Сотрудники Томского госуниверситета и Института мониторинга климатических и экологических систем СО РАН обнаружили синхронную реакцию электрического поля Земли и потока ультрафиолета на изменение формы облаков. Они впервые детально изучили, как десять основных форм облаков одновременно влияют на проницаемость атмосферы для ультрафиолетового излучения и на напряженность приземного электрического поля, сообщает пресс-служба ТГУ.
Наблюдения проводились в геофизической обсерватории института мониторинга, которая в этом году отметила 20-летие. Длинные ряды собранных данных позволили ученым сопоставить оптические и электрические характеристики атмосферы.
Специалисты проанализировали влияние перистых, кучевых, слоистых, кучево-дождевых и других типов облаков, а также дыма от лесных пожаров. Информацию о наличии дымовых шлейфов брали из спутникового зондирования, а типы облаков определяли по круглосуточным наблюдениям метеостанции в Томске. Ультрафиолетовое излучение измерялось в узком спектральном диапазоне около 380 нанометров.
«Этот участок интересен тем, что, с одной стороны, УФ-излучение здесь значительно слабее поглощается озоновым слоем, чем на более коротких длинах волн, а с другой — оно существенно рассеивается (ослабляется) облачными и аэрозольными частицами», — объяснил ведущий научный сотрудник ИМКЭС СО РАН, старший научный сотрудник лаборатории анализа данных физики высоких энергий ТГУ, кандидат физико-математических наук Константин Пустовалов.
Исследователи разделили все наблюдаемые события на три категории. К первой отнесли условия хорошей погоды с минимальными помехами, ко второй — ситуации с дымовыми шлейфами в тропосфере, к третьей — всю облачность, поделенную на десять основных морфологических типов. Требовалось установить, насколько принципиально различается изменчивость величин при разных формах облаков и как эти величины коррелируют между собой.
Наиболее предсказуемо и сильно на оба параметра повлияли кучево-дождевые, слоисто-дождевые и высокослоистые облака. Значимый вклад внесли также слоисто-кучевые и кучевые облака из-за их внушительной вертикальной мощности. Однако настоящим сюрпризом стали облака верхнего яруса.
«К нашему огромному удивлению, относительно безобидные облака верхнего яруса, например перистые, несмотря на их большую высоту над поверхностью Земли и небольшую вертикальную мощность, тоже оказывают статистически значимое влияние как на электрическое поле, так и на поток ультрафиолетового излучения», — рассказал Пустовалов.
Выяснилось, что любые формы облаков и высокая аэрозольная нагрузка от лесных пожаров понижают напряженность приземного электрического поля. Если в томской местности летом характерны фоновые значения порядка 200–250 В/м, то при мощной кучево-дождевой облачности они падают почти до нуля и даже могут уходить в отрицательную область. Поток ультрафиолета в таких условиях тоже снижается.
Ученые зафиксировали четкую корреляцию между этими параметрами, хотя природа у них абсолютно разная. Электрическое поле относится к области электростатики, а пропускание ультрафиолета — к оптике. Прямой связи между ними быть не может, однако их реакция на наличие в воздухе аэрозольных частиц, капель и кристаллов облаков оказалась синхронной.
Обнаруженные закономерности открывают путь к практическому применению. Зная соотношение изменчивости этих двух величин, можно создать системы для автоматической диагностики состояния атмосферы. Это особенно актуально для Сибири, где сеть метеостанций очень редкая — расстояние между ними часто превышает сто километров, а стандартные наблюдения проводятся лишь раз в три часа. Новые методы позволят в режиме реального времени фиксировать появление облаков и дымовых шлейфов без прямого участия человека. Разработка таких алгоритмов уже ведется в лаборатории физики климатических систем ИМКЭС СО РАН.
Еще одно перспективное направление — оценка электрических характеристик облаков. Их прямые измерения технически сложны и дороги, а к грозовым кучево-дождевым облакам авиации запрещено приближаться даже на десять километров. Пролет самолета рядом с объектом неизбежно искажает его свойства.
«Полученные нами оценки могли бы позволить разработать метод дистанционной косвенной оценки свойств облаков с поверхности Земли в дополнение к уже существующим дистанционным методам. Пока это скорее планы на будущее, но мы надеемся, что нам удастся продвинуться в этом направлении», — отметил ученый.
Кроме того, выявленные закономерности планируется встроить в модели глобальной электрической цепи. В хорошую погоду ток направлен от ионосферы к Земле, однако иногда заряды движутся в обратном направлении. Считается, что такой подзарядке ионосферы могут способствовать облака, а не только грозовые, и новые данные помогут прояснить этот процесс. Как подчеркивают авторы, обсерватория ИМКЭС СО РАН остается единственным пунктом регулярных наблюдений за электрическими характеристиками атмосферы на территории Западной и Центральной Сибири, а накопленные за десятилетия детальные ряды данных позволяют проводить подобные масштабные исследования.
