Команда физиков спроектировала кубический метр управляемой атмосферы, чтобы поймать самую коварную переменную в климатических моделях.
В одной обычной лаборатории Брукхейвенского национального исследовательского центра собралась команда ученых и инженеров. Они столпились вокруг рабочей станции и смотрели на маленькие светящиеся точки в зеленом луче лазера. Эти точки закружились, превратились в дымку, а затем — в крошечное облачко. Все это происходило внутри камеры, которую они спроектировали и собрали с нуля.
Артур Седлачек, атмосферный физик, до сих пор с теплотой вспоминает тот момент: они увидели рождение облака. В комнате раздались возгласы восторга, облегчения и радости. Тишина в лаборатории кончилась в ту же секунду. Теперь у исследователей есть новый инструмент — конвекционная камера облаков, металлический куб объемом ровно один кубический метр. Внутри можно менять все параметры атмосферы, чтобы разобраться в фундаментальных загадках, которые до сих пор прячутся за обычными облаками.
На первый взгляд, облака кажутся простыми и даже наивными — белые пушистые барашки, плывущие над головой. Но для климатологов и метеорологов это одна из самых головных болей. Ни одна модель погоды или глобального климата не обходится без огромной погрешности, связанной именно с облаками. Ученым известно, что они управляют водным циклом, влияют на то, сколько солнечного тепла доходит до земли или отражается обратно в космос, запускают бури и определяют, насколько свирепыми станут ураганы. Но как именно это происходит на микроскопическом уровне — физика процессов внутри облака — до сих пор остается во многом черным ящиком.
Седлачек объясняет это так:
Нужны повторяемые и контролируемые эксперименты, чтобы вычленить главные механизмы.
Например, одна из старых загадок их сообщества — почему в одних теплых облаках начинается морось или дождь, а в других нет. Ведь условия вроде бы одинаковые, а результат разный. Попытки изучать это в природе, пролетая сквозь облака на специально оборудованных самолетах, дают лишь обрывки информации. К тому же, пока самолет разворачивается для второго захода, облако уже успевает измениться до неузнаваемости. Новая камера дает шанс замедлить время и разобраться в деталях.
Фан Ян, коллега Седлачека, подчеркивает, что эта установка позволяет изолировать отдельные процессы и изучать их строго, без помех.
Можно имитировать настоящие атмосферные облака в лабораторных условиях и проводить измерения снова и снова, добиваясь статистической точности.
Как же устроено это облако в ящике? Секрет в трех компонентах: пересыщенный водяным паром воздух и аэрозольные частицы — те самые крошечные пылинки, на которых влага конденсируется. Сначала ученые наливают воду в поддон на дне камеры и нагревают его. Вода испаряется, и теплый пар начинает подниматься вверх. А верхняя панель камеры, наоборот, холодная. Когда влажный теплый воздух встречается с холодным, возникает область, где влажность переваливает за сто процентов — это состояние и называется пересыщением. Именно в такой среде облака и рождаются. Чтобы запустить процесс, в камеру впрыскивают соль или другие частицы. Они служат затравкой: на них тут же оседает вода, образуя крошечные капельки. В пересыщенной атмосфере эти капли продолжают расти, и в конце концов наступает равновесие между размером капли и влажностью.
Главное преимущество этой камеры перед другими типами в том, что она поддерживает турбулентность. Облако внутри может клубиться часами, оставаясь в устойчивом состоянии. Это дает возможность проводить замеры многократно, а значит, получать надежные данные. Камера собрана из отдельных нагревающихся и охлаждающихся панелей. Меняя их расположение, можно создавать сложные и разнообразные облачные структуры. Ученые могут регулировать влажность, температуру, степень перемешивания воздуха и даже турбулентность. Кроме того, они могут менять состав и размер аэрозольных частиц и изучать, как все эти факторы влияют на размер капель и на то, как долго облако сохраняет свою форму.
С точки зрения экспериментатора, у них в руках настоящий пульт управления атмосферой. Уже сейчас команда думает о том, чтобы подключить к этому процессу искусственный интеллект и машинное обучение. А модульная конструкция позволяет наращивать объем: если поставить сверху еще один куб, время жизни облака увеличится, и можно будет изучать уже не просто капли, а процесс формирования настоящих дождевых капель.
