Atogrąžų debesyse aptiktas pavojingas „turbo režimas“: mokslininkai pagaliau suprato, kas juos išaugina iki monstrų

Atogrąžų perkūnijos kartais sustiprėja taip greitai, kad net pažangūs orų modeliai nespėja tiksliai numatyti, kiek lietaus, žaibų ar stiprių vėjo gūsių jos atneš. Iš pirmo žvilgsnio debesis tėra vandens lašelių sankaupa, tačiau jo viduje vyksta sudėtingi procesai, galintys per trumpą laiką paprastą kamuolinį debesį paversti milžinišku audros bokštu.

Tarptautinė tyrėjų komanda aptiko atmosferos sąlygas, kurios gali paaiškinti vieną seniai mokslininkus gluminusį reiškinį. Paaiškėjo, kad kai kuriuose švariuose tropiniuose debesyse vandens garų persotinimas gali būti gerokai didesnis, nei manyta anksčiau. Tokiomis aplinkybėmis net mažos ore sklandančios aerozolio dalelės gali tapti papildomais debesų lašelių formavimosi centrais ir prisidėti prie spartesnio debesies augimo.

Tai dar nėra galutinis įrodymas, kad dulkės, jūros druska ar taršos dalelės tiesiogiai sustiprina audras. Tačiau mokslininkai pirmą kartą gavo tvirtų duomenų, rodančių, kad atmosferoje iš tikrųjų susidaro tam būtinos fizinės sąlygos. O tai gali pakeisti ne tik supratimą apie tropines perkūnijas, bet ir būdą, kuriuo prognozuojami ekstremalūs orai.

Kas yra vandens garų persotinimas ir kodėl jis toks svarbus?

Ore nuolat yra vandens garų, tačiau jų kiekis priklauso nuo temperatūros. Šiltesnis oras gali išlaikyti daugiau drėgmės, o vėsdamas pasiekia ribą, kai vandens garai pradeda kondensuotis į mažyčius lašelius. Kai ore garų susikaupia daugiau, nei įprastai galėtų išlikti dujinės būsenos, susidaro persotinimas.

Įprastomis sąlygomis šis perteklius būna nedidelis. Vandens garai greitai kondensuojasi ant ore esančių dalelių, vadinamų debesų kondensacijos branduoliais. Jais gali tapti jūros druska, mineralinės dulkės, dūmų dalelės ar kitos mikroskopinės medžiagos. Aplink šiuos branduolius formuojasi debesų lašeliai, iš kurių vėliau gali susidaryti lietus.

Naujajame tyrime užfiksuotas maždaug 10 procentų persotinimas yra neįprastai didelis. Tai reiškia, kad kylantis oras trumpam išlaikė gerokai daugiau vandens garų, nei tikėtasi pagal ankstesnius stebėjimus. Tokiomis sąlygomis net labai smulkios dalelės, kurios paprastai nepradėtų formuoti lašelių, gali tapti aktyvios. Debesyje ima rastis daugiau lašelių, o kartu išsiskiria daugiau kondensacijos šilumos.

Debesį maitina nematoma šiluma

Kai vandens garai kondensuojasi į skystus lašelius, išsiskiria vadinamoji latentinė šiluma. Nors žmogus jos tiesiogiai nejaučia, atmosferoje ji veikia kaip papildomas energijos šaltinis. Oras sušyla, tampa lengvesnis ir kyla dar greičiau.

Taip gali susidaryti savotiška teigiamo grįžtamojo ryšio grandinė. Kylantis oras vėsta, vandens garai kondensuojasi, išsiskiria šiluma, o ši dar labiau sustiprina aukštyn kylantį srautą. Debesis auga aukštyn, įtraukia daugiau drėgno oro ir gali greitai virsti galinga konvekcine sistema.

Jeigu tokiame debesyje papildomos aerozolio dalelės tampa naujų lašelių branduoliais, kondensacijos procesas gali paspartėti. Teoriškai tai reiškia daugiau išskiriamos šilumos, stipresnes vertikalias oro sroves ir didesnę tikimybę, kad debesis išaugs iki labai aukšto audros bokšto.

Būtent tokie debesys gali sukelti smarkias liūtis, intensyvų žaibavimą, škvalus ir kitus pavojingus reiškinius. Tačiau mechanizmas nėra vienodas visais atvejais. Kartais didesnis lašelių skaičius gali net sulėtinti kritulių formavimąsi, todėl aerozolių poveikis debesims išlieka viena sudėtingiausių atmosferos mokslo temų.

Kodėl šio reiškinio anksčiau nepavyko aiškiai užfiksuoti?

