Ученые создали лидар с разрешением в сантиметр для изучения облаков

Исследователи из Брукхейвенской национальной лаборатории (США) и их коллеги разработали новый лидар — лазерный прибор дистанционного зондирования, способный наблюдать структуру облаков с разрешением до одного сантиметра. Это в 100–1000 раз выше, чем у традиционных лидаров в атмосферных науках.

Экспериментальная установка в Мичиганском технологическом университете, где исследователи создают и изучают облака в контролируемых условиях. Автор: Michigan Technological University

Ученые использовали этот инструмент для прямого наблюдения за микроструктурами в верхней части облаков, созданных в лабораторной камере. Результаты, опубликованные в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, впервые показывают, как свойства капель у вершины облака отличаются от его внутренней части. Эти различия критически важны для понимания того, как облака эволюционируют, формируют осадки и влияют на энергетический баланс Земли.

«Это первый раз, когда мы смогли напрямую и ненавязчиво увидеть эти микроструктуры на вершине облака», — заявил ведущий автор исследования, атмосферный ученый Фан Ян.

Как работает лидар

Высокое разрешение достигнуто благодаря технике подсчета одиночных фотонов, коррелированных по времени. Система регистрирует отдельные фотоны, рассеянные каплями облака ультракороткими лазерными импульсами. Алгоритмы обработки данных используют эти сигналы для восстановления детального профиля структуры облака с сантиметровой точностью.

Схема облачной камеры. Автор: Michigan Technological University

«Этот лидар по сути является микроскопом для облаков», — пояснил Фан Ян.

Что обнаружили ученые

Эксперименты в облачной камере Мичиганского технологического университета показали, что распределение капель у вершины облака значительно отличается от более однородной структуры в его основной массе. В частности, в лабораторных облаках у вершины оказалось меньше капель.

Ученые объясняют это двумя процессами: вовлечением (entrainment), когда сухой воздух сверху проникает в облако, разбавляя его и вызывая испарение части капель, и «сортировкой по размеру» из-за седиментации (оседания), когда более тяжелые капли падают быстрее легких.

«В основной части облака турбулентность обычно сильная, что позволяет каплям эффективно перемешиваться. А у вершины турбулентность слабее, поэтому взвешенными остаются только более мелкие капли», — отметил Ян.

Многие атмосферные модели либо игнорируют оседание капель, либо представляют капли разного размера с единой скоростью падения. Это упрощение работает в основной части облака, но не у его вершины, что может вносить существенную неопределенность в прогнозы о том, как облака отражают солнечный свет и вызывают дождь.

Ключевые различия между наблюдениями и симуляциями. Автор: Brookhaven National Laboratory

Ученые планируют продолжить исследования в новой облачной камере, построенной в Брукхейвенской лаборатории. Эти работы помогут не только улучшить атмосферные модели, но и точнее калибровать лидары, используемые для измерений в реальной атмосфере.

Лидар — это активный прибор дистанционного зондирования, использующий лазерный луч для измерения расстояния до объекта или анализа его свойств. В отличие от радара, который работает на радиоволнах, лидар использует свет, что позволяет получать данные с очень высоким пространственным разрешением, что и продемонстрировала новая разработка.