Перистые облака не видны с Земли — они находятся на высоте 8—12 километров и относятся к облакам верхнего яруса. Эти облака состоят из кристаллов льда, способных менять положение в пространстве. И в зависимости от их ориентации может меняться количество солнечной энергии, поступающей в атмосферу Земли, а значит, эти кристаллы имеют самое прямое отношение к таким явлениям как погода и климат планеты.
Задача изучения перистых облаков занимает умы ученых уже давно. Рассеянный свет ведет себя в перистых облаках по-особому: если для жидкокапельных облаков можно применить теорию рассеяния света сферической частицей (эту задачу решил немецкий физик Густав Ми еще в 1908 году), то для облаков кристаллических таких теорий до сих пор не создано.
— Решить эту проблему важно для того, чтобы научиться составлять наиболее точные прогнозы погоды, — говорит Александр Коношонкин, сотрудник ТГУ и института оптики атмосферы СО РАН. — Хотя и сами облака представляют большой интерес. «Поведение» кристаллов льда, из которых состоят перистые облака, во многом определяет количество тепла в атмосфере Земли. Поэтому важно изучать микрофизические параметры перистых облаков — размеры кристаллов, их ориентацию в пространстве, температуру, плотность.
Определение этих параметров с помощью лидарного зондирования (как с помощью наземных, так и космических лидаров) является важной задачей атмосферной оптики, и эта задача лежит в основе проектаАлександра Коношонкина, удостоенного гранта Президента РФ. Проект нацелен на решение теоретической задачи — построение модели рассеяния света на перистых кристаллических облаках.
— Сейчас этой задачей в России занимается одна научная группа — это я и мои коллеги из ТГУ и ИОА, — говоритАлександр. — И хотя в последние годы изучением кристаллических облаков активно занимаются и наши американские коллеги, первыми поиски решения начали еще советские — томские! — ученые. Так что у нас есть некоторая «фора», потому что мы приступили к этой теме раньше, и есть определенное преимущество в методике.
По словам Александра, американские исследователи при изучении рассеяния света в кристаллических облаках опираются на уравнения Максвелла, однако этот метод не позволяет производить расчеты с крупными объектами: чем больше частица, тем больше усложняется решение, приходится использовать суперкомпьютеры для вычислений.
— А в кристаллических облаках частицы очень многообразны, их размеры тоже значительно варьируются — от 10—20 до тысяч микрон, — поясняет Александр Коношонкин. — Поэтому мы используем численное решение задачи рассеяния света на хаотически ориентированных кристаллах, впервые рассчитанное в приближении физической оптики (для частиц от 30 микрон и более). Полученные результаты позволяют нам определять форму и размер ледяных кристаллов в рамках математической модели оптических свойств перистых облаков. Эта модель позволит усовершенствовать прогнозы погоды и, возможно, ответит на некоторые вопросы, связанные с изменениями климата на планете.
Для справки: Молодой ученый ТГУ и сотрудник Института оптики атмосфера имени В. Е. Зуева СО РАНАлександр Коношонкин в 2015 году стал лауреатом гранта Президента РФ для кандидатов наук в области наук о Земле, экологии и рационального природопользования. Его проект называется «Расчет сигналов двухволнового поляризационного сканирующего лидара для восстановления микрофизических параметров перистых облаков».