Mokslininkai jau seniai svarstė, kad stiprus persotinimas galėtų suteikti aerozoliams galimybę aktyviau dalyvauti debesų formavimosi procese. Problema buvo ta, kad realiuose stebėjimuose tokios sąlygos beveik nepasitaikydavo.

Daugelis ankstesnių tyrimų buvo atliekami užterštuose regionuose, kuriuose ore jau buvo daug aerozolio dalelių. Kai dalelių labai daug, vandens garai pasiskirsto tarp daugybės susidarančių lašelių ir persotinimo lygis greitai sumažėja. Todėl itin aukštų verčių užfiksuoti nepavykdavo.

Kita dalis stebėjimų buvo atliekama ne tokiuose galinguose debesyse, kuriuose aukštyn kylantis oras judėjo lėčiau. Tokiu atveju vėsimas ir kondensacija vyksta tolygiau, todėl vandens garų perteklius nespėja susikaupti iki neįprastai aukšto lygio.

Naujasis tyrimas sutelkė dėmesį į švarius vandenyno debesis, kuriuose aerozolio dalelių buvo palyginti nedaug, tačiau oro srautai kilo labai greitai. Tokia kombinacija pasirodė esanti tinkama ekstremaliam persotinimui susidaryti.

Lemiamus duomenis surinko NASA tyrimų lėktuvas

Tyrėjai analizavo 2019 metais vykdytos NASA orlaivio misijos duomenis. Lėktuvas skrido virš Filipinų ir aplinkinių Ramiojo vandenyno teritorijų, kirsdamas tropinius konvekcinius debesis ir matuodamas jų vidaus sąlygas.

Orlaivyje įrengti prietaisai fiksavo aukštyn kylančio oro greitį, debesų lašelių dydį, jų skaičių, temperatūrą, drėgmę ir kitus parametrus. Tokie skrydžiai nėra paprasti, nes tyrimų lėktuvas turi priartėti prie aktyvių audros zonų ir rinkti duomenis ten, kur vyksta stipriausi procesai.

Analizė parodė, kad kai kuriuose debesyse vandens garų persotinimas siekė apie 10 procentų. Tai gerokai daugiau nei vertės, kurios dažniausiai buvo fiksuojamos ankstesniuose tyrimuose. Didžiausi skaičiai pasirodė būtent švariuose vandenyno debesyse, kuriuose buvo stiprios vertikalios oro srovės ir palyginti nedaug jau susiformavusių lašelių.

Dar svarbiau tai, kad panašius rezultatus nepriklausomai gavo kita tyrėjų grupė, stebėjusi debesis prie Teksaso ir Luizianos pakrančių. Ten kai kuriais atvejais užfiksuotas maždaug 11 procentų persotinimas. Du nepriklausomi matavimų rinkiniai sustiprino argumentą, kad tokios sąlygos nėra vien atsitiktinė prietaisų klaida ar vieno regiono keistenybė.

Mažiau lašelių kartais reiškia daugiau galimybių audrai sustiprėti

Iš pirmo žvilgsnio gali atrodyti, kad debesis, kuriame mažiau lašelių, turėtų būti silpnesnis. Tačiau būtent mažas pradinių lašelių skaičius gali leisti vandens garams ilgiau kauptis ore.

Kai kondensacijos branduolių nedaug, garų perteklius nespėja iš karto virsti lašeliais. Jeigu tuo pat metu oras kyla labai greitai ir sparčiai vėsta, persotinimo lygis gali išaugti. Tik tada pradeda aktyvuotis mažesnės aerozolio dalelės, kurios įprastomis sąlygomis liktų nuošalyje.

Staiga debesyje gali susidaryti daug naujų lašelių. Jų formavimosi metu išsiskirianti šiluma dar labiau sustiprina vertikalius srautus. Tokiu būdu iš pradžių gana švarus debesis gali pereiti į daug aktyvesnę augimo fazę.

Šis procesas primena variklį, kuris kurį laiką veikia ramiai, tačiau pasiekęs tam tikrą ribą gauna papildomą kuro porciją. Skirtumas tik tas, kad debesyse „kuras“ yra vandens garai, o variklį suka kondensacijos metu išsiskirianti šiluma.

Debesų tipai

Ar oro tarša gali sustiprinti tropines audras?

Būtent į šį klausimą mokslininkai kol kas neatsako kategoriškai. Tyrimas patvirtino, kad egzistuoja sąlygos, kuriomis papildomos aerozolio dalelės galėtų paveikti debesies vystymąsi. Tačiau jis dar neįrodė, kad dėl žmonių sukeltos taršos audros visada stiprėja.

