Загадку перистых облаков раскрыла нейросеть: причины их появления надо искать в другом полушарии

Учёные выявили связь штормов и перистых облаков — AGU Advances

Перистые облака — самые высокие и изящные образования в атмосфере Земли. Их тонкие, будто нарисованные кистью, полосы появляются на высоте до 13 километров, окрашиваясь в розовые, золотые и серебристые оттенки при восходе и закате. Новое исследование, опубликованное в журнале American Geophysical Union Advances, раскрыло неожиданные детали их происхождения. Учёные применили технологии компьютерного зрения, чтобы проследить за рождением и эволюцией облаков. Об этом сообщает AGU Advances.

Две природы перистых облаков

Перистые облака всегда поражали наблюдателей своей утончённостью, но их природа оказалась сложнее, чем считалось. Специалисты делят их на две большие категории — плотные и in situ, или возникающие на месте.

Первые формируются на вершинах мощных грозовых систем и напоминают "наковальни", расползающиеся по небу. Они состоят преимущественно из крупных кристаллов льда и чаще встречаются в тропиках.

Вторые появляются в более спокойных слоях атмосферы, нередко в умеренных широтах. В них содержится меньше льда, а структура — более разреженная. До недавнего времени отличить эти типы по спутниковым данным было почти невозможно: они казались внешне схожими, хотя имели разное происхождение и физические свойства.

"Мы стремились понять, какие процессы в атмосфере приводят к формированию каждого типа облаков и как эти процессы связаны с глобальной циркуляцией воздуха", — пояснили авторы исследования.

Подобные попытки классифицировать облачные структуры предпринимались и ранее — например, при изучении атмосферных вихрей над океаном, где учёные анализировали распределение влаги и турбулентность воздушных масс.

Когда компьютер видит небо

Для разгадки учёные применили новый метод — физически обусловленное итеративное компьютерное зрение. Он позволяет анализировать последовательности спутниковых снимков, выявляя малейшие изменения в структуре облачных систем.

Эта технология дала возможность проследить путь перистых облаков — от момента зарождения конвективных ядер до стадии рассеивания. Именно такой подход позволил обнаружить закономерности, ранее ускользавшие от исследователей.

Одним из самых впечатляющих открытий стала неизвестная ранее межполушарная корреляция: оказалось, что активность гроз и конвекция в одном полушарии (где в данный момент лето) связаны с протяжённостью перистых облаков в противоположном, зимнем полушарии.

Атмосферные волны и глобальные ритмы

Как объяснить такую синхронность? Исследователи считают, что мощные штормы порождают гигантские атмосферные волны, способные пересекать экватор и изменять температуру в верхних слоях атмосферы. Эти волны запускают цепочку процессов, приводящих к образованию облаков в другой части планеты.

Такой механизм демонстрирует, насколько тесно взаимосвязаны погодные явления на глобальном уровне. То, что начинается над тропиками, может отразиться на климате умеренных широт, где небо кажется совершенно спокойным.

Схожие закономерности наблюдаются и в других исследованиях, посвящённых влиянию шторма на формирование полярных облачных структур и сезонных изменений в атмосфере.

Значение для климата

Перистые облака играют важную роль в климатической системе Земли. Несмотря на то, что они пропускают большую часть солнечного света, их тонкие ледяные кристаллы эффективно удерживают тепловое излучение, создавая эффект мягкого "покрывала" для планеты.

Если изменения климата приведут к увеличению частоты штормов и конвективных процессов, распределение перистых облаков может измениться. Это, в свою очередь, способно повлиять на баланс тепла и радиации в атмосфере, усилив или ослабив глобальное потепление.

"Понимание того, как формируются и распространяются перистые облака, помогает уточнить климатические модели и предсказать, как изменится температура Земли в будущем", — отмечают исследователи.

Сейчас учёные планируют использовать тот же алгоритм компьютерного зрения для анализа данных из других климатических зон. В перспективе это позволит создать более точные карты распределения облаков и их влияния на погоду.

Сравнение подходов к исследованию облаков

Современная наука применяет разные методы для изучения облачности:

Наблюдения с метеоспутников - обеспечивают глобальное покрытие, но зависят от разрешения камер и интерпретации изображений.
Лазерные лидары и радиолокация - позволяют измерять высоту, плотность и состав облаков.
Компьютерное зрение и машинное обучение - дают возможность выявлять скрытые закономерности в данных и автоматизировать классификацию типов облаков.

Последний метод стал прорывным, объединив физику атмосферы и искусственный интеллект, подобно тому, как в других областях науки искусственные нейросети помогают исследовать структуру ледников и динамику климата.

Плюсы и минусы компьютерного подхода

Преимущества:
точное распознавание закономерностей и аномалий;
способность работать с большими массивами данных;
возможность выявлять связи, неочевидные для человека.
Недостатки:
зависимость от качества спутниковых снимков;
риск ошибок при интерпретации без учёта физического контекста;
необходимость постоянной проверки алгоритмов учёными.