Які прилади та способи використовують метеорологи для вимірювання хмарного покриву?

Хмари впливають на температуру повітря, кількість сонячної радіації, що надходить до земної поверхні, формування опадів та циркуляцію атмосфери. Тому метеорологам важливо знати не лише про те, які хмари знаходяться над певною територією, а й наскільки щільно вони вкривають небо, на якій висоті розташовані та як змінюються з плином часу. Адже навіть незначна зміна площі хмарного покриву здатна вплинути на енергетичний баланс атмосфери: щільні хмари можуть обмежувати надходження сонячного світла вдень, але водночас перешкоджати втраті тепла земною поверхнею вночі.

У наш час для дослідження хмарного покриву використовують автоматичні прилади, лазерні установки, метеорологічні радіолокатори та супутники. Втім, ще кілька століть тому спостерігачам доводилося покладатися переважно на власний зір, замальовки та порівняння побаченого з наявними описами.

Під хмарним покривом мають на увазі сукупність усіх видів хмар, які спостерігаються над певною місцевістю в конкретний момент часу. Під час його дослідження зазвичай визначають кілька основних характеристик:

• Хмарність — ступінь покриття небосхилу хмарами. Її виражають у відсотках, балах або октантах.
• Висоту нижньої межі хмар — відстань від земної поверхні до основи хмарного шару.
• Висоту верхньої межі — розташування верхньої частини хмарного масиву.
• Кількість хмарних шарів — число ярусів хмар, які можна розрізнити за висотою та структурою.
• Форму і тип хмар — наприклад, перисті, шаруваті, купчасті, купчасто-дощові тощо.
• Оптичні характеристики — здатність хмар відбивати, поглинати та пропускати сонячне випромінювання.

На більшості сучасних метеорологічних станцій світу одним із найпоширеніших пристроїв для визначення висоти нижньої межі хмар є цеїлометр (ceilometer). Принцип його роботи ґрунтується на технології лідара. Прилад надсилає короткий лазерний імпульс вертикально вгору. Досягнувши хмари, світло розсіюється на краплях води та / або кристалах льоду. Частина випромінювання повертається назад у вигляді відбитого сигналу. Вимірявши час між надсиланням імпульсу та отриманням відбитого сигналу, прилад обчислює відстань до нижньої межі хмар. Сучасні цеїлометри здатні одночасно виявляти кілька хмарних шарів.

Якщо цеїлометр переважно використовують для вимірювання висоти нижньої межі хмар, то більш складні системи дають змогу досліджувати їхню вертикальну структуру. Так, метеорологічні лідари вивчають атмосферу за допомогою лазерного випромінювання. Вони надають інформацію про розподіл хмарних частинок і аерозолів, дають змогу визначати межі хмарних шарів та досліджувати тонкі високі хмари, що складаються переважно з дрібних кристалів льоду.

Інший тип пристроїв — хмарні радіолокатори — використовують радіохвилі, які відбиваються від хмарних крапель і льодяних частинок. Вони дають змогу оцінювати вертикальну протяжність хмар, особливості їх внутрішньої структури, рух частинок і деякі характеристики опадів.

Особливе місце в сучасних дослідженнях займають супутники. Наземна станція проводить спостереження лише за порівняно невеликою ділянкою неба, тоді як супутникова апаратура дає змогу отримувати інформацію про хмарність над величезними територіями. Оптичні прилади на метеорологічних супутниках реєструють відбите сонячне випромінювання. За отриманими зображеннями можна визначити розташування хмарних масивів, їхню форму та площу. Інфрачервоні датчики вимірюють теплове випромінювання хмар і земної поверхні. Це допомагає оцінювати температуру верхньої межі хмар, а за допомогою атмосферних моделей і додаткових даних — визначати її висоту.

Супутникові спостереження дають змогу:

• Визначати ступінь покриття хмарного покриву на великих територіях;
• Відстежувати переміщення циклонів та атмосферних фронтів;
• Спостерігати за розвитком потужних грозових хмар;
• Вивчати сезонні та багаторічні зміни хмарності.

Втім, супутниковий метод має певні обмеження. Наприклад, високі хмари можуть закривати розташовані нижче шари, а висоту нижньої межі хмар за звичайним супутниковим зображенням визначити доволі складно. Саме тому супутникові дані доповнюють результатами наземних вимірювань.