается с изменением погодных условий — от фермеров и градостроителей до групп реагирования на стихийные бедствия и политиков, занимающихся вопросами климата», — сказал Пал.
Работа опубликована в журнале npj Climate and Atmospheric Science.
Смешанные фазовые облака
Смешанные фазовые облака содержат как кристаллы льда, так и жидкие переохлаждённые капли, или капли воды, которые остаются жидкими при температурах ниже 0 °C.
Формирование льда в облаках начинается с частиц, инициирующих образование льда (ИИОИ) — крошечных частиц в воздухе, часто размером в нанометрах, которые действуют как зародыши замерзания. Эти ИИОИ запускают формирование кристаллов льда, которые могут расти от нанометров до миллиметров.
До сих пор эти наномасштабные кристаллы льда были слишком малы, чтобы их можно было наблюдать напрямую или отличить от их жидких аналогов в реальном времени. Вместо этого учёным приходилось делать вывод о том, является ли частица льдом, на основе её предельных размеров или анализировать, как частица рассеивает свет, используя метод, называемый коэффициентом поляризации.
Чтобы преодолеть эту проблему, команда разработала камеру для наблюдения за образованием льда в реальном времени (MRINC). Она имитирует облачные условия в лаборатории за счёт точного контроля температуры и влажности.
«В эту камеру мы ввели частицы йодида серебра (AgI), которые, как известно, инициируют образование льда, и тщательно отрегулировали окружающую среду, чтобы воспроизвести условия, подобные облачным», — сказал Пал.
Исследователи использовали метод лазерной визуализации, называемый цифровой голографической микроскопией, чтобы наблюдать за формированием кристаллов льда в реальном времени — ранее это было невозможно в таком масштабе. Полученные голографические изображения были проанализированы с помощью программного обеспечения на базе искусственного интеллекта, которое могло мгновенно определить, является ли каждая частица кристаллом льда или жидкой каплей, а также оценить её размер, форму и текстуру поверхности.
«Это первый раз, когда такая подробная микрофизическая информация была получена в таком масштабе и с такой точностью», — сказал Пал.
Ариха добавил: «Из-за отсутствия технологий ни одна из моделей изменения климата не могла точно предсказать эти более мелкие кристаллы льда. MRINC позволяет нам углубить понимание процессов взаимодействия между зарождением льда, радиацией и изменением климата».
Результаты открывают новое окно в самые ранние стадии формирования льда в облаках, что имеет значение для спутниковых наблюдений за облаками, исследований осадков и даже засева облаков — формы ручного изменения погоды.
В качестве следующего шага члены команды адаптируют систему MRINC для полевых исследований на борту исследовательских самолётов и обсерваторий на вершинах гор. Они также совершенствуют прибор, чтобы сделать его ещё более точным и адаптируемым к различным атмосферным условиям. Эти усовершенствования позволят исследователям отслеживать, как различные частицы — такие как загрязнение, пыль или дым от лесных пожаров — влияют на образование льда.
«В конечном счёте наша цель — предоставить данные в реальном времени, которые укрепят как климатологию, так и оперативное прогнозирование погоды», — добавил Пал.
Предоставлено Университетом Макгилла.