Процесс Вегенера – Бержерона – Финдейзена

Процесс Вегенера-Бержерона-Финдейзена (в честь Альфреда Вегенера , Тора Бержерона и Вальтера Финдейзена ) (или «процесс холодного дождя») - это процесс роста кристаллов льда, который происходит в облаках смешанной фазы (содержащих смесь переохлажденной воды и льда. ) в регионах, где давление пара окружающей среды находится между давлением насыщенного пара над водой и более низким давлением насыщенного пара над льдом. Это недосыщенная среда для жидкой воды, но перенасыщенная среда для льда, приводящая к быстрому испарению жидкой воды и быстрому росту кристаллов льда за счет осаждения из паровой фазы.. Если плотность льда мала по сравнению с жидкой водой, кристаллы льда могут вырасти достаточно большими, чтобы выпасть из облака, таяя в капли дождя, если температуры более низкого уровня достаточно теплые.

Процесс Бержерона, если он вообще имеет место, гораздо более эффективен в производстве крупных частиц, чем рост более крупных капель за счет более мелких, поскольку разница в давлении насыщения между жидкой водой и льдом больше, чем увеличение давления насыщения. более мелких капель (для капель, достаточно больших, чтобы вносить значительный вклад в общую массу). Для других процессов, влияющих на размер частиц, см. Физику дождя и облаков .

История [ править ]

Принцип роста льда за счет осаждения из паровой фазы на кристаллы льда за счет воды был впервые теоретизирован немецким ученым Альфредом Вегенером в 1911 году при изучении образования изморози . Вегенер предположил, что если этот процесс происходит в облаках и кристаллы вырастают достаточно большими, чтобы выпасть, то это может быть жизнеспособным механизмом осаждения. Хотя его работа с выращиванием кристаллов льда привлекла некоторое внимание, потребуется еще 10 лет, прежде чем ее применение к осадкам будет признано. ^[1]

Зимой 1922 года Тор Бержерон сделал любопытное наблюдение во время прогулки по лесу. Он заметил, что в дни, когда температура была ниже нуля, пластовая палуба, которая обычно покрывала склон холма, останавливалась на вершине купола, а не доходила до земли, как это было в дни, когда температура была выше нуля. Зная более ранние работы Вегенера, Бержерон предположил, что кристаллы льда на ветвях деревьев собирают пар из переохлажденного слоистого облака, не позволяя ему достигать земли.

В 1933 году Бержерон был выбран для участия в заседании Международного союза геодезии и геофизики в Лиссабоне, Португалия, где он представил свою теорию ледяных кристаллов. В своей статье он заявил, что если популяция кристаллов льда будет значительно меньше по сравнению с жидкими каплями воды, кристаллы льда могут вырасти достаточно большими, чтобы выпасть (первоначальная гипотеза Вегенера). Бержерон предположил, что этот процесс может быть причиной всех дождей даже в тропическом климате; утверждение, которое вызвало немало разногласий между учеными тропиков и ученых средних широт. В конце 1930-х годов немецкий метеоролог Вальтер Финдейзен расширил и усовершенствовал работу Бержерона как теоретической, так и экспериментальной работой.

Обязательные условия [ править ]

Условие, что количество капель должно быть намного больше, чем количество кристаллов льда, зависит от доли облачных ядер конденсации , которые позже (выше в облаке) будут действовать как ледяные ядра . В качестве альтернативы адиабатический восходящий поток должен быть достаточно быстрым, чтобы высокое пересыщение вызывало спонтанное зародышеобразование гораздо большего количества капель, чем имеется облачных ядер конденсации. В любом случае это должно произойти не намного ниже точки замерзания, так как это приведет к прямому зарождению льда. Рост капель помешал бы температуре вскоре достичь точки быстрого зарождения кристаллов льда .

