Дослідники з’ясовують, що скупчені хмари несподівано посилюють бурі, викликаючи інтенсивні, руйнівні зливи та повені.
Хмари нерідко об’єднуються у великі, організовані структури, формуючи високі колони та інші фігури, які відтворюють процеси, що відбуваються в атмосфері. (Зображення: EARTH SCIENCE AND REMOTE SENSING UNIT / NASA JOHNSON SPACE CENTER) Підпишіться на нашу електронну розсилку
Керолайн Мюллер дивиться на хмари зовсім не так, як більшість людей. Там, де інші можуть бачити пишні хмаринки, ніжну солодку вату чи похмурі сірі об’єкти, що пливуть над головою, Мюллер бачить рідкі речовини, які рухаються небом. Вона уявляє, як повітря піднімається і опускається, стає теплішим і холоднішим, а також крутиться і вирує, утворюючи хмари та породжуючи шторми.
Проте невідкладність, з якою Мюллер, фахівець з клімату з Австрійського інституту науки і технологій у Клостернойбурзі, розглядає такі атмосферні таємниці, зросла останніми роками. Через те, що наша планета страждає від глобального потепління, бурі стають більш потужними, іноді скидаючи вдвічі або навіть втричі більше опадів, ніж очікувалося. Так сталося в Баїя-Бланка, Аргентина, у березні 2025 року: майже половина середньорічної кількості опадів у місті випала за менш ніж 12 годин, спровокувавши смертоносні повені.
Науковці-атмосферники вже давно використовують комп’ютерне моделювання, щоб відстежувати, як динаміка повітря та вологи може зумовлювати різні види штормів. Проте наявні моделі не в повній мірі пояснюють виникнення цих більш потужних бур. Приблизно 200-річна теорія пояснює, як тепліше повітря містить більше вологи, ніж холодне: додаткові 7 відсотків на кожен градус Цельсія потепління. Однак у моделях та спостереженнях за погодою кліматологи зафіксували опади, що значно перевищують це очікуване зростання. І ці бурі можуть призвести до катастрофічних затоплень, коли сильні зливи випадають на вже зволожені ґрунти або після вологих хвиль спеки.
Хмари, а також те, як вони групуються, можуть допомогти пояснити, що відбувається.
Велика кількість досліджень, ініційованих Мюллером понад десять років тому, виявляє кілька дрібномасштабних процесів, які кліматичні моделі раніше не враховували. Ці процеси впливають на те, як хмари утворюються, збираються та зберігаються таким чином, що це може збільшувати сильні дощі та живити більші, тривалі шторми. Хмари мають “внутрішнє життя”, зазначає Мюллер, “яке може збільшувати їх інтенсивність або допомагати їм довше існувати”.
Іншим науковцям потрібні додаткові докази, оскільки комп’ютерні моделювання, які дослідники використовують для вивчення хмар, зводять планету Земля до її найпростішого та найрівнішого вигляду, зберігаючи її основну фізику, але в іншому майже не нагадуючи реальний світ.
Однак зараз потрібне глибше розуміння. Глобальні кліматичні моделі з більш високою роздільною здатністю, нарешті, здатні відтворювати хмари та руйнівні шторми, які вони викликають, у планетарному масштабі, надаючи вченим більш реалістичну картину. Краще розуміючи хмари, дослідники мають надію покращити свої прогнози екстремальних опадів, особливо в тропіках, де трапляються одні з найжорстокіших гроз і де прогнози майбутніх опадів є найбільш непевними.
Перші ознаки злипання хмар
Усі хмари виникають у вологому повітрі, яке піднімається вгору. Гора може піднімати повітря вгору, так само як і холодний фронт. Хмари також можуть з’являтися в результаті процесу, відомого як конвекція: переміщення повітря в атмосфері, яке починається, коли сонячне світло, нагріта земля або тепла вода нагрівають повітря знизу. Коли тепле повітря піднімається, воно охолоджується, конденсуючи водяну пару, яку воно піднімало вгору, у краплі дощу. Цей процес конденсації також виділяє тепло, яке підтримує бурі.
Однак хмари залишаються однією з найслабших ланок у кліматичних моделях. Це пов’язано з тим, що глобальні кліматичні моделі, які науковці використовують для моделювання сценаріїв майбутнього потепління, є надто узагальненими, щоб охопити висхідні потоки, що утворюють хмари, або описати, як вони обертаються під час шторму, не кажучи вже про пояснення мікрофізичних процесів, що регулюють кількість дощу, який випадає з них на Землю.
Щоб спробувати вирішити цю проблему, Мюллер та інші вчені-однодумці звернулися до спрощених симуляцій клімату Землі, які здатні моделювати конвекцію. У цих штучних світах, кожен з яких має вигляд неглибокої коробки, зазвичай кілька сотень кілометрів у поперечнику та десятки кілометрів у глибину, дослідники експериментували з репліками атмосфер, щоб побачити, чи зможуть вони з’ясувати, як хмари діють за різних обставин.