Но как заглянуть внутрь облака, не нарушив его хрупкого равновесия? Вот тут инженеры и физики проявили чудеса изобретательности. Они разрабатывают инструменты, которые видят все насквозь, ничего не касаясь и не искажая потоков воздуха. Например, они хотят метить аэрозольные частицы флуоресцентным красителем. Когда лазерный луч попадает на такую частицу, она загорается — и ученые видят, какие именно частицы превратились в облачные капли. Дальше в ход пойдет лидар — лазерный радар, который сможет разглядеть структуру облака с точностью до одного сантиметра. А чтобы поймать зарождение мороси и измерить скорость падения отдельных капель, они собираются использовать новейший терагерцовый радар.
История этой установки началась не с чертежей, а с долгих разговоров, набросков и мозговых штурмов. Идею удалось воплотить только благодаря тесному сотрудничеству ученых и инженеров из разных отделов лаборатории. Как говорит Седлачек, для такого дела нужны и теоретики, и наблюдатели, и экспериментаторы, и конструкторы — и именно это национальные лаборатории умеют делать лучше всего. Инженеры Конни-Роуз Дин и Натаниэль Спик-Мойер рассказывают, что все началось со встречи, на которой инженерный отдел показал свои возможности. Эта встреча переросла в совместный проект. Конструкция рождалась в бесконечных итерациях: инженеры учились у ученых, что им нужно, а ученые понимали, что технически возможно. Особенно сложной оказалась задача точного контроля температуры. В итоге весь процесс удалось выстроить так, что все нагреватели и охладители вынесли за пределы камеры, чтобы они не мешали измерениям. Многие детали изготовили прямо в мастерских лаборатории, что сэкономило бюджет и позволило быстро вносить правки.
Команда не скрывает, что опиралась на опыт коллег из Мичиганского технологического университета, у которых есть похожая установка — камера Pi Cloud Chamber. Профессор Рэймонд Шоу, который имеет совместную должность в Брукхейвене, участвовал в создании обеих установок. Он отмечает, что интерес к камерным экспериментам сейчас переживает ренессанс. Сообщество осознало, что без ответов на фундаментальные вопросы о взаимодействии аэрозолей и облаков невозможно улучшить компьютерные модели погоды. А лабораторный эксперимент дает именно те упрощенные, но чистые условия, где можно разобраться в сути.
Фан Ян добавляет:
Наша камера вобрала в себя десять лет накопленного опыта и знаний.
Он благодарит всех, кто участвовал в разработке концепции большой камеры для облаков, — это был совместный проект Министерства энергетики и Национального научного фонда.
Ученые смотрят на свое детище шире. Они готовы использовать его не только для метеорологии. Например, внутри можно изучать, как разные атмосферные условия влияют на работу энергетического или информационного оборудования, а также как ведут себя в воздухе биологические частицы — пыльца, споры или болезнетворные бактерии. Они приглашают коллег из самых разных областей предлагать нестандартные идеи.
До этой работы существовали лишь два пути: полеты в реальные облака и более простые камеры, которые не позволяли создавать турбулентность и долгоживущие облака. Работа Брукхейвена — это не революция, а важный качественный скачок. Они сделали установку, которая заполняет пробел между хаотичной природой и слишком упрощенной лабораторией. Их результат пока что лабораторный курьез: они научились делать облако по заказу и удерживать его часами. До выхода в реальную практику понимания дождеобразования еще далеко, но теперь у исследователей есть стенд, на котором можно проверять гипотезы без помех.
Самое слабое место исследования — масштаб. Один кубический метр — это не атмосфера. В реальности облака занимают кубические километры, и процессы в них зависят от горизонтальных потоков, которых в маленьком ящике просто нет. Воспроизводимость тоже может стать проблемой: стенки камеры влияют на движение частиц, и этот эффект трудно исключить при переносе данных в природные модели. Плюс, ученые пока могут создавать только теплые облака, а львиная доля климатических процессов связана с ледяными фазами. Есть риск, что эффекты, которые они обнаружат в ящике, в реальной атмосфере будут нивелированы другими факторами. Поэтому пока это скорее демонстрация метода, чем готовый ключ к разгадке.
Ранее ученые открыли двадцать первую форму льда.