Краткий причинно-следственный обзор
- Инициирование: подъём воздуха (восходящие потоки, фронты, орография, турбулентное перемешивание) вызывает адиабатическое охлаждение и рост относительной влажности — при достижении насыщения образуются конденсатные капли или кристаллы. Простейшая оценка скорости образования облачного конденсата через подъём:
$$\frac{d{q}_c}{dt}\approx -w\frac{\partial q_s(T,p)}{\partial z},$$ где $w$ — вертикальная скорость, $q_s$ — насыщенная удельная влажность.
- Микрофизика (капли/кристаллы): число и размеры частиц определяются концентрацией CCN/INP, путями образования (гомогенная/гетерогенная нуклеация), коалесценцией, дроблением и седиментацией. Эти процессы управляют осадкообразованием, оптической плотностью и времени жизни облака.
- Термодинамика подъёма и обратная связь: конденсация/кристаллизация выделяет скрытую теплоту, меняет буйность и усиливает/подавляет подъём. Буйность оценивается через виртуальную потенц. температуру:
$$B=g\frac{{\theta }_v^{\prime }-{\theta }_v}{{\theta }_v},$$ а влияние латентного тепла на температуру:
dTdt∣lat=Lcpdqvdt. \left.\frac{dT}{dt}\right|_{lat}=\frac{L}{c_p}\frac{dq_v}{dt}.
dtdT lat =cp L dtdqv .
- Радиация: излучение (коротковолновое и длинноволновое) меняет профиль температуры и стабильность. Особенно важна радиационная оттяжка верхней части слоистых облаков (cloud-top longwave cooling), которая может инициировать нисходящие потоки и турбулентное смешивание; также поглощение/рассеяние солнечного излучения внутри облака влияет на микрофизику через нагрев/охлаждение слоёв.
Взаимодействие — причинно-следственные петли
1. Подъём $\Rightarrow$ охлаждение $\Rightarrow$ нуклеация/конденсация $\Rightarrow$ выделение $L$ $\Rightarrow$ изменение буйности $\Rightarrow$ изменение вертикального движения (позит. или негатив. обратная связь).
2. Микрофизика $\Rightarrow$ размеры/число частиц $\Rightarrow$ осадки и седиментация $\Rightarrow$ удаление влаги и изменение вертикального распределения влаги/тепла $\Rightarrow$ модификация динамики.
3. Радиация $\Rightarrow$ локальное нагревание/охлаждение $\Rightarrow$ изменение градиента температуры/стабильности $\Rightarrow$ модуляция подъёма и конвекции $\Rightarrow$ изменённая нуклеация и микрофизика.
4. Аэрозоли (CCN/INP) избега́ют как «модуляторы» микрофизики и оптических свойств, тем самым косвенно влияя на радиацию и динамику (Twomey/Albrecht эффекты).
Особенности по высотным слоям (какие процессы доминируют)
- Нижний слой / пограничный (кумулятивные, стратиформные): доминируют турбулентность, смешивание/вентиляция, топово-лучистое охлаждение (для стратиформных облаков). Микрофизика управляет выпадением (drop coalescence), сильна чувствительность к CCN. Радиация — ключевой драйвер ночной трансформации (cloud-top cooling).
- Средние слои (альто-облака, смешанные фазы): роль больших-scale подъёмов и радиативных эффектов; смешанная фаза (жидкость + лёд) даёт сильные микрофизические обратные связи (замерзание даёт дополнительную теплоту). INP критичны для перехода в лед.
- Глубокая конвекция: динамика (конвективная неустойчивость, вертикальные потоки) — главный драйвер; микрофизика льда важна для осадкообразования, латентное тепло крайне существенно для интенсивности и структуре шторма. Радиация влияет медленнее, но может смещать средние условия и режимы облака.
- Циррусы / верхние слои: процессообразование определяется слабым подъёмом и нуклеацией льда (гомогенная при очень низких $T$ или гетерогенная на INP). Радиация (LW) определяет их баланс и влияние на теплообмен планеты; седиментация крупных кристаллов и микрофизика малых кристаллов определяют оптическую глубину.
Эксперименты и методики для выявления доминирующих механизмов
Общие принципы: сочетать прямые измерения (in‑situ), активные зондирующие системы (радары/лидары), радиационные измерения и контролируемые возмущения (аэрозольные или лабораторные).
