Переворот в понимании гроз: как конвекция меняет полярность электрических разрядов?

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com
| Рассуждения | Наука и космос

Грозовые облака, достигающие стратосферы, — это не просто источник дождя и молний. В их верхних слоях разыгрываются сложные электрические процессы, приводящие к появлению необычных явлений, таких как голубые короны, стартеры и джеты. Эти кратковременные, но мощные вспышки синего света, поднимающиеся на десятки километров в высоту, до сих пор остаются малоизученными. Понимание механизмов их возникновения важно не только для фундаментальной науки, но и для оценки их влияния на химический состав атмосферы и, как следствие, на климат.

Одним из ключей к разгадке природы голубых вспышек являются узкополосные биполярные события (NBE) — короткие радиоимпульсы, регистрируемые специальной аппаратурой. NBE считаются электромагнитным проявлением голубых разрядов и предоставляют ценную информацию о процессах, происходящих в вершинах грозовых облаков.

Грозовые тучи, иллюстрация
Автор: ИИ Copilot Designer//DALL·E 3 Источник: www.bing.com

Исследование, проведенное во время тропического шторма «Хайтан» у побережья Китая, позволило ученым собрать уникальный набор данных о NBE. С помощью наземной сети датчиков было зарегистрировано 982 NBE отрицательной и 310 NBE положительной полярности. При этом обнаружилась четкая зависимость между распределением полярности NBE и высотой их источника: отрицательные NBE концентрировались в верхней части облаков, проникающих в стратосферу, а положительные — на более низких уровнях.

a Температура верхней облачности и местоположение молний в тропическом шторме в 18:00 UTC 30 июля 2017 года. Местоположение получено из комбинации местной грозовой сети и GLD360. Тропопауза определена по профилю температуры, полученному по данным радиозондирования в точке, расположенной примерно в 100 км от шторма в 00:00 UTC 31 июля 2017 г.; трек и интенсивность шторма показаны голубым цветом, а розовыми кругами — тропическая депрессия и шторм. В зеленом треугольнике представлены наземные станции ОНЧ/НЧ-излучения молний. GZ означает станцию Гуанчжоу (23.57° с.ш., 113.61° в.д.); TX — станцию Тунси (29.70° с.ш., 118.28° в.д.); WH — станцию Ухань (30.51° с.ш., 114.50° в.д.); HF, HB и JS означают станцию Хэфэй (31. 84° с.ш., 117.27° в.д.), станция Хуайбэй (33.98° с.ш., 116.91° в.д.) и станция Цзяшань (32.81° с.ш., 118.27° в.д.) соответственно. b Вертикальный профиль радиолокационной отражательной способности вдоль 23.25° северной широты в 18:00 UTC. Радарные наблюдения в S-диапазоне получены со станции Шаньтоу (23,24° с.ш., 116,89° в.д.) на расстоянии около 100 км от шторма (см. «Методы»). c Отрицательный радиосигнал NBE был зарегистрирован четырьмя удаленными ОНЧ/НЧ станциями. Сплошная красная линия представляет собой зависимость прихода волны отражения от расстояния при условии, что высота отражения в слое D ионосферы находится на высоте 85 км, а высота источника NBEs составляет 19,5 км. Цитирование: Liu, F., Neubert, T., Chanrion, O. et al. Polarity transitions of narrow bipolar events in thundercloud tops reaching the lower stratosphere. Nat Commun 15, 7344 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-51705-y
Автор: Liu, F., Neubert, T., Chanrion, O. et al. Источник: www.nature.com

Более того, анализ временной динамики показал, что доминирующая полярность NBE менялась в течение шторма, следуя за развитием грозовых ячеек. Такая корреляция указывает на тесную связь между электрическими процессами в облаке и его динамикой.

Параллельно с наблюдениями NBE проводился мониторинг свойств облаков с помощью метеорологического спутника Himawari-8 и наземного метеорологического радара. Было установлено, что периоды повышенной активности отрицательных NBE совпадали с появлением перистых шлейфов над вершинами облаков (AACPs). AACPs — это облака, состоящие из ледяных кристаллов и водяного пара, которые формируются в результате интенсивного подъема воздушных масс в стратосферу. Они являются индикаторами мощных конвективных процессов и играют важную роль в переносе влаги в стратосферу.

a Позиции обеих полярностей НБЭ наложены на температуру верхушки облаков в 17:20 UTC. Красным '' показаны положительные НБЭ, синим '' - отрицательные НБЭ. Показаны НБЭ в пределах 5 минут от времени. Теплая область, ограниченная более холодной ИК-температурой, интерпретируется как AACPs. b Тот же вид с увеличением области NBEs. c, d Вертикальное сечение радарного профиля вдоль вспышки NBEs в 17:15 UTC и 17:21 UTC, соответственно. e Сравнение вариаций высоты NBEs и температуры вершины облака. Серая линия представляет высоту НБЭ в среднем за 10 минут. Синяя и оранжевая линии представляют среднюю температуру вершины облака в месте расположения NBEs и максимальную температуру AACP за 10 мин, соответственно. f Изменения площади вершины облака в различных температурных диапазонах и пропорциях полярности NBEs. Для расчета взята площадь на Дополнительном рис. 2. (см. оригинальное исследование) Цитирование: Liu, F., Neubert, T., Chanrion, O. et al. Polarity transitions of narrow bipolar events in thundercloud tops reaching the lower stratosphere. Nat Commun 15, 7344 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-51705-y
Автор: Liu, F., Neubert, T., Chanrion, O. et al. Источник: www.nature.com

