Крошечные аэрозольные частицы могут усиливать тропические конвективные облака, но учёные спорят об этой идее десятилетиями. Аэрозоли влияют на формирование и рост облачных капель, что может влиять на конденсацию и выделение скрытого тепла.

Один из предложенных процессов, называемый конденсационным аэрозольным конвективным усилением, зависит от развития в облаках очень высокого пересыщения водяного пара. Когда возникают такие условия, дополнительные аэрозольные частицы могут образовывать новые капли. Это может увеличить конденсацию, выделить больше скрытого тепла и потенциально ускорить восходящий поток воздуха внутри облака.

Самолётные измерения, как правило, не обнаруживали высоких уровней квазистационарного пересыщения, необходимых 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. Это включало относительно загрязнённые облака, мелкие тёплые облака и облака, отобранные ниже их более глубоких конвективных областей. На больших высотах столкновения капель, образование осадков и более быстрые восходящие потоки могут уменьшить общую площадь поверхности капель, позволяя накапливаться пересыщению.

Новое исследование, опубликованное в Advances in Atmospheric Sciences, изучило самолётные наблюдения, собранные во время эксперимента NASA Cloud, Aerosol and Monsoon Processes Philippines Experiment. Кампания проходила над Филиппинами и близлежащими тропическими океанами в 2019 году.

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

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

Пересыщение увеличивалось по мере того, как самолёт отбирал пробы в более высоких частях облаков, достигая примерно 10% при температуре около −5°C. При такой температуре области восходящих потоков всё ещё состояли в основном из переохлаждённых жидких капель.

Расчётное пересыщение продолжало расти при более низких температурах. Однако в этих областях начинал образовываться лёд, что делало оценки, основанные только на жидкой фазе, менее определёнными.

Недавно опубликованное сопутствующее исследование обеспечивает дополнительную поддержку этих выводов. Исследователи, использующие данные самолётной кампании ESCAPE над прибрежными районами 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 облачных средах, где конденсационное аэрозольное конвективное усиление наиболее вероятно.

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

Наблюдения не доказывают, что аэрозоли вызвали усиление отобранных 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 облака.

Главный вывод заключается не только в том, что экстремальное пересыщение существует. Учёные также должны исследовать правильные типы облаков, чтобы обнаружить его.

«Предыдущие исследования рассматривали загрязнённые или мелкие облака — типы, которые обычно не создают условий высокого пересыщения, необходимых для конденсационного усиления. Так что неудивительно, что они не видели этот механизм в действии», — сказал Даниэль Розенфельд из Еврейского университета в Иерусалиме и Уханьского университета.