Электрическая тень облаков

Наблюдение за облаками — занятие, конечно, приятное, но для метеорологов это каждодневная работа, которую, к тому же, сложно доверить технике. Однако, как недавно выяснили учёные, облако можно не только увидеть, но и «почувствовать» по взаимосвязанным изменениям приземного электрического поля и потока солнечного ультрафиолета. Для чего это может быть полезно, рассказывают Константин Пустовалов и Сергей Смирнов, научные сотрудники лаборатории физики климатических систем Института мониторинга климатических и экологических систем СО РАН.

В настоящее время идёт процесс автоматизации метеорологических измерений. В первую очередь это актуально для труднодоступных районов, где обслуживание метеостанций – весьма дорогостоящее занятие, а иногда это и вовсе невозможно. Если говорить про измерения основных метеорологических величин: температуры, влажности, давления, характеристик ветра, то здесь уже всё давно автоматизировано. Эта часть метеорологических наблюдений вполне может проводиться без участия человека.

Но куда хуже автоматизации поддаются наземные наблюдения за облачностью и связанными с ними явлениями. До сих пор основным источником этой информации остаётся наблюдатель – человек, который время от времени фиксирует наличие облаков и разных небесных явлений. Проще говоря, вышел, посмотрел в небо и определил тип облаков. Пока это самая сложная часть метеорологических наблюдений с точки зрения автоматизации. Однако у этой задачи может появиться решение.

Первые работы в геофизической обсерватории Института мониторинга климатических и экологических систем показали взаимосвязь между характеристиками атмосферного электричества и атмосферным аэрозолем. Известно, что ультрафиолетовая радиация участвует в процессах образования фотохимического аэрозоля, который, в свою очередь, может влиять на электропроводность воздуха и напряжённость электрического поля атмосферы. Мы решили проанализировать взаимосвязи между основными электрическими и оптическими характеристиками атмосферы, облачностью и атмосферным аэрозолем, чтобы понять, как взаимосвязаны между собой эти величины и будет ли наблюдаться какое-то принципиальное отличие в изменчивости исследуемых величин при наличии облаков разных форм.

Основных форм (или типов) облаков существует десять. Это облака верхнего яруса (перистые, перисто-слоистые, перисто-кучевые), облака среднего яруса (высококучевые и высокослоистые), облака нижнего яруса (слоистые, слоисто-кучевые, слоисто-дождевые) и облака вертикального развития (кучевые и кучево-дождевые). Все эти облака образуются и развиваются в тропосфере. Есть ещё серебристые облака, которые формируются в мезосфере, на высотах около 75–90 километров, и связаны с циркуляционными процессами в верхней атмосфере.

В нашей работе (1, 2) были проанализированы данные измерений коэффициента пропускания ультрафиолетового излучения атмосферы на длине волны 380 нанометров, сделанные в Томске с 2006 по 2020 год. Коэффициент пропускания – это отношение между потоками суммарного УФ-излучения при наличии облачности и при её отсутствии. При этом он зависит не только от общего количества облаков, но и от их формы. Облака нижнего яруса и облака вертикального развития, которые имеют наиболее низкую границу и большую вертикальную мощность, обычно самые влагосодержащие и оказывают самое сильное влияние на поток ультрафиолетового излучения. В частности, минимальное значение коэффициента пропускания отмечались при наличии слоистых облаков, кучево-дождевых и слоисто-дождевых. Сравнивая значения электрического поля, измеренные в условиях облачности, с фоновыми значениями, мы установили, что облака всех десяти основных морфологических форм также значительно влияют и на приземное электрическое поле, заметно снижая его.

Следующий шаг – разработка методов дистанционного определения облаков различных форм по данным измерений атмосферно-электрических величин, ведь в зависимости от формы облаков мы можем говорить о тех или иных атмосферных процессах. Например, наличие облаков перистых, перисто-слоистых, переходящих в высокослоистые, потом слоисто-дождевые – это признаки прохождения теплого фронта. Такие модели позволят точнее прогнозировать разные атмосферные явления и создают основу для создания новых методов косвенного обнаружения и определения атмосферных явлений без прямого участия человека, а также позволяют лучше понимать физику процессов, которые происходят в облаках.

Почему не использовать для этих целей спутниковые данные? Действительно, поля облачности хорошо идентифицируются спутниками, но проблема состоит в том, что спутник «смотрит» только на верхнюю границу облачности, а когда облачность многослойная, идентифицировать её довольно сложно. Можно, конечно, добавить радиоканалы, но в зимнее время, когда есть снежный покров, возникают дополнительные проблемы с идентификацией типов облачности и процессов, которые там происходят. Сейчас разрабатываются наземные методы дистанционного зондирования в различных спектральных диапазонах, но «картинки» получаются плоскими, а это значит, разделение облаков и ярусов становится практически невозможно.

Результаты наших исследований важны не только для специалистов. Например, измерения ультрафиолетового излучения могут быть использованы для расчётов индекса УФ-радиации. Скажем, захотели вы позагорать в Москве, в Анапе или в Новосибирске – программа подскажет, когда это можно сделать безопасно, чтобы получить красивый загар, а не солнечные ожоги.

Материал подготовила Наталия Лескова.