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 областях, 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
Принцип роста льда за счет осаждения из паровой фазы на кристаллы льда за счет воды был впервые сформулирован 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, 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, гуляя 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 давая ему достичь 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 каплями жидкой 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; заявление, 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
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 зарождение гораздо большего количества капель, чем присутствуют ядра облачной конденсации. В любом случае это должно произойти не намного ниже точки замерзания, так как это вызовет прямое зарождение льда. Рост капель не позволит температуре вскоре достичь точки быстрого зарождения кристаллов льда .
Более сильное перенасыщение льда, когда оно присутствует, вызывает его быстрый рост, таким образом удаляя воду из паровой фазы. Если давление пара падает ниже давления насыщения по отношению к жидкой воде , капли перестанут расти. Этого может не произойти, еслисам быстро падает, в зависимости от наклона кривой насыщения, градиента и скорости восходящего потока, или если падениепроисходит медленно, в зависимости от количества и размера кристаллов льда. Если восходящий поток будет слишком быстрым, все капли, наконец, замерзнут, а не испарятся.
Аналогичный предел встречается при нисходящем потоке. Жидкая вода испаряется, вызывая давление пара подняться, но если давление насыщения по отношению ко льду поднимается слишком быстро при нисходящем потоке, весь лед растает раньше, чем образуются большие кристаллы льда.
Королев и Мазин [2] вывели выражения для критической восходящей и нисходящей скорости:
где η и χ - коэффициенты, зависящие от температуры и давления, а также - числовые плотности льда и жидких частиц (соответственно), а а также - средний радиус частиц льда и жидкости (соответственно).
Для значений типично 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, превышающие несколько необходимы для одновременной усадки как жидкости, так и льда. [3] Эти скорости обычны для конвективных нисходящих потоков, но не типичны для слоистых облаков.
Формирование кристаллов льда
Самый распространенный способ формирования ледяного кристалла начинается с ледяного ядра в облаке. Кристаллы льда могут образовываться в результате гетерогенного осаждения , контакта, погружения или замерзания после конденсации. При гетерогенном осаждении ледяное ядро 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 замерзает при разных температурах в зависимости от типа присутствующих ядер льда. Ядра льда заставляют воду замерзать при более высоких температурах, чем это могло бы произойти самопроизвольно. Для самопроизвольного замерзания чистой воды, называемого гомогенным зародышеобразованием , температура облака должна быть -35 ° C (-31 ° F). [5] Вот несколько примеров ядер льда:
Ядра льда | Температура заморозки |
---|---|
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
По мере роста кристаллов льда они могут сталкиваться друг с другом, раскалываться и раскалываться, в результате чего образуется множество новых кристаллов льда. Есть много 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]
Агрегирование
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
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
В конце концов, этот ледяной кристалл станет достаточно большим, чтобы упасть. Он может даже столкнуться с другими кристаллами льда и еще больше вырасти в результате слияния , агрегации или аккреции при столкновении .
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 таять 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 он достигнет земли, в случае образования вирги .
Смотрите также
Рекомендации
- ^ Харпер, Кристин (2007). Погода и климат: десятилетие за десятилетием . Наука двадцатого века (иллюстрированный ред.). Издание 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 г.). «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., Роджерс, Р.Р .: "Краткий курс физики облаков", 1989. ISBN 0-7506-3215-1
Внешние ссылки
- Демонстрация процесса Бержерона