Самоорганізація конвекції в симуляціях розв’язання хмар – YouTube
Дивитися далі
Цікаво, що коли дослідники запускали ці моделі, хмари мимовільно злипалися, незважаючи на те, що в моделях не було жодної з ознак, які зазвичай зближують хмари — ні гір, ні вітру, ні обертання Землі, ні сезонних змін сонячного світла. “Ніхто не знав, чому це відбувається”, — каже Даніель Ернандес Декерс, науковець з атмосфери з Національного університету Колумбії в Боготі.
У 2012 році Мюллер виявив першу підказку: процес, відомий як радіаційне охолодження. Сонячне тепло, яке відбивається від земної поверхні, випромінюється назад у космос, і там, де мало хмар, більше цього випромінювання виходить назовні, охолоджуючи повітря. Холодні ділянки утворюють атмосферні потоки, які спрямовують повітря до більш хмарних областей, затримуючи більше тепла та утворюючи більше хмар. Подальше дослідження, проведене у 2018 році, показало, що в цих моделюваннях радіаційне охолодження прискорило формування тропічних циклонів. “Це змусило нас зрозуміти, що для розуміння хмар необхідно також подивитися на околиці — зовнішні хмари”, — говорить Мюллер.
Як тільки науковці почали досліджувати не лише зовнішні хмари, а й під ними та на їхніх краях, вони виявили інші дрібномасштабні процеси, які допомагають пояснити, чому хмари збираються разом. Різноманітні процеси, описані Мюллером та його колегами в Щорічному огляді механіки рідин, об’єднують або утримують разом зони теплого, вологого повітря, завдяки чому з’являється більше хмар у вже хмарних регіонах. Ці дрібномасштабні процеси раніше не були добре вивчені, оскільки вони часто приховані масштабнішими погодними явищами.
Ернандес Декерс вивчав один із процесів, який називається захопленням — хаотичне перемішування повітря на краях хмар. Більшість кліматичних моделей представляють хмари як постійний потік повітря, що піднімається, але насправді “хмари схожі на цвітну капусту”, — каже він. “У вас багато турбулентності, і всередині хмар є ці бульбашки [повітря]”. Це перемішування на краях впливає на те, як еволюціонують хмари та грози; воно може послаблювати або посилювати шторми різними способами, але, як і радіаційне охолодження, воно сприяє утворенню більшої кількості хмар у вигляді скупчень у місцях, які вже вологі.
Такі процеси, ймовірно, є найважливішими під час штормів у тропічних регіонах Землі, де існує найбільша невизначеність щодо майбутніх опадів. (Тому Ернандес Декерс, Мюллер та інші схильні зосереджувати свої дослідження саме там.) У тропіках відсутні холодні фронти, струменеві течії та спіральні системи високого та низького тиску, які визначають повітряні потоки на вищих широтах.
Від нижніх шарів атмосфери до вищих регіонів, відомих як вільна тропосфера, кілька явищ сприяють формуванню та злипанню хмар. До них належать радіаційне охолодження (1), при якому сонячне тепло відбивається від поверхні Землі через ясне небо назад у космос, спричиняючи охолодження частин атмосфери, а також змішування (2) на краях хмар, яке утримує хмари разом. Інші процеси (3 та 4) пов’язані з додатковими збуреннями, які можуть впливати на поведінку хмар. (Зображення: Knowable Magazine) Посилення інтенсивних злив
У хмарах відбуваються й інші мікроскопічні процеси, які впливають на надмірні опади, особливо в коротші часові проміжки. Вологість має велике значення: конденсовані краплі, що падають крізь вологе, хмарне повітря, не випаровуються так сильно під час спуску, тому більше води потрапляє на землю. Температура також є важливою: коли хмари утворюються в тепліших атмосферах, вони виробляють менше снігу та більше дощу. Оскільки краплі дощу падають швидше, ніж сніжинки, вони менше випаровуються під час спуску, що знову ж таки призводить до більшої кількості дощу.
Ці фактори також допомагають пояснити, чому з хмари може випасти більше опадів, ніж передбачено 7-відсотковим зростанням на кожен градус потепління, передбаченим 200-річною теорією. “По суті, ви отримуєте додатковий імпульс… у наших симуляціях це було майже подвоєння”, — каже Мартін Сінгх, кліматолог з Університету Монаша в Мельбурні, Австралія.
Кластеризація хмар підсилює цей ефект, утримуючи разом тепле, вологе повітря, завдяки чому випадає більше крапель дощу. Одне дослідження Мюллер та її колег показало, що скупчення хмар збільшує короткочасні екстремальні опади на 30-70 відсотків, значною мірою тому, що краплі дощу менше випаровуються всередині мокрих хмар.