1. Полевые кампании с самолётами + наземными сетями
- Инструменты: 2D‑/3D‑имиджеры частиц (CIP, 2D‑S), каплепроекторные счётчики (CDP), CCN/INP счётчики, точные гидрометеорологические датчики, доплеровские радары (Ka/W), облачные лидары, микроволновые радиометры для LWP/IWP.
- Что даст: пространственно‑временные профили распределения частиц и вертикальные скорости $w$, оценка латентного тепла по изменениям влагосодержания, определение режимов осадкообразования.
2. Радио/профилирующие эксперименты
- Массовые запуски радиозондов и дропсонды (в конвекции) для построения профилей температуры/влаги и параметров нестабильности; совместные измерения тепловых потоков и радиации (верх/низ).
- Диагностика: установить корреляцию между подъёмом/инверсией и образованием облаков; отличить динамическое инициирование от радиационно‑инициированного.
3. Наблюдения радиации + энергобаланс
- Измерять поток вверх/вниз $F_{\uparrow ,\downarrow }$ (SW/LW) вверху и внизу атмосферы; оценивать радиационную скорость охлаждения:
∂T∂t∣rad=−1ρcp∇⋅Frad. \left.\frac{\partial T}{\partial t}\right|_{rad}=-\frac{1}{\rho c_p}\nabla\cdot F_{rad}.
∂t∂T rad =−ρcp 1 ∇⋅Frad . - Диагностика: сильная cloud‑top LW‑охлаждение → турбулентная активация стримера и поддержание стратиформных облаков.
4. Контролируемые аэрозольные возмущения и наблюдения “ship‑track”
- Следить за реакцией облаков на локальную нагрузку CCN/INP (изменение размера капель, оптической толщины, осадкообразования, времени жизни).
- Позволяет выделить микрофизическую чувствительность.
5. Лабораторные камеры и камерные эксперименты
- Высокоточные испытания нуклеации воды/льда при заданных $T,p,v$, проверка ролей отдельных типов INP.
- Диагностика фундаментальной микрофизики без динамической и радиационной «шума».
6. Наблюдения с космоса + синергия
- Использовать CloudSat, CALIPSO, MODIS, GPM для статистики вертикальной структуры и осадков; спутниковая радиационная инверсия для определения вкладов cirrus/слоёв.
- Позволяет определить режимы по масштабу и частоте.
7. Целенаправленные эксперименты по высотным слоям (примерный набор)
- Нижний слой (страти/кумулусы): LES‑кампания с самолётом, профилями микротурбулентности, lidar+radar, измерения радиационной схемы — тестировать роль cloud‑top cooling vs. CCN.
- Средние слои: самолётные измерения INP/CCN + радары Ka/W для IWP и фазового состава; лабораторная проверка nucleation.
- Глубокая конвекция: дропсонды, доплеровские радары, встраивание микрофизики (ice habit, riming) — оценить влияние микрофизики на латентное тепло и структуру шторма.
- Верхние (cirrus): высоколетящие самолёты/баллоны с чувствительными детекторами малых кристаллов и INP; радиационные измерения LW.
Диагностические признаки доминирующих механизмов
- Динамика (термодинамика подъёма) доминирует, если образование облака чётко коррелирует с профилями $w$, CAPE/микростабильностью и латентный нагрев согласуется с усилением подъёма.
- Микрофизика доминирует, если изменения CCN/INP приводят к значительным изменениям осадкообразования, времени жизни и оптических свойств при прочих равных (контролируемые аэрозольные эксперименты).
- Радиация доминирует, если наблюдается сильное cloud‑top или облачный слой‑специфическое охлаждение/нагрев, запускающее или поддерживающее вертикальные потоки (особенно для широких стратифицированных облаков).
Короткий итог: формирование облаков — результат взаимодействия подъёма (создание условия насыщения), микрофизики (реализация конденсата/льда и осадков) и радиации (модуляция стабильности и турбулентности). Разные высотные слои по‑разному чувствительны к этим факторам; выявить доминирующие механизмы помогает сочетание in‑situ микрофизических измерений, профилирующих радаров/лидаров, радиационных наблюдений и контролируемых аэрозольных/лабораторных экспериментов.