Учёные разработали метод наблюдения за наноразмерными кристаллами льда в реальном времени

Платформа для одновременного обнаружения нано-ледяных ядер, облачных капель и ледяных кристаллов: Схема McGill Real-Time Ice Nucleation Chamber (MRINC), AI-Nano-DIHM и анализаторов аэрозолей. Фото в правом нижнем углу показывает цилиндрическую геометрию MRINC в составе экспериментальной установки в Университете Макгилла. MRINC установлен на передвижной тележке. Автор: npj Climate and Atmospheric Science (2025). DOI: 10.1038/s41612-025-01062-4

Исследователи разработали новый метод обнаружения и изучения формирования льда в смешанных облаках, что значительно улучшает способность учёных прогнозировать погоду и моделировать изменение климата.

«Облака играют ключевую роль в климате Земли и круговороте воды, влияя как на осадки, так и на энергетический баланс планеты, — объясняет Девендра Пал, постдокторант и преподаватель сезонных курсов в Департаменте атмосферных и океанических наук Университета Макгилла. — Но смешанные облака сложны для понимания и моделирования, отчасти потому, что мы до сих пор не до конца знаем, как в них формируются и ведут себя со временем мельчайшие ледяные кристаллы».

«Наблюдая, как эти нанокристаллы образуются, растут и рассеивают солнечный свет, мы можем повысить точность прогнозов погоды и климатических моделей», — добавил Пал, который руководил исследованием совместно с Парисой Арией, профессором химии и атмосферных и океанических наук имени Джеймса Макгилла.

Работа опубликована в журнале npj Climate and Atmospheric Science.

Наноразмерные кристаллы льда раньше были слишком малы для прямого наблюдения

Смешанные облака содержат как ледяные кристаллы, так и переохлаждённые жидкие капли — воду, остающуюся жидкой при температурах ниже 0°C.

Формирование льда в облаках начинается с ледяных ядерных частиц (INP) — крошечных частиц в воздухе, часто нанометрового размера, которые служат «семенами» для замерзания. Эти частицы запускают образование кристаллов льда, способных вырасти от нанометров до миллиметров.

До сих пор эти наноразмерные кристаллы были слишком малы для прямого наблюдения или отличия от жидких аналогов в реальном времени. Учёные могли лишь предполагать, является ли частица льдом, основываясь на её предельном размере, или анализировать рассеивание света с помощью метода, называемого поляризационным соотношением.

Новый инструмент для наблюдения за образованием льда в реальном времени

Чтобы решить эту проблему, команда разработала камеру MRINC (McGill Real-Time Ice Nucleation Chamber), которая имитирует условия облаков в лаборатории за счёт точного контроля температуры и влажности.

«В эту камеру мы вводили частицы йодида серебра (AgI), известные своей способностью запускать образование льда, и тщательно регулировали среду, чтобы воспроизвести условия, похожие на облачные», — пояснил Пал.

Исследователи использовали лазерную методику цифровой голографической микроскопии для наблюдения за формированием кристаллов льда в реальном времени — ранее это было невозможно в таком масштабе. Полученные голографические изображения анализировались с помощью ИИ-программы, которая мгновенно определяла, является ли каждая частица кристаллом льда или жидкой каплей, а также оценивала её размер, форму и текстуру поверхности.

«Впервые такая детальная микрофизическая информация была получена в этом масштабе и с такой точностью», — отметил Пал.

Ария добавила: «Из-за отсутствия технологий ни одна из моделей изменения климата не могла точно предсказать эти мелкие ледяные кристаллы. MRINC позволяет нам углубить понимание процессов взаимодействия между образованием ледяных ядер, излучением и изменением климата».

Следующий шаг: Натуральные облака

Открытие даёт новое понимание ранних стадий формирования льда в облаках, что важно для спутниковых наблюдений за облаками, исследований осадков и даже искусственного воздействия на погоду (например, засева облаков).

Следующим шагом команда планирует адаптировать систему MRINC для полевых исследований на борту научных самолётов и горных обсерваторий. Также ведутся работы по повышению точности прибора и его адаптации к различным атмосферным условиям. Эти усовершенствования позволят отслеживать, как различные частицы — например, загрязнения, пыль или дым от лесных пожаров — влияют на образование льда.

«В конечном итоге наша цель — предоставлять данные в реальном времени, которые укрепят как климатическую науку, так и оперативное прогнозирование погоды», — заключил Пал.

Дополнительная информация: Devendra Pal et al, Microphysical detection of nano-ice nuclei to ice crystals: a platform for ice nucleation research, npj Climate and Atmospheric Science (2025). DOI: 10.1038/s41612-025-01062-4

Источник: McGill University