Тропическите гръмотевични облаци са уникални, защото се самоорганизират, дори когато условията под и над тях са еднакви, и го правят със „спомени“ от минали формации. Изображение: NASA Johnson Space Center
Облаците са една от най-големите въпросителни в глобалните климатични модели и от голямо значение при опитите да се предскаже какво ще се случи с климата вследствие повишаването на температурите. Те играят жизненоважна роля в това каква част от слънчевата радиация преминава и попада в капан в нашата атмосфера. Колкото повече облаци има, толкова повече радиация се отразява от тях обратно в космоса; това също означава, че ако има повече облаци, отразената от Земята радиация се задържа. Исторически изследователите са се опитвали да разберат свойствата на облаците, как се държат в момента и как ще реагират на повишените температури, причинени от изменението на климата.
От микроскопичните взаимодействия на атомите до атмосферните течения, които действат на хиляди километри, много сили влияят върху формирането на облаците, техния състав и поведение.
Облаците, наподобяващи памучна вата в Атлантическия океан, които д-р С. Бони от Френския национален център за научни изследвания и нейните колеги изучават, са добър пример. „Малката промяна в техните свойства оказва огромно въздействие върху глобалния радиационен баланс (балансът между това колко от слънчевата енергия преминава през земната атмосфера и колко не успява)“, казва тя. Тъй като тези облаци при хубаво време (известни като купести облаци) са толкова често срещани, малка промяна носи „огромна“ статистическа тежест в глобалния климат.
„Това е най-големият въпрос – няма по-голям въпрос“, каза професор Бьорн Стивънс, директор на Института за метеорология „Макс Планк“ в Германия и съ-ръководител на д-р Бони по проекта EUREC4A, който има за цел да разследва тези пухкави бели облаци. „В продължение на 50 години хората правят прогнози за климата, но всички те имат заблудена представа за облаците.“ Досега тези прогнози са страдали от неадекватно разбиране на факторите, определящи колко облачен ще бъде климатът и не са били правилно представени в моделите.
Експерименти на терен
Проектът EUREC4A, който започна като скромен полеви експеримент за измерване на движението на въздуха и облачността, привлече многобройни партньори и разшири обхвата си. В крайна сметка той обхваща пет екипажа и шест дистанционно пилотирани изследователски самолети, четири океански изследователски кораба, флотилия плавателни съдове и планери, множество сателити и измервания на облаците от обсерваторията в Барбадос.
„Експериментът нараства в сложност и обхват, за да отговори на редица други завладяващи въпроси“, казва проф. Стивънс, като например в какви количества и колко лесно предизвикват валежи облаците и как вихрите в океана и облаците над тях си влияят взаимно. В момента екипът пише резултатите си и се надява, че техните измервания ще дадат отговорите на тези въпроси. „Ще установим основната истина за нов набор от климатични модели“, заявява той.
За д-р Бони следващата стъпка надхвърля разбирането на свойствата на облаците и зоната, която те покриват.
„Сега откриваме, че въпросът не е само до общата площ, но и до начинът, по който облаците се разпръскват и организират“, казва тя. Моделите, които те формират, също могат да повлияят на това как блокират или абсорбират радиацията и тази информация може да има значение за ролята на облаците в климатичните промени.
Д-р Ян Хяртер, специалист по сложността на атмосферата в Центъра за изследване на тропическите морета в Лайбниц, Университета Джейкъбс в Бремен, Германия и Института Нилс Бор в Дания, разследва този въпрос в своя проект INTERACTION.
„Много видове облаци показват особености на организацията, но гръмотевичните облаци (в тропиците) показват самоорганизация“, казва той. INTERACTION разглежда как гръмотевичните бури се групират, използвайки симулация, както и разработване на основни модели за тяхното поведение.
Самоорганизация
Облаците могат да се организират по много причини, например когато са над градска зона, която обикновено е по-гореща от провинциалната поради многото бетон и асфалт. Самоорганизацията възниква, когато облаците се образуват и струпват, дори и когато условията отдолу и слънчевата светлина над тях са еднакви.