Более сильное пересыщение льда, когда оно присутствует, вызывает его быстрый рост, таким образом удаляя воду из паровой фазы. Если давление пара упадет ниже давления насыщения по отношению к жидкой воде , капли перестанут расти. Этого может не произойти, если само падение происходит быстро, в зависимости от наклона кривой насыщения, градиента и скорости восходящего потока, или если падение происходит медленно, в зависимости от количества и размера кристаллов льда. Если восходящий поток будет слишком быстрым, все капли, наконец, замерзнут, а не испарятся. ${\ displaystyle p}$ ${\ displaystyle p_ {w}}$ ${\ displaystyle p_ {w}}$ ${\ displaystyle p}$

Аналогичный предел встречается при нисходящем потоке. Жидкая вода испаряется, вызывая повышение давления пара , но если давление насыщения льда растет слишком быстро при нисходящем потоке, весь лед растает раньше, чем образуются большие кристаллы льда. ${\ displaystyle p}$ ${\ displaystyle p_ {i}}$

Королев и Мазин ^[2] вывели выражения для критической восходящей и нисходящей скорости:

{\ displaystyle u_ {up} = {\ frac {p_ {w} -p_ {i}} {p_ {i}}} \ eta N_ {i} {\ bar {r_ {i}}} \,}

{\ displaystyle u_ {dn} = {\ frac {p_ {i} -p_ {w}} {p_ {w}}} \ chi N_ {w} {\ bar {r_ {w}}} \,}

где η и χ - коэффициенты, зависящие от температуры и давления, и - числовые плотности льда и частиц жидкости (соответственно), и - средний радиус частиц льда и жидкости (соответственно). ${\ displaystyle N_ {i}}$ ${\ displaystyle N_ {w}}$ ${\ displaystyle {\ bar {r_ {i}}}}$ ${\ displaystyle {\ bar {r_ {w}}}}$

Для значений, характерных для облаков, колеблется от нескольких см / с до нескольких м / с. Эти скорости могут быть легко вызваны конвекцией, волнами или турбулентностью, что указывает на то, что нередко и жидкая вода, и лед растут одновременно. Для сравнения, для типичных значений скорости нисходящего потока, превышающей несколько , требуется, чтобы и жидкость, и лед сжимались одновременно. ^[3] Эти скорости обычны для конвективных нисходящих потоков, но не типичны для слоистых облаков. ${\ displaystyle N_ {i} {\ bar {r_ {i}}}}$ ${\ displaystyle u_ {вверх}}$ ${\ displaystyle N_ {w} {\ bar {r_ {w}}}}$ ${\ Displaystyle мс ^ {- 1}}$

Формирование кристаллов льда [ править ]

Самый распространенный способ формирования кристалла льда начинается с ядра льда в облаке. Кристаллы льда могут образовываться в результате гетерогенного осаждения , контакта, погружения или замерзания после конденсации. При гетерогенном осаждении ядро льда просто покрывается водой. При контакте ядра льда будут сталкиваться с каплями воды, которые замерзают при ударе. При иммерсионной заморозке все ядро льда покрывается жидкой водой. ^[4]

Вода замерзнет при разных температурах в зависимости от типа присутствующих ядер льда. Ядра льда заставляют воду замерзать при более высоких температурах, чем это было бы спонтанно. Для самопроизвольного замерзания чистой воды, называемого гомогенным зародышеобразованием , температура облака должна составлять -35 ° C (-31 ° F). ^[5] Вот несколько примеров ядер льда:

Ядра льда	Температура замораживания
Бактерии	−2,6 ° С (27,3 ° F)
Каолинит	−30 ° С (−22 ° F)
Йодид серебра	-10 ° С (14 ° F)
Ватерит	−9 ° С (16 ° F)

Умножение льда [ править ]

Различные кристаллы льда собраны вместе в облаке

По мере роста кристаллов льда они могут сталкиваться друг с другом, раскалываться и раскалываться, в результате чего образуется множество новых кристаллов льда. Есть множество форм кристаллов льда, которые могут столкнуться друг с другом. Эти формы включают шестиугольники, кубы, столбцы и дендриты. Физики и химики атмосферы называют этот процесс «усилением льда». ^[6]

Агрегация [ править ]

Процесс слипания кристаллов льда называется агрегацией. Это происходит, когда кристаллы льда становятся гладкими или липкими при температуре −5 ° C (23 ° F) и выше из-за водяного покрытия, окружающего кристалл. Кристаллы льда разного размера и формы падают с разной конечной скоростью, обычно сталкиваются и слипаются.

Аккреция [ править ]

Когда ледяной кристалл сталкивается с каплями переохлажденной воды, это называется аккрецией (или обрамлением). При ударе капли замерзают и могут образовывать крупу . Если образовавшаяся крупа снова попадает в облако ветром, оно может продолжать расти и становиться более плотным, в конечном итоге образуя град . ^[6]

Осадки [ править ]

В конце концов этот ледяной кристалл станет достаточно большим, чтобы упасть. Он может даже столкнуться с другими кристаллами льда и еще больше увеличиться в результате слияния , агрегации или аккреции.

