Drobne cząstki aerozolu mogą być w stanie wzmacniać tropikalne chmury konwekcyjne, ale naukowcy debatują nad tym od dziesięcioleci. Aerozole wpływają na powstawanie i wzrost kropelek chmur, co może wpływać na kondensację i uwalnianie ciepła utajonego.

Jednym z proponowanych procesów, zwanym kondensacyjnym wzmacnianiem konwekcyjnym przez aerozole, jest zależność od rozwoju bardzo wysokiego przesycenia pary wodnej w chmurach. Gdy takie warunki wystąpią, dodatkowe cząstki aerozolu mogą tworzyć nowe kropelki. To może zwiększyć kondensację, uwolnić więcej ciepła utajonego i potencjalnie przyspieszyć wznoszące się powietrze wewnątrz chmury.

Pomiary z samolotów na ogół nie wykrywały wysokich poziomów przesycenia w stanie quasi-ustalonym wymaganych dla tego procesu. Nie oznacza to jednak, że takie warunki nigdy nie występują w atmosferze.

Wiele wcześniejszych pomiarów koncentrowało się na środowiskach chmur, w których ekstremalne przesycenie było mało prawdopodobne. Obejmowały one stosunkowo zanieczyszczone chmury, płytkie ciepłe chmury oraz chmury próbkowane poniżej ich głębszych regionów konwekcyjnych. Na większych wysokościach zderzenia kropelek, tworzenie opadów i szybsze prądy wstępujące mogą zmniejszyć całkowitą powierzchnię kropelek, umożliwiając narastanie przesycenia.

Nowe badanie opublikowane w Advances in Atmospheric Sciences przeanalizowało obserwacje z samolotów zebrane podczas kampanii NASA Cloud, Aerosol and Monsoon Processes Philippines Experiment. Kampania miała miejsce nad Filipinami i pobliskimi tropikalnymi oceanami w 2019 roku.

Naukowcy z Chin, USA i Izraela oszacowali przesycenie w stanie quasi-ustalonym, wykorzystując pomiary prędkości prądów wstępujących i rozkładów wielkości kropelek chmur. Metoda oddaje równowagę między parą wodną wytwarzaną podczas wznoszenia się powietrza a parą wodną usuwana podczas kondensacji na kropelkach.

Wyniki wskazują, że tropikalne chmury konwekcyjne mogą osiągać poziomy przesycenia znacznie wyższe niż te zarejestrowane w poprzednich badaniach lotniczych przy użyciu porównywalnych metod.

Przesycenie wzrastało wraz z próbkowaniem wyższych części chmur, osiągając około 10% przy temperaturze około -5°C. W tej temperaturze regiony prądów wstępujących składały się głównie z przechłodzonych kropelek cieczy.

Szacowane przesycenie nadal rosło w niższych temperaturach. Jednak w tych regionach zaczynał tworzyć się lód, co czyni szacunki oparte tylko na fazie ciekłej mniej pewnymi.

Opublikowane niedawno badanie towarzyszące dostarcza dodatkowego wsparcia dla tych ustaleń. Naukowcy wykorzystujący dane z kampanii lotniczej ESCAPE nad przybrzeżnym Teksasem i Luizjaną niezależnie wykryli rzadkie, ale ekstremalne przesycenie w stanie quasi-ustalonym wynoszące około 11% wewnątrz głębokich prądów wstępujących konwekcyjnych.

Razem badania sugerują, że wysokie przesycenie pary wodnej występuje w środowiskach chmur, w których kondensacyjne wzmacnianie konwekcyjne przez aerozole jest najbardziej prawdopodobne.

Największe wiarygodne wartości znaleziono w silnych prądach wstępujących przy stosunkowo niskich stężeniach kropelek. Gdy chmury zawierały więcej kropelek, ich łączna powierzchnia wzrastała. Więcej pary kondensowało się na tych kropelkach, zmniejszając szacowane przesycenie.

Obserwacje nie dowodzą, że aerozole spowodowały, że próbkowane chmury stały się silniejsze. Zamiast tego pokazują, że warunki atmosferyczne wymagane do kondensacyjnego wzmacniania aerozolowego mogą rozwinąć się wewnątrz prawdziwych tropikalnych chmur konwekcyjnych.

Wysokie przesycenie działa jako „paliwo”, które dodatkowe drobne lub ultradrobne cząstki aerozolu mogą wykorzystać do tworzenia większej liczby kropelek. Te kropelki mogą zwiększyć kondensację, uwolnić dodatkowe ciepło utajone i potencjalnie wzmocnić prądy wstępujące w chmurze.

Głównym odkryciem jest nie tylko to, że ekstremalne przesycenie istnieje. Naukowcy muszą również badać właściwe typy chmur, aby je wykryć.

„Poprzednie badania dotyczyły zanieczyszczonych lub płytkich chmur – typów, które zazwyczaj nie tworzą warunków wysokiego przesycenia potrzebnych do kondensacyjnego wzmacniania. Nic więc dziwnego, że nie widzieli tego mechanizmu w działaniu” – powiedział Daniel Rosenfeld z Uniwersytetu Hebrajskiego w Jerozolimie i Uniwersytetu w Wuhan.