Гръмотевичните облаци, известни като купесто-дъждовни, са високи вертикални облаци, които често носят дъжд. Тези облаци са доминиращият тип облаци в тропиците и също са ключови за разбирането на глобалния радиационен баланс. „Те са на географската ширина, където е концентрирана по-голямата част от топлината на Земята, а слънчевата радиация е много по-силна там“, казва д-р Хяртер. Тези подобни на кули облаци влияят върху това колко слънчева светлина навлиза в атмосферата, което има пряко значение за затоплянето.
„Въпросът е колко се променят тези високи облаци при групирането си, когато например температурата се промени?“. Въпреки това, подобно на повечето въпроси, свързани с облаци, и на този въпрос е трудно да се отговори.
INTERACTION подхожда към въпроса от две различни гледни точки: едната е да се изпълняват симулации, които изискват голямо количество изчислително време, а другата е да се разработят модели „играчки“, които обясняват фундаментални взаимодействия между гръмотевична буря и облак.
Моделите представляват множество симулации, които говорят за основните взаимодействия между гръмотевичните облаци. Например д-р Хяртер и неговите колеги се опитват да разберат как тези облаци ‘общуват’ помежду си и се самоорганизират, като разбиват тези сложни физически взаимодействия на основните им компоненти.
Когато има гръмотевична буря, по-голямата част от дъжда пада на земята, но част от него се изпарява във въздуха под облака. Този въздух, след като включи студената влага, се превръща в „студен басейн“, обяснява Хяртер. ‘Това изпаряване е от решаващо значение при предаването на сигнали от един облак на друг.’
Ако на голяма площ има стотици и хиляди облаци, студените басейни под тях се блъскат един в друг, изтласквайки въздуха в по-студените части на атмосферата и образувайки нови гръмотевични облаци.
Един от техните модели изобразява как тези студени басейни си взаимодействат и този цикъл – на студени басейни, които се сблъскват и генерират нови облаци – може да продължи поколения (един трае около шест часа) облаци, кодирайки спомените от минали облаци и бури в настоящ актуален облак. Студените басейни могат да продължат да влияят върху генерирането на облаци в продължение на седмици.
Тези набори от базови модели са необходими за да се премахнат някои от неизвестните за симулиране на поведението на облака, като например как тези студени басейни си взаимодействат. Симулациите на екипа вече включват параметри като скорост на вятъра, влажност, температура и състав на облака, което е различното съотношение на вода, лед и ледена смес, наречена граупел.
Подобно на д-р Бони и проф. Стивънс от EUREC4A, д-р Хяртер казва: „Не знаем как работят облаците, особено тези гръмотевични облаци, които се разгръщат в мащаби, които е трудно или невъзможно да се разгадаят с настоящите климатични модели.“
Симулации
За да се вземе предвид мащабът на облаците и техните движещи сили, точната симулация ще трябва да включва различни променливи от движението на атомите и енергията, която те разсейват (нанометри) до въртенето на Земята и глобалните ветрове в мащаб от около 10 000 км. „Най-доброто, което можем да направим за, да речем, една седмица симулации, е да разработим 100-метрова скала за площ от един километър на един километър, или поне приблизително толкова“, казва той. ‘И това е голяма симулация.’
Крайната цел на проекта е да се състави модел за организация на облаците, който улавя взаимодействията между минали и настоящи гръмотевични облаци и да подава тази информация в следващото поколение климатични модели. Следващата стъпка е да започне работа на терен и да се внесе нови измервания в техните модели.
„Трябва да имаме по-ясно разбиране за различните обратни връзки на облачната система, за да направим силно изявление относно изменението на климата тук“, казва д-р Хяртер. „Моделите имат различни начини за представяне на високи облаци и ниски облаци и това е нещо, което не може да бъде разбрано без по-внимателни данни за наблюдение.“
И за да се подготвим за затоплящия се климат и да предскажем как ще се промени изолационният облачен слой в света, първо трябва да разберем как работи той сега.
Източник: horizon-magazine.eu
Превод: Радослав Тодоров
