1 кубический метр — объем, в котором ученые заперли самую непредсказуемую силу природы

В Брукхейвенской национальной лаборатории в США собрали установку, которую сами исследователи называют «облако в коробке». Это камера объёмом около 1 кубического метра, где можно буквально вырастить облако и наблюдать за ним в контролируемых условиях. Команда рассчитывает, что такой инструмент поможет разобраться с вопросами, которые десятилетиями остаются спорными в метеорологии.

Конструкция выглядит просто только на словах. Внизу находится нагреваемая водяная плита, сверху — охлаждаемая панель. Когда тёплый влажный воздух поднимается снизу, а холодный насыщенный влагой опускается сверху, внутри создаётся зона пересыщения. Это состояние, при котором относительная влажность превышает 100%. В обычной жизни мы редко задумываемся о такой цифре, но для рождения облака она принципиальна: только в пересыщенной среде водяной пар начинает активно конденсироваться в капли.

Во время первого эксперимента учёные отрегулировали температуру и влажность так, чтобы запустить конвекцию — то есть естественное перемешивание тёплых и холодных потоков воздуха. Затем в камеру вводили аэрозольные частицы, например мельчайшие кристаллы соли. В атмосфере такие частицы служат своеобразной «затравкой»: на них оседает водяной пар, образуя микрокапли. Чтобы увидеть, что происходит, через камеру пропустили тонкий лист зелёного лазерного света. В луче стало видно, как из невидимого пара формируется облачная структура.

Для лаборатории, где обычно исследователи имеют дело лишь с приборами и графиками, это редкий случай, когда физический процесс разворачивается на глазах.

Зачем вообще нужна такая сложная установка? Облака регулируют, сколько солнечной энергии достигает поверхности Земли и сколько тепла уходит обратно в космос. От них зависит водный цикл, формирование осадков и штормов. При этом микрофизика облаков остаётся одним из самых слабых мест в климатических и погодных моделях. Например, до сих пор нет окончательного ответа, почему одни тёплые облака дают морось или дождь, а другие — нет. Как именно микроскопические капли начинают объединяться и расти до размеров, при которых они уже падают вниз, а не парят в воздухе, остаётся предметом споров.

В камере процесс выглядит так: водяной пар конденсируется на аэрозольных частицах, образуя крошечные капли. Они увеличиваются за счёт дальнейшей конденсации и столкновений друг с другом. В реальной атмосфере на этот процесс влияют турбулентность, распределение частиц, вертикальные потоки. В лаборатории можно варьировать каждый параметр отдельно и смотреть, как меняется поведение облака.

Одна из сильных сторон установки — возможность поддерживать турбулентное облако в стационарном состоянии в течение нескольких часов. По словам учёного Фань Яна, это позволяет многократно измерять одни и те же характеристики и получать статистически надёжные данные. Боковые панели камеры можно переставлять, меняя внутренние потоки и имитируя разные слои атмосферы.

Исследователи параллельно разрабатывают методы наблюдения, которые не нарушают воздушные потоки внутри камеры. Вставлять датчики в облако — значит искажать его структуру. Поэтому команда делает ставку на оптические методы. Планируется использовать флуоресцентный краситель для разметки аэрозольных частиц и отслеживать их превращение в капли под лазерной подсветкой. Лидар сантиметрового масштаба будет строить карту облачной структуры, а разрабатываемый терагерцевый радар должен фиксировать самые ранние признаки мороси и измерять скорость падения капель.

Конструкция модульная. Её можно нарастить по вертикали, увеличив объём и продлив жизнь облака внутри камеры. Это открывает возможность изучать не только начальные стадии образования капель, но и более развитые процессы, вплоть до формирования осадков.

Помимо фундаментальных задач, у установки есть и прикладной потенциал. С её помощью можно проверять, как погодные условия влияют на энергетическую и телекоммуникационную инфраструктуру, а также исследовать перенос биоаэрозолей (пыльцы, спор или патогенов) в облачной среде.

Фактически учёные просто заперли фрагмент атмосферы в лаборатории. Теперь задача — превратить эффектный момент рождения облака в массив точных данных, которые помогут уточнить модели погоды и климата и разобраться с тем, как именно из невидимого водяного пара появляется дождь.