В минувшие выходные сильная снежная буря покрыла Восточное побережье белоснежным одеялом. В некоторых местах скорость зимнего ветра превышала 70 миль в час, а снежные заносы нагромождали лед толщиной более 12 дюймов. Но даже когда из-за сильного ветра и плохой видимости более 5 000 рейсов в аэропортах Северо-Востока были вынуждены приземлиться, два небольших самолета, оснащенных датчиками и научным оборудованием, остались в воздухе, устремившись вслед за ураганом, который пронесся над Атлантическим побережьем.
Пилоты, техники и исследователи на борту должны были одновременно управлять аппаратом и приборами, внимательно прислушиваясь к указаниям членов команды на земле. "Представьте себе, на вас льется этот поток информации, а вы находитесь в самолете в турбулентности во время снежной бури", - говорит Сандра Ютер, специалист по погоде и климату из Университета штата Северная Каролина, которая была ведущим ученым, наблюдавшим за полетом с земли. "Это очень напряженно; вы возвращаетесь и совершенно измотаны".
Этот полет стал частью второго раунда экспериментов по преследованию бурь с воздуха, начавшихся в 2020 году, которые проводятся в рамках программы НАСА "Исследование микрофизики и осадков для снежных бурь, угрожающих Атлантическому побережью", или IMPACTS. Паря сквозь облака и над ними, два исследовательских самолета имеют уникальное преимущество - они собирают данные непосредственно во время метелей, что позволяет по-новому взглянуть на формирование и развитие этих явлений.
В Уоллопсе, штат Вирджиния, члены команды IMPACTS проходят инструктаж по безопасности полетов на борту самолета P-3, одного из двух самолетов, на которых работает миссия. NASA/IMPACTS ESPOПонимая природу этих зимних штормов, команда ученых-атмосферников может помочь улучшить прогнозы потенциально опасных уровней снегопадов. "Мы многое знаем об общей структуре штормов, но чего мы не знаем, так это почему именно интенсивность снега распределяется так, как это происходит в каждом шторме", - говорит Линн МакМерди, доцент-исследователь Университета Вашингтона и главный исследователь проекта IMPACTS. Проект сосредоточен на зимних погодных явлениях в средних широтах северо-востока США. Штормы в средних широтах происходят круглый год, но летом они слабее и обычно приводят к дождям, потому что более теплая температура в нижних слоях атмосферы растапливает снег по мере его выпадения, объясняет МакМерди.
Связь снегопадов с неуловимым зимним погодным явлением
Снежные бури на северо-востоке часто делают поездки опасными, вызывают безветрие и создают чрезвычайные условия для метелей. Но прогнозы печально известны тем, что в них есть большие пробелы, в том числе и в прогнозах на прошедшие выходные. "Они шли вразнос", - говорит МакМерди, который также работал в наземном управлении во время полета. "Мы знали, что он приближается. Мы просто не знали, уничтожит ли он Нью-Йорк? Как далеко вглубь материка? Останется ли он в море?".
Время и регионы, которые больше всего пострадают, часто трудно предсказать, особенно если заглядывать слишком далеко вперед, говорит Ютер. "Часто, когда вы получаете прогноз снежной бури, в нем говорится о том, что выпадет от 3 до 8 дюймов, а снег начнется где-то во второй половине дня и продолжится до вечера. Это огромный диапазон", - говорит она.
Один из способов помочь уменьшить эту изменчивость в моделях заключается в изучении формирования малоизученного погодного явления - снежных полос. Эти длинные, узкие ленты могут сбрасывать большое количество снега и осадков на своем пути. "Мы всегда знали, что распределение осадков, будь то дождь или снег, во время бури не является равномерным", - говорит МакМерди. "Не все получают одинаковое количество осадков в течение всего шторма. Но один из способов, с помощью которого оно может стать переменным, - это эти узкие полосы".
Спектрорадиометр с формированием изображений умеренного разрешения (MODIS) на спутнике НАСА Terra сделал это изображение полосы снега 4 января 2022 года. В южной части Вирджинии и южном Мэриленде выпало наибольшее количество снега, в округах выпало более 14 дюймов снега. Обсерватория Земли НАСАВ целом, существует два распространенных типа снежных полос: основные полосы, которые часто очень длинные и могут охватывать несколько штатов в длину, и многополосные полосы, которые возникают в виде ряда более мелких рядов и имеют размер примерно в пару графств. Тип снеговой полосы и ее активность могут влиять на то, почему в одном городе накапливается много футов снега, а в соседнем городе - всего пара дюймов, объясняет Ютер. Но оба вида могут дать большое количество осадков.