Інші дослідження, зокрема дослідження під керівництвом Цзявей Бао, постдокторанта з групи Мюллера, також виявили, що мікрофізичні процеси, які відбуваються всередині хмар, мають сильний вплив на швидкі, сильні зливи. Ці раптові зливи посилюються набагато швидше зі зміною клімату, ніж тривалі повені, і часто спричиняють раптові повені.
Майбутнє екстремальних опадів
Вчені, які вивчають злипання хмар, прагнуть дізнатися, як ця поведінка змінюватиметься в міру нагрівання планети, і що це означатиме для випадків сильних опадів і повеней.
Деякі моделі показують, що хмари (і конвекція, яка їх утворює) будуть більше злипатися внаслідок глобального потепління — і спричинятимуть більшу кількість екстремальних опадів, які часто значно перевищують те, що передбачає теорія. Однак інші симуляції показують, що хмари будуть збиратися менше. “Здається, що все ще існує ряд відповідей”, — каже Еллісон Вінг, кліматолог з Університету штату Флорида в Таллахассі, яка порівняла різні моделі.
У березні 2025 року рясні дощі затопили місто Баїя-Бланка, Аргентина. Очікується, що подібні екстремальні опади стануть більш звичайним явищем, оскільки планета продовжує нагріватися, але прогнозування екстремальних опадів у тропічних регіонах виявляється складним завданням. (Зображення: PABLO PRESTI/AFP via Getty Images)
Вчені починають намагатися узгодити деякі з цих розбіжностей, використовуючи потужні типи комп’ютерних моделювань, які називаються моделями глобального розв’язання штормів. Вони можуть фіксувати тонкі структури хмар, гроз і циклонів, а також імітувати глобальний клімат. Вони забезпечують 50-кратний стрибок у реалізмі порівняно з глобальними кліматичними моделями, які зазвичай використовують вчені, але вимагають у 30 000 разів більшої обчислювальної потужності.
Використовуючи одну з таких моделей у статті, опублікованій у 2024 році, Бао, Мюллер та їхні колеги встановили, що хмари в тропіках збираються більше зі зростанням температури, що призводить до менш частих штормів, але тих, які є більшими, тривають довше та протягом дня випадають більше опадів, ніж очікувалося з теорії.
Але ця робота спиралася лише на одну модель та моделювала умови приблизно з однієї майбутньої точки часу — 2070 року. За словами Бао, вченим потрібно проводити триваліші симуляції, використовуючи більше моделей для розв’язання штормів, але дуже мало дослідницьких груп можуть собі це дозволити. Вони настільки обчислювально ресурсоємні, що зазвичай проводяться у великих централізованих центрах, і вчені час від часу проводять “хакатони”, щоб обробити та обмінятися даними.
Дослідникам також необхідно більше реальних спостережень, щоб розібратися в деяких найбільш невідомих фактах про хмари. Хоча шквал недавніх досліджень з використанням супутникових даних пов’язав скупчення хмар з більшими опадами в тропіках, у багатьох тропічних регіонах існують великі прогалини в даних. Це послаблює кліматичні прогнози та залишає багато країн погано підготовленими. У червні 2025 року повені та зсуви у Венесуелі та Колумбії зруйнували будівлі та забрали життя щонайменше десятка людей, але вчені не знають, які чинники посилили ці шторми, оскільки даних дуже мало. “Ніхто досі насправді не знає, що це спровокувало”, — зазначає Ернандес Декерс.
Нові, детальні дані вже з’являються. Wing аналізує вимірювання кількості опадів, здійснені німецьким дослідницьким судном, яке протягом шести тижнів у 2024 році перетинало тропічний Атлантичний океан. Радар судна зафіксував скупчення конвекції, пов’язані зі штормами, через які воно проходило, тому робота має допомогти дослідникам побачити, як хмари організовуються над величезними просторами океану.
А на горизонті ще більш глобальний погляд. Європейське космічне агентство планує запустити два супутники у 2029 році, які, серед іншого, вимірюватимуть приповерхневі вітри, що збурюють океани Землі та торкаються гірських вершин. Можливо, сподіваються науковці, дані, які ці супутники передадуть назад, нарешті дадуть краще розуміння скупчення хмар та найсильніших злив, що з них випадають.
Дослідження та інтерв’ю для цієї статті частково фінансувалися журналістською резиденцією, що фінансувалася Австрійським інститутом науки і технологій (ISTA). ISTA не мала жодного втручання у цю історію.
Ця стаття вперше з’явилася в журналі Knowable, некомерційному виданні, що займається забезпеченням доступності наукових знань для всіх. Підпишіться на розсилку журналу Knowable.
ТЕМИ
Sourse: www.livescience.com