يُظهر مختبر الطيران كيف تمطر السحب الدافئة

ساعد مختبر طيران فريد من نوعه في حل اللغز الذي كان يطارد علماء فيزياء الغلاف الجوي لسنوات عديدة، وهو كيف تمطر السحب الدافئة بهذه السرعة، وبشكل مفاجئ تقريبًا. وتم نشر دراسة حول هذا الموضوع المشتعل على الصفحات وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم.

لم يكن لدى العلماء منذ فترة طويلة أي أسئلة حول السحب السوداء الكبيرة. وتمتد قمم هذه الكتل الهائلة من الرطوبة الجوية عاليا إلى طبقة التروبوسفير، حيث تكون درجة حرارتها أقل من -40 درجة مئوية، وبالتالي تكثر في الجليد المجهري الطافي الذي تتركز حوله القطرات.

السحب الدافئة الصغيرة لا تحتوي على الجليد على الإطلاق. وفي الوقت نفسه، فإنها تشكل نسبة كبيرة من جميع السحب التي تغطي المحيطات واليابسة، وتوفر معظم أمطار الكوكب، خاصة في المناطق الاستوائية، وتلعب دورًا مركزيًا في تنظيم توازن طاقة الكوكب من خلال عكس ضوء الشمس إلى الفضاء. ويعتمد عمرها الافتراضي وقدرتها على تظليل الأرض من الإشعاع الشمسي بشكل حاسم على مدى كفاءة تطور القطرات الدقيقة إلى قطرات مطر، وهو أحد أكبر أوجه عدم اليقين في التنبؤات المناخية.

المرصد يطير في السحب

ولدراسة العمليات التي تحدث في السحب الركامية الصغيرة، أطلقوا طائرة هيليكايت – وهي عبارة عن هجين من طائرة ورقية وبالون مربوط – محشوة بمعدات عالية التقنية.

ويقارن عالم فيزياء الموائع محسن باقري من معهد ماكس بلانك للديناميكيات والتنظيم الذاتي، الذي قاد الدراسة، قائلاً: “إنه مثل مجهر ثلاثي الأبعاد في السحب يفحص حجم الجسيمات وتوزيعها”.

يوجد في قلب مرصد CloudKite نظامان للتصوير البصري مصممان خصيصًا باستخدام أشعة ليزر عالية الطاقة وكاميرات عالية السرعة. إحداها قادرة على إعادة بناء الإحداثيات والأحجام ثلاثية الأبعاد لقطرات السحابة الفردية بتردد 75 مرة في الثانية، مما يجعلها واحدة من أسرع الأدوات المجسمة المحمولة جواً على الإطلاق. والآخر يقيس الاضطراب داخل السحب. ينجرف المنطاد عبر السحب بسرعة تبلغ حوالي 10 م/ث فقط – وهي أبطأ بكثير من الطائرات البحثية، ولا تزعج البيئة المقاسة، كما تفعل الطائرات بدون طيار.

ما اكتشفناه على ارتفاع 850 مترا

يقول باقري: “قمنا بتقييم بنية السحابة الدافئة بدقة مكانية عالية”.

وبناء على البيانات التي تم الحصول عليها، تم إعادة بناء الهيكل الداخلي لقسم من السحابة الركامية الصغيرة بطول 55 مترا. وتبين أن القطرات لم يتم توزيعها بالتساوي، ولكنها شكلت “نقاط ساخنة” موضعية للغاية – مجموعات يبلغ حجمها حوالي متر أو أقل. وفي هذه المناطق، تكون المسافة بين القطرات أصغر بكثير مما هي عليه في بقية السحابة، مما يزيد بشكل كبير من فرص تشكل قطيرات أكبر.

“نظرًا لأن القطرات تتجمع هناك، تصبح الاصطدامات أكثر احتمالًا. وقد تكون هذه البؤر الموضعية هي نفس الأماكن التي ينشأ فيها المطر في السحب الركامية الضحلة”، يوضح الفيزيائي بيرتي تيد، المؤلف الأول للدراسة.

لماذا هذا ضروري؟

تتحدى هذه الملاحظات الفكرة السائدة منذ فترة طويلة والتي تقول إن تجمع القطرات ضعيف وموزع بشكل موحد في جميع أنحاء السحابة. على العكس من ذلك، تتمتع السحب ببنية داخلية مخفية ظلت غير مرئية حتى الآن.

ويخلص باقري إلى أن “كشف الآليات الداخلية للسحب الدافئة سيساعد في تحسين نماذج هطول الأمطار وزيادة دقة التوقعات”.

يدرس الباحثون الآن كيفية ارتباط الاضطراب بهذه الجيوب المحلية من التجمعات. يتم التخطيط لمزيد من الحملات الميدانية في المستقبل مع إطلاق CloudKite في منطقة الأمازون وبحر البلطيق وشمال فنلندا.