Процесс Бержерона часто приводит к выпадению осадков. По мере того, как кристаллы растут и падают, они проходят через основание облака, которое может быть выше точки замерзания. Это заставляет кристаллы плавиться и выпадать в виде дождя. Также может быть слой воздуха ниже точки замерзания ниже основания облака, вызывающий повторное замерзание осадков в виде ледяных шариков . Точно так же слой воздуха ниже точки замерзания может находиться на поверхности, в результате чего осадки выпадают в виде ледяного дождя . Процесс также может привести к отсутствию осадков, испарению до того, как достигнет земли, в случае образования вирги .

См. Также [ править ]

Список тем по метеорологии
Осадки (метеорология)
Коалесценция (метеорология)
Ядро льда
Лед
Зарождение
Физическое осаждение из паровой фазы
Давление насыщенного пара

Ссылки [ править ]

^ Харпер, Кристин (2007). Погода и климат: десятилетие за десятилетием . Наука двадцатого века (иллюстрированный ред.). Публикация информационной базы. С. 74–75. ISBN 978-0-8160-5535-7.
^ Королев, А.В.; Мазин, ИП (2003). «Перенасыщение водяного пара в облаках». J. Atmos. Sci . 60 (24): 2957–2974. Bibcode : 2003JAtS ... 60.2957K . DOI : 10.1175 / 1520-0469 (2003) 060 <2957: SOWVIC> 2.0.CO; 2 .
↑ Королев, Алексей (2007). «Ограничения механизма Вегенера – Бержерона – Финдейзена в эволюции смешанных фазовых облаков» . J. Atmos. Sci . 64 (9): 3372–3375. Bibcode : 2007JAtS ... 64.3372K . DOI : 10.1175 / JAS4035.1 .
^ Зарождение льда в облаках со смешанной фазой Томас Ф. Кит, Университет Лидса, Лидс, Соединенное Королевство, ГЛАВА 2,1.1 Способы зарождения гетерогенного льда
^ Куп, Т. (25 марта 2004). «Гомогенное зародышеобразование льда в воде и водных растворах» . Zeitschrift für Physikalische Chemie . 218 (11): 1231–1258. DOI : 10.1524 / zpch.218.11.1231.50812 . Проверено 7 апреля 2008 .
^ a b Микрофизика облаков и осадков. Пруппахер, Ханс Р., Клетт, Джеймс, 1965 г.

Уоллес, Джон М. и Питер В. Хоббс: Наука об атмосфере , 2006. ISBN 0-12-732951-X
Яу М.К. и Роджерс Р.Р .: "Краткий курс физики облаков", 1989. ISBN 0-7506-3215-1

Внешние ссылки [ править ]

Демонстрация процесса Бержерона

[1] Харпер, Кристин (2007). Погода и климат: десятилетие за десятилетием . Наука двадцатого века (иллюстрированный ред.). Публикация информационной базы. С. 74–75. ISBN 978-0-8160-5535-7.

[2] Королев, А.В.; Мазин, ИП (2003). «Перенасыщение водяного пара в облаках». J. Atmos. Sci . 60 (24): 2957–2974. Bibcode : 2003JAtS ... 60.2957K . DOI : 10.1175 / 1520-0469 (2003) 060 <2957: SOWVIC> 2.0.CO; 2 .

[WBF-3] Королев, Алексей (2007). «Ограничения механизма Вегенера – Бержерона – Финдейзена в эволюции смешанных фазовых облаков» . J. Atmos. Sci . 64 (9): 3372–3375. Bibcode : 2007JAtS ... 64.3372K . DOI : 10.1175 / JAS4035.1 .

[4] Зарождение льда в облаках со смешанной фазой Томас Ф. Кит, Университет Лидса, Лидс, Соединенное Королевство, ГЛАВА 2,1.1 Способы зарождения гетерогенного льда

[Koop2004-5] Куп, Т. (25 марта 2004). «Гомогенное зародышеобразование льда в воде и водных растворах» . Zeitschrift für Physikalische Chemie . 218 (11): 1231–1258. DOI : 10.1524 / zpch.218.11.1231.50812 . Проверено 7 апреля 2008 .

[ReferenceA-6] Микрофизика облаков и осадков. Пруппахер, Ханс Р., Клетт, Джеймс, 1965 г.

[1]