5.8 vidste du, at de fleste Nedbør kommer fra kollision-koalescens?
5.8 vidste du, at de fleste Nedbør kommer fra kollision–koalescens?
der er to typer processer til vækst i nedbørsdråber: varme skyprocesser og kolde skyprocesser. I varme skyer involverer processerne kun flydende dråber. I kolde skyer kan processerne kun involvere faste partikler såvel som blandede faser (både superkølet væske og is). Nogle af de vigtigste processer involverer kollisioner mellem dråber, uanset om de er flydende eller faste.
kollisioner
kollisioner forekommer i både kolde og varme skyer og kan involvere enten flydende dråber eller faste partikler eller begge dele.
- kollision–koalescens: stor væskedråbe fjerner mindre væskedråber, når den falder.
- Riming: faldende is samler flydende vand, som fryser på overfladen.
- Capture Nucleation: stor flydende dråbe fanger lille ispartikel, der fungerer som en iskerne og får det store dråbe til at fryse. Partiklen, der opsamles, kan enten være en iskerne (IN) eller et stykke is, som også er en god iskerne. I begge tilfælde fryser det superkølede væskedråbe ved kontakt med IN.
- aggregering: faldende snefnug fjerner andre snefnug, der samles for at lave et større snefnugbundt.
for et skyfald i hvile er tyngdekraften den eneste eksterne kraft. Når skyfaldet begynder at falde, danner luftmodstanden en anden kraft kaldet træk, som er en funktion af hastigheden.
på mindre end et sekund når partiklen en faldhastighed, således at trækkraften nøjagtigt afbalancerer tyngdekraften, og hastigheden bliver konstant. Denne hastighed kaldes terminalhastigheden. Fordi tyngdekraften afhænger af dråbens volumen, går den som terningen af dråberadius. I modsætning hertil virker træk på overfladen af dråben, og det afhænger derfor af drop-området og går som kvadratet af drop-radius (gange hastigheden). Indstilling af tyngdekraft og træk kræfter lig med andre og derefter løse for terminalhastigheden, er det let at vise, at terminalhastigheden skal variere lineært med drop radius. Målinger bærer dette lineære forhold ud. For eksempel er terminalhastigheden af en radius på 50 liter dråbe omkring 0,3 m s–1, mens terminalhastigheden for en dråbe 10 gange større (radius på 500 liter) er omkring 4 m s–1, hvilket kun er lidt mere end en faktor-of-10 stigning.
væksten af et skyfald i et nedbørsfald ved kollision-koalescens er givet ved ligningen:
d m L dt = – Området fejet ud⋅effektivitet i indsamling⋅hastighed forskel⋅flydende vand indhold l m L dt = A g ⋅ E k ⋅( v, L − v-s )⋅LWC d m L dt =π ( r + r-r ) 2 ⋅ E k ⋅( v, L − v-s )⋅LWC Denne ligning er ikke gengives korrekt på grund af en ikke-kompatibel browser. Se Tekniske krav i retningen for en liste over kompatible bro.sere.
- mL er massen af det store fald, der falder,
- Ag er det geometriske tværsnitsareal, for hvilket kollisioner mellem det faldende store fald og de mange dråber nedenfor er mulige,
- Ec er kollisions–koalescenseffektiviteten (dvs., en opsamlingseffektivitet), som er den brøkdel af det faktiske tværsnitsareal, der fejes ud sammenlignet med det tværsnitsareal, der er geometrisk muligt (mindre dråber kan følge luftstrømlinjer og gå rundt om det store fald) (se figuren nedenfor),
- vL er hastigheden af det store fald og vs er hastigheden af de mindre, langsommere faldende dråber under,
- og LVC er det flydende vandindhold.
figuren nedenfor giver et godt konceptuelt billede af kollisions–koalescens. Kollektorfaldet skal falde hurtigere end det mindre opsamlede fald, så de to kan kollidere. Når luftstrømlinjerne bøjer sig ud omkring dråben, bærer de de mindre dråber med sig omkring dråben, og det effektive tværsnitsareal bliver mindre end det faktiske tværsnitsareal, som simpelthen er tværsnitsarealet på en disk med en radius, der er summen af radierne for det store kollektorfald og de mindre opsamlede dråber. Efterhånden som dråberne bliver større, har de for meget inerti til at følge luftstrømlinjerne, hvilket gør kollisionen mere sandsynlig.