Aerozoliai būna labai skirtingi. Jūros druska, dulkės, miškų gaisrų dūmai ar pramonės teršalai skiriasi dydžiu, chemine sudėtimi ir gebėjimu pritraukti vandenį. Vienos dalelės lengvai tampa debesų lašelių branduoliais, kitos tam tinkamos gerokai mažiau.

Be to, poveikis priklauso nuo atmosferos temperatūros, drėgmės, vėjo ir debesies vystymosi stadijos. Kai kuriais atvejais daugiau aerozolių gali paskatinti stipresnį vertikalų augimą, kitais – susmulkinti lašelius taip, kad lietus pradėtų formuotis lėčiau. Debesys nėra jungiklis, kurį tarša tiesiog perstumia į padėtį „stipresnė audra“.

Todėl naujojo tyrimo išvada atsargi, bet reikšminga. Fizinės sąlygos aerozolių sukeltam debesų stiprėjimui atmosferoje tikrai gali susidaryti, tačiau dar reikia tiesiogiai palyginti švarius ir užterštus debesis.

Kitas žingsnis – skristi tiesiai į skirtingus debesis

Tyrėjai planuoja naujas lauko ekspedicijas, per kurias bus lyginami švarūs vandenyno debesys ir oro taršos paveiktos tropinės sistemos. Bus siekiama nustatyti, kaip skiriasi jų lašelių struktūra, aukštyn kylančių srautų greitis, kritulių susidarymas ir žaibų aktyvumas.

Tokie tyrimai turėtų padėti atsakyti, ar papildomos dalelės iš tikrųjų sustiprina debesį, ar tik pakeičia jo vidinę struktūrą. Taip pat bus svarbu išsiaiškinti, ar poveikis išlieka visą audros gyvavimo laiką, ar pasireiškia tik trumpame augimo etape.

Vienas sudėtingiausių uždavinių bus atskirti aerozolių įtaką nuo kitų veiksnių. Du debesys gali būti visiškai skirtingi vien dėl nevienodos drėgmės, temperatūros ar vėjo, todėl paprastas palyginimas „švarus prieš užterštą“ ne visada duoda aiškų atsakymą.

Kodėl šis atradimas svarbus ne tik tropikams?

Tropinės audros vyksta toli nuo Lietuvos, tačiau jų tyrimai svarbūs visam pasauliui. Galingi konvekciniai debesys perneša didžiulius šilumos ir drėgmės kiekius, veikia pasaulinę atmosferos cirkuliaciją ir dalyvauja formuojant klimato sistemą.

Jeigu klimato modeliai netiksliai įvertina, kaip aerozoliai veikia debesis, jie gali klaidingai apskaičiuoti kritulių kiekį, audrų intensyvumą ir net dalį ilgalaikio atšilimo. Debesys gali ir vėsinti planetą, atspindėdami Saulės spindulius, ir šildyti ją, sulaikydami nuo Žemės sklindančią šilumą. Todėl net nedidelės jų savybių paklaidos ilgalaikiuose modeliuose gali turėti didelį poveikį.

Tikslesnis mechanizmo supratimas padėtų geriau prognozuoti ekstremalias liūtis, perkūnijas ir staigius potvynius. Tai tampa vis svarbiau regionuose, kuriuose intensyvūs krituliai kelia grėsmę miestams, žemės ūkiui ir transportui.

Mokslininkai rado ne galutinį atsakymą, o trūkstamą dėlionės dalį

Naujasis atradimas dar nereiškia, kad jau galima tiksliai pasakyti, kada mažos dalelės ore pavers tropinį debesį pavojinga audra. Tyrėjai kol kas patvirtino vieną labai svarbią prielaidą: atmosferoje gali susidaryti toks aukštas vandens garų persotinimas, kokio reikia papildomoms aerozolio dalelėms aktyvuotis.

Tai didelis žingsnis, nes anksčiau pats mechanizmas dažnai buvo laikomas teoriškai įmanomu, bet sunkiai patvirtinamu realiomis sąlygomis. Dabar mokslininkai žino, kad gamta iš tiesų gali sukurti tokį „debesų stiprintuvą“.

Toliau reikės išsiaiškinti, kaip dažnai jis įsijungia, kiek ilgai veikia ir ar žmonių sukelta tarša gali pastebimai pakeisti audrų intensyvumą. Atsakymas gali būti nepatogiai sudėtingas, tačiau būtent tokie tyrimai padeda geriau suprasti, kodėl vieni debesys ramiai išlyja, o kiti per trumpą laiką išauga į atmosferos monstrus.