اگر تا به حال سوار هواپیما شده باشید، احتمالاً منظره بالای ابرها را دیدهاید؛ معمولاً سفید و پفدار با بخشهایی آبیـخاکستری. اما فیزیک شکلگیری این سطح ابرها سالها برای دانشمندان معما بود.
در آزمایشگاه ملی بروکهِیون در لانگآیلند نیویورک، پژوهشگران نوع جدیدی از لیدار، یعنی دستگاه سنجش از دور مبتنی بر لیزر، ساختهاند. این لیدار جزئیات بسیار ریز ساختار ابرها را با دقتی در حد حدود یک سانتیمتر ثبت میکند؛ دقتی که بین ۱۰۰ تا ۱۰۰۰ برابر بیشتر از ابزارهای معمول است. در مطالعهای که نتایج آن در Proceedings of the National Academy of Sciences منتشر شده، پژوهشگران بروکهِیون این لیدار را با آزمایشهای اتاقکهای کنترلشده ترکیب کردند.
این پژوهش برای نخستین بار توصیف آزمایشی دقیقی ارائه میدهد که میتواند ساختارهای آبی در بخش بالایی و درونی ابرها را از هم تفکیک کند؛ ساختارهایی که به گفته پژوهشگران تعیین میکنند ابرها چگونه تکامل پیدا میکنند، بارش میسازند و بر توازن انرژی زمین اثر میگذارند.
به گفته محققان، لیدار جدید تصاویر «فوقالعاده با وضوح بالا» از پویایی ابرها ارائه میدهد. این دستگاه حتی توانایی شناسایی و شمارش فوتونهای منفرد ــ ذرات بیجرمی که حامل نور هستند ــ را دارد؛ فوتونهایی که پس از برخورد پالسهای لیزری فوقسریع به ابر از آن خارج میشوند.
سپس یک الگوریتم نمونهبرداری داده، این سیگنالهای فوتونی را به نمایهای از ساختار ابر تبدیل میکند. فان یانگ، نویسنده اصلی مطالعه و پژوهشگر بروکهِیون، در بیانیهای گفت این لیدار «در اصل میکروسکوپی برای ابرها» است.
پژوهشگران دستگاه خود را به اتاقک ابرسازی در میشیگان بردند؛ جایی که میتوانستند ابرها را در دما و رطوبت دلخواه بهطور مصنوعی ایجاد کنند. این کار به آنها امکان داد فیزیک دقیق نحوه پراکندگی قطرههای آب در سراسر یک ابر را ثبت کنند.
آنها دریافتند مدلهای موجود در توصیف فیزیک ابرها دقت کافی ندارند. اندازهگیریهای لیدار نشان داد در بخش بالایی ابر، پراکندگی قطرهها بسیار متغیر است، در حالی که در بخشهای دیگر ابر این پراکندگی یکنواختتر است.
پژوهشگران معتقدند این پدیده به دو فرایند «اختلاط» و «رسوبگذاری» مربوط است. در اختلاط، هوای خشک و صاف بالای ابر به سمت پایین کشیده میشود و باعث ایجاد پراکندگی لکهلکه قطرهها در لایه بالایی ابر میشود. همزمان، رسوبگذاری قطرهها را بر اساس اندازه مرتب میکند؛ بهطوریکه قطرههای سنگینتر سریعتر از قطرههای سبکتر به درون ابر فرو میافتند.
در بخش درونی و ضخیم ابر معمولاً آشفتگی شدیدی وجود دارد و همین باعث میشود قطرهها سریع با هم مخلوط شوند و توزیعی یکنواخت پیدا کنند. در مقابل، در بالای ابر شدت آشفتگی بسیار کمتر است و فقط قطرههای کوچکتر میتوانند در آن ناحیه معلق بمانند.
یانگ توضیح داد که بسیاری از مدلهای جوی یا رسوبگذاری قطرهها را نادیده میگیرند یا برای قطرههای با اندازههای مختلف تنها یک سرعت سقوط در نظر میگیرند. او گفت این سادهسازی در بخشهای درونی ابر که آشفتگی شدید است قابل قبول است، اما در نزدیکی بالای ابر که آشفتگی ضعیفتر است دیگر جواب نمیدهد.
پژوهشگران در مقاله تأکید میکنند که این یافتهها پیامدهای مهمی برای علم جو دارد. به گفته یانگ، نمایش نادرست فیزیک بالای ابر میتواند «عدمقطعیت قابل توجهی» در پیشبینی مدلها درباره اینکه ابرها چگونه نور خورشید را بازتاب میدهند و چگونه بارش را آغاز میکنند ایجاد کند.
پژوهشگران امیدوارند این لیدار در آینده بتواند علاوه بر بهبود مدلهای فعلی، برای اندازهگیری مستقیم ابرها در جو واقعی هم به کار برود. آنها میگویند اتاقکهای ابرسازی هنوز بازنمایی کاملی از پویایی واقعی ابرها نیستند، هرچند پیشرفتهای فناوری باعث شده پژوهشگران به شکل چشمگیری به شرایط واقعی نزدیک شوند.