Ec er lille til 10 liter dråber, så ved en tilfældig proces bliver nogle dråber større end andre og begynder at samle mindre dråber (se figur nedenfor). Ec øges, når radius for det faldende fald øges. Når det større faldende fald får en radius på mere end 100 liter, er dens kollisions–koalescenseffektivitet meget god for alle mindre dråber ned til størrelser på omkring 10-20 liter.
når en opsamlingsdråbe har nået en radius på et par hundrede liter, falder den hurtigt (vL >> vs), og dens kollisions–koalescenseffektivitet er tæt på 100%. Tag nu følgende trin for at omskrive ligning 5.16: (1) EF lig med 1, (2) VL >> vs, (3) vL = konstant RL, (4) mL = 4plnrl3/3 og (5) løse for drL/dt. Når du har taget disse trin, kan du vise, at drL/dt er proportional med rL. Det vil sige, jo større dråben bliver, jo hurtigere vokser den. At adskille variabler (rL og t) og integrere fra rL = 0 ved t = 0 til vilkårlige værdier af rL og t afslører, at rL stiger eksponentielt med tiden:
denne ligning gengives ikke korrekt på grund af en inkompatibel bro.ser. Se Tekniske krav i retningen for en liste over kompatible bro.sere.
med proportionalitetskonstanten mellem terminalhastigheden og dråberadius indstillet til 0.8 gange 10-3 s-1 og LVC = 1 g m-3, kan det påvises, at en dråbe kan vokse fra 50 liter til 1000 liter ved kollision–koalescens på kun 25 minutter. Så de aktiverede skydråber vokser til 10-20 liter ved den langsomme vækst af dampaflejring (kvadratroden af tiden). Så når kollision–koalescens starter og producerer et par store dråber, kan de vokse eksponentielt med tiden.
mindre dråber er typisk sfæriske. Når disse dråber kommer til at være over en mm i radius, de bliver mere og mere forvrænget, med en flad bund på grund af trækstyrker, og de ligner lidt den øverste halvdel af en hamburgerbolle. De kan forvrænges yderligere, så midten af bolleformen bliver skubbet op af trækstyrkerne, så dråben får en form, der ligner en skål på hovedet.
til sidst bryder dråberne op, enten ved at blive tynde nok i midten til at de bryder i stykker eller ved at kollidere med andre dråber så hårdt, at filamenter eller væskeplader bryder af for at danne andre dråber. Disse processer skaber en lang række størrelser af dråber. Således består regn af dråber, der har et bredt spektrum af størrelser. Følgende video (2: 50) med titlen “Hvordan regndråber dannes” starter med et forenklet billede af atmosfærens vandcyklus, men viser derefter eksempler på et faldende fald, kollision–sammenblanding og Sky-drop-sammenbrud.
nu er dette en velkendt scene. Solens varme får vand fra planter, søer og oceaner til at vende sig fra en væske til en damp. Højt i atmosfæren køler vanddampen derefter ned og kondenserer fra en gas tilbage til en væske. Det flydende vand falder derefter tilbage til overfladen i form af regn, sne, is eller hagl. Vand løber ud i vandløb søer og oceaner eller opbevares i jorden eller i sne sti. Dette er vandcyklussen, og det beskriver vores mest vitale ressource bevæger sig gennem hele jordsystemet, men som de fleste ting i vores verden, når vi ser på de små dele, der udgør helheden, kan vi lære meget mere om fænomenet. Tag form af en enkelt regndråbe. Små dråber vand i atmosfæren er sfæriske i form på grund af vandmolekylernes overfladespænding eller hud. Når disse dråber vokser, bliver de tungere og begynder at falde gennem luften. Når de falder, kolliderer regndråben med andre dråber og fortsætter med at blive større. Disse større regndråber falder hurtigere gennem luften vindmodstanden på undersiden af dråben får bunden af dråben til at flade ud, hvilket resulterer i en dråbe, der ligner en hamburgerbolle. Efterhånden som dråben fortsætter med at falde og vokse på et tidspunkt, bliver den for stor til, at overfladespændingen holder den sammen, så regndråben bryder fra hinanden i mindre spirakeldråber. At undersøge de processer, vi ikke kan se med det blotte øje, er ikke noget nyt. Videnskab og teknologi driver hinanden fremad og fører ofte til indsigt og opdagelser undervejs. Med opfindelsen af højhastighedsfotografering så vi endelig de mest grundlæggende elementer i vores vandige planet i aktion. At forstå, hvordan en lille regndråbe falder gennem atmosfæren, debunkerer mere end myten om, at en regndråbe falder som en dråbe. Det gør faktisk en forskel, når det kommer til måling af nedbør, især for jordradarer. Jordradarer ser på siderne af regndråberne og estimerer derefter de lodrette og vandrette suk. Et tungere, fladere fald gør det muligt for radarer at identificere tungere nedbør. Faktisk kan de to radarer ombord på GPM-satellitten også måle dråbestørrelser fra rummet, og et mere præcist kig på regndråber giver os et mere præcist kig på, hvordan global nedbør formes.
til riming, capture nucleation og aggregering er der lignende ligninger med udtryk svarende til dem i ligning 5.16—et område fejet ud, en opsamlingseffektivitet, den relative hastighed og den flydende eller faste massekoncentration af de mindre dråber eller is. Disse er typisk lidt mere komplicerede, hvis isen ikke er sfærisk, men begreberne er de samme. Disse iskollision – koalescensprocesser er i stand til at producere ispartikler, der er store nok til at falde, og hvis disse partikler opvarmes, når de passerer gennem den varme del af skyen, kan de blive til flydende regn. En betydelig del af regn om sommeren kan komme fra iskollision–sammenfaldsprocesser over fryselinjen i skyerne.
