Ученые нашли скрытое «топливо» для усиления тропических штормов

Глубокие чистые тропические облака могут содержать скрытое атмосферное топливо, позволяющее крошечным частицам усиливать штормы. Credit: Shutterstock

Крошечные аэрозольные частицы могут усиливать тропические конвективные облака, однако ученые спорят об этом десятилетиями. Аэрозоли влияют на формирование и рост облачных капель, что может воздействовать на конденсацию и выделение скрытого тепла.

Один из предполагаемых процессов, называемый конденсационным аэрозольным конвективным усилением, зависит от развития в облаках очень высокого пересыщения водяного пара. При таких условиях дополнительные аэрозольные частицы могут образовывать новые капли. Это способно увеличить конденсацию, выделить больше скрытого тепла и потенциально ускорить восходящие потоки воздуха внутри облака.

Почему предыдущие исследования могли это упустить

Самолетные измерения обычно не фиксировали высокие уровни квазистационарного пересыщения, необходимые для этого процесса. Однако это не означает, что такие условия никогда не возникают в атмосфере.

Многие предыдущие измерения были сосредоточены на облачных средах, где экстремальное пересыщение было маловероятно. К ним относились относительно загрязненные облака, мелкие теплые облака и облака, исследованные ниже их более глубоких конвективных зон. На больших высотах столкновения капель, образование осадков и более быстрые восходящие потоки могут уменьшать общую площадь поверхности капель, позволяя пересыщению накапливаться.

Данные самолетов о тропических облаках

Новое исследование, опубликованное в журнале Advances in Atmospheric Sciences, проанализировало самолетные наблюдения, собранные в ходе эксперимента NASA Cloud, Aerosol and Monsoon Processes Philippines Experiment. Кампания проходила над Филиппинами и прилегающими тропическими океанами в 2019 году.

Исследователи из Китая, США и Израиля оценили квазистационарное пересыщение, используя измерения скоростей восходящих потоков и распределения размеров облачных капель. Метод отражает баланс между водяным паром, образующимся при подъеме воздуха, и паром, удаляемым при конденсации на каплях.

Результаты показывают, что тропические конвективные облака могут достигать уровней пересыщения, значительно превышающих те, что были зафиксированы в предыдущих самолетных исследованиях с использованием сопоставимых методов.

Пересыщение увеличивалось по мере того, как самолет исследовал более высокие части облаков, достигая примерно 10% при температуре около −5°C. При этой температуре зоны восходящих потоков все еще состояли в основном из переохлажденных жидких капель.

Расчетное пересыщение продолжало расти при более низких температурах. Однако в этих зонах начинал образовываться лед, что делало оценки, основанные только на жидкой фазе, менее точными.

Экстремальное пересыщение в глубоких восходящих потоках

Недавно опубликованное сопутствующее исследование предоставляет дополнительные подтверждения этих выводов. Ученые, использовавшие данные самолетной кампании ESCAPE над побережьем Техаса и Луизианы, независимо обнаружили редкое, но экстремальное квазистационарное пересыщение около 11% внутри глубоких конвективных восходящих потоков.

Вместе эти исследования показывают, что высокое пересыщение водяного пара возникает в тех облачных средах, где конденсационное аэрозольное конвективное усиление наиболее вероятно.

Наибольшие достоверные значения были обнаружены в сильных восходящих потоках с относительно низкой концентрацией капель. Когда облака содержали больше капель, их общая площадь поверхности увеличивалась. Больше пара конденсировалось на этих каплях, снижая расчетное пересыщение.

Скрытое топливо внутри тропических облаков

Наблюдения не доказывают, что аэрозоли вызвали усиление исследованных облаков. Вместо этого они демонстрируют, что атмосферные условия, необходимые для конденсационного аэрозольного усиления, могут возникать внутри реальных тропических конвективных облаков.

Высокое пересыщение действует как «топливо», которое дополнительные мелкие или ультрамелкие аэрозольные частицы могут использовать для образования большего количества капель. Эти капли могут увеличить конденсацию, выделить дополнительное скрытое тепло и потенциально усилить восходящие потоки в облаке.

Ключевой вывод заключается не только в том, что экстремальное пересыщение существует. Ученым также необходимо исследовать правильные типы облаков, чтобы его обнаружить.

«Предыдущие исследования рассматривали загрязненные или мелкие облака — типы, которые обычно не создают условий высокого пересыщения, необходимых для конденсационного усиления. Поэтому неудивительно, что они не увидели этот механизм в действии», — сказал Даниэль Розенфельд из Еврейского университета в Иерусалиме и Уханьского университета, участвовавший в обоих исследованиях. «Наши наблюдения показывают: если вы хотите увидеть этот механизм в действии, нужно смотреть на глубокие чистые облака над океаном».

Прямая проверка облачного механизма

Теперь исследователи планируют более непосредственно проверить предложенный процесс с помощью специализированных самолетных кампаний. Эти исследования будут сравнивать чистые и загрязненные тропические конвективные облака, уделяя особое внимание мощным зонам восходящих потоков. Ученым также потребуется лучше различать жидкую и ледяную фазы внутри облаков.

«В конечном счете, наша цель — улучшить физическое понимание и прогнозирование воздействия аэрозолей на глубокую конвекцию, осадки, молнии и климат», — сказал Розенфельд.

Источники:

Материалы предоставлены Институтом физики атмосферы Китайской академии наук.

Zengxin Pan, Daniel Rosenfeld, Lin Zang, Feiyue Mao, Jiwen Fan. Aircraft-observed High Supersaturation Indicates the Potential of Aerosol Convective Invigoration Effect. Advances in Atmospheric Sciences, 2026; DOI: 10.1007/s00376-026-5894-y

Saurabh Patil, Greg M. McFarquhar, Yongjie Huang, Greg Roberts, Mengistu Wolde, Leonid Nichman, Cuong Nguyen, Keyvan Ranjbar, Natalia Bliankinshtein, Amanda Richter, Pavlos Kollias, Daniel Rosenfeld. Quasi‐Steady State Supersaturation: Do High Values Derived From ESCAPE Represent Real High Supersaturations and the Potential for Condensational Invigoration? Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 2026; 131 (12) DOI: 10.1029/2025JD045547