Радарные данные позволили детально изучить связь между полярностью NBE и фазами развития конвекции внутри грозового облака. Выяснилось, что вспышки положительной полярности чаще возникают на стадии усиления восходящего потока, когда вершина облака поднимается выше тропопаузы. Напротив, отрицательные NBE преобладают на стадии затухания конвекции, когда подъем ослабевает. Этот факт противоречит распространенному мнению о том, что отрицательные NBE связаны исключительно с активной фазой конвекции.

Для объяснения наблюдаемых закономерностей ученые предложили концептуальную модель, основанную на классических представлениях о механизмах электризации грозовых облаков. Согласно этой модели, восходящие потоки воздуха поднимают вверх мелкие ледяные кристаллы, а более крупные и тяжелые градины опускаются вниз. При столкновении кристаллов с градинами происходит разделение зарядов: кристаллы приобретают положительный заряд, а градины — отрицательный. В результате в облаке формируются слои с разной полярностью заряда.

a Нормально наэлектризованное грозовое облако с верхним положительным зарядом кристаллов льда и основным отрицательным зарядом граупелей. b Необходимое распределение зарядов для доминирующих положительных НБЭ на стадии апвеллинга при сильной конвекции ОТ. Положительные НБЭ возникают внутри облака между средним слоем отрицательного заряда и верхним слоем положительного заряда. Размер красной стрелки отражает силу восходящего потока, а синей — нисходящего. c Необходимое зарядовое состояние для возникновения отрицательных НБЭ на стадии затухания ОТ. Разряд отрицательных НБЭ начинается в верхней области облака между верхним положительным и отрицательным слоем экранного заряда. Цитирование: Liu, F., Neubert, T., Chanrion, O. et al. Polarity transitions of narrow bipolar events in thundercloud tops reaching the lower stratosphere. Nat Commun 15, 7344 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-51705-y
Автор: Liu, F., Neubert, T., Chanrion, O. et al. Источник: www.nature.com

Интенсивность восходящего потока влияет на высоту расположения заряженных слоев, что в свою очередь определяет условия для возникновения NBE разной полярности. В частности, сильный восходящий поток поднимает отрицательно заряженные градины на большую высоту, приближая их к положительно заряженному слою в верхней части облака. Это создает условия для возникновения положительных NBE. При ослаблении восходящего потока градины опускаются, увеличивая расстояние между заряженными слоями. В этом случае становятся более вероятными отрицательные NBE, возникающие между верхним положительным слоем и слоем экранирующих зарядов.

Предложенная модель, хотя и является упрощенной, позволяет объяснить наблюдаемую связь между динамикой грозы и полярностью NBE. Дальнейшие исследования, включающие более детальное моделирование процессов электризации и анализа данных наблюдений, помогут уточнить эту модель и получить более полное представление о механизмах генерации голубых вспышек и их влиянии на атмосферу.

Сейчас на главной

Новости

Публикации

Что значит символ доллара «$» и почему он выглядит именно так

Символ доллара «$» — один из самых узнаваемых знаков в мире, обозначающий американскую валюту, а также другие валюты, использующие это же обозначение, например, канадский доллар,...

Обзор SMSL RAW MDA-1: стационарный ЦАП с двумя парами SPDIF и усилителем для наушников

Поскольку не все ещё оценили удовольствие, которое можно получить от связки из ЦАПа и полноценного усилителя для наушников, любимая мною компания SMSL выпускает и решения всё-в-одном. Сегодня мы...

Исследования показали: тяжелое одеяло полезнее современных легких

В последнее время я стала замечать, что моя дочь, приезжая домой на выходные после учебы, всегда просит дать ей тяжелое шерстяное одеяло, сшитое моей бабушкой. Это одеяло — теплое,...

Как расшифровать маркировку пилок для лобзиков. Подробное руководство по типам, шагу зубьев и назначению

При выборе пилки для лобзика важно понимать маркировку, состоящую из комбинации букв и цифр, например, T101B или T345XF. Этот код несет информацию о типе хвостовика, длине, шаге зубьев, форме...

Марсианский Эдем: сможем ли мы вырастить лес на Красной планете?

Завораживающая идея терраформирования Марса, превращения его в подобие Земли, будоражит умы ученых и фантастов уже не одно десятилетие. Одним из ключевых этапов этого грандиозного проекта является...