Поэтому команда изучает, могут ли свойства частиц в облаках - размер, содержание воды и количество - способствовать образованию снежных полос с более сильным снегопадом. "Всем нравится думать, что снег - это всегда красивые звездообразные дендриты, но на самом деле он очень беспорядочен", - говорит МакМерди. "Одна из вещей, которая может произойти, - это буря с сильным восходящим движением, и она очень энергична. Когда воздух поднимается вверх, он охлаждается и конденсируется, и в облаке образуются маленькие капельки воды".
По ее словам, эти маленькие капельки воды прилипают к другим ледяным частицам в облаке, образуя снег, который улавливается отражательной способностью радара, отображаемой в прогнозах погоды. Но более интенсивные цвета радара не обязательно указывают на то, что в том или ином районе будет больше снега. "Есть много факторов, которые влияют на это", - объясняет МакМерди. "Яркие показания радара могут просто означать наличие более крупных частиц снега".
Частица снега, полученная командой IMPACTS во время полета 17 января 2022 года над штатом Нью-Йорк. Дендритоподобная частица демонстрирует процесс риминга, когда капли воды (маленькие точки на поверхности) прилипают и примерзают к существующим кристаллам снега в облаке. Любезно предоставлено Lynn McMurdie/NASA/IMPACTS ESPOКогда снег образуется в облаках и атмосферных полосах, может пройти еще час или два, пока он достигнет земли, говорит Ютер. По мере падения в различных условиях неба частицы могут трансформироваться, что дает еще больше подсказок об условиях метели.
"Каждый шторм проходит по-разному", - говорит МакМерди. "В некоторых штормах не так много полос, но снег все равно идет очень хорошо. В тот шторм, который был в эти выходные, повсюду были полосы, которые сходили с ума. И мы подумали, что здесь происходит? Мы не знаем, что с этим делать".
Исследовательский самолет P-3 Orion приземляется после полета 1 февраля 2020 года. На этом самолете находится большая часть научного экипажа. NASA/IMPACTS ESPOПоиск улик во время белого дня
Модели снежных полос уже давно видны на метеорологических радарах и датчиках, но эксперты не могут точно определить, почему и как они образуются. Чтобы лучше понять их динамику, команда IMPACTS использует два самолета НАСА: самолет P-3 Orion и высотный самолет ER-2. P-3, четырехмоторный турбовинтовой самолет, летает на высоте до 26 000 футов, рассекая облака для сбора образцов снежных частиц, а также для измерения температуры, влажности и других параметров атмосферы.
ER-2, с другой стороны, пролетает над бурей на высоте около 65 000 футов и использует оборудование дистанционного зондирования, аналогичное тому, что установлено на метеорологических спутниках. Поскольку самолет может летать ближе к буре, чем спутники на орбите, он способен получать данные с более высоким пространственным разрешением. В это время команды на земле следят за траекторией урагана с помощью радара, измеряющего свойства облаков.
Взлетает высотный самолет НАСА ER-2, оснащенный комплектом научных приборов. Самолетом управляет один пилот. Летно-исследовательский центр НАСА имени АрмстронгаПодготовка начинается за несколько дней до начала шторма, чтобы самолеты можно было перевезти на аэродромы, достаточно безопасные для взлета в день шторма. В случае урагана 29 января команда решила перевезти P-3 с базы в Уоллопсе, штат Вирджиния, на аэродром вблизи Дейтона, штат Огайо. Весь полет занял около восьми часов, из которых около шести пришлось провести в гуще бури. По словам Ютера, обычно снежные бури делают полет спокойным, но во время полета над заливом Мэн в прошлую субботу самолеты столкнулись с неожиданной турбулентностью.
"Часто, когда вы проводите наблюдения, у вас есть какие-то первоначальные идеи, но мать-природа преподносит вам сюрпризы", - отмечает Ютер. "Это определенно тот случай, когда мы были удивлены тем, насколько бурным был шторм, который выглядел как ослабевающий".
По словам Ютера, причина каменистой езды остается загадкой, но команда IMPACTS может получить ответы после анализа показаний и образцов. Команда следит за крупным зимним штормом, проходящим в настоящее время по территории США. 3 февраля запланированы полеты на Среднем Западе, а 4 февраля - на Северо-Востоке. Они планируют продолжать полеты в течение февраля, изучая потенциальную связь между снежными полосами и снегопадами. По словам МакМерди, благодаря более совершенным технологиям у миссии есть возможность получить новый набор данных, который покажет, как снежные полосы влияют на прогнозы.
"Мы не можем предотвратить [метели], но если мы сможем прогнозировать их с меньшей неопределенностью", - добавляет она. "Тогда люди смогут быть готовы к соответствующему диапазону условий".
"Надеюсь, в будущем мы сможем улучшить прогнозы".