5.8 ¿Sabía que la mayor parte de la precipitación proviene de la colisión-coalescencia?
5.8 ¿Sabía que la mayoría de las precipitaciones provienen de la colisión-coalescencia?
Hay dos tipos de procesos para el crecimiento en gotas de precipitación: procesos de nubes cálidas y procesos de nubes frías. En las nubes cálidas, todos los procesos involucran solo gotas líquidas. En las nubes frías, los procesos pueden involucrar solo partículas sólidas, así como fases mixtas (líquido sobreenfriado y hielo). Algunos de los procesos más importantes implican colisiones entre gotas, ya sean líquidas o sólidas.
Colisiones
Las colisiones ocurren en nubes frías y cálidas y pueden involucrar gotas líquidas o partículas sólidas o ambas.
- Coalescencia por colisión: Las gotas de líquido grandes eliminan las gotas de líquido más pequeñas a medida que caen.
- Borde: El hielo que cae recoge el agua líquida, que se congela en su superficie.
- Captura de nucleación: Una gota de líquido grande captura una partícula de hielo pequeña, que actúa como un núcleo de hielo y hace que la gota grande se congele. La partícula que se recoge puede ser un núcleo de hielo (IN) o un trozo de hielo, que también es un buen núcleo de hielo. En cualquier caso, la gota líquida sobreenfriada se congela al contacto con el INTERIOR.
- Agregación: El copo de nieve que cae elimina otros copos de nieve que se agregan para hacer un paquete de copo de nieve más grande.
Para una caída de nubes en reposo, la gravedad es la única fuerza externa. Una vez que la caída de la nube comienza a caer, la resistencia del aire forma otra fuerza llamada arrastre, que es una función de la velocidad.
En menos de un segundo, la partícula alcanza una velocidad de caída tal que la fuerza de arrastre equilibra exactamente la fuerza gravitacional y la velocidad se vuelve constante. Esta velocidad se llama velocidad terminal. Debido a que la fuerza gravitacional depende del volumen de la gota, va como el cubo del radio de caída. Por el contrario, el arrastre actúa sobre la superficie de la gota, por lo que depende del área de gota y va como el cuadrado del radio de gota (multiplicado por la velocidad). Ajustando las fuerzas gravitacionales y de arrastre iguales a otras y luego resolviendo la velocidad terminal, es fácil demostrar que la velocidad terminal debe variar linealmente con el radio de caída. Las mediciones confirman esta relación lineal. Por ejemplo, la velocidad terminal de una caída de radio de 50 µm es de aproximadamente 0,3 m s–1, mientras que la velocidad terminal de una caída 10 veces mayor (radio de 500 µm) es de aproximadamente 4 m s–1, lo que solo aumenta un poco más de un factor de 10.
El crecimiento de una caída de nube en una caída de precipitación por colisión-coalescencia viene dado por la ecuación:
d m L dt = Área barrida⋅eficiencia de recogida⋅diferencia de velocidad⋅contenido de agua líquida d m L dt = A g ⋅ E c ⋅ (v L − v s )⋅LWC d m L dt =π( r L + r s ) 2 ⋅ E c ⋅ (v L − v s )⋅LWC Esta ecuación no se reproduce correctamente debido a un navegador incompatible. Consulte Requisitos técnicos en la Orientación para obtener una lista de navegadores compatibles.
- mL es la masa de la gota grande que cae,
- Ag es el área geométrica de la sección transversal para la que son posibles colisiones entre la gota grande que cae y las muchas gotas que se encuentran debajo,
- Ec es la eficiencia de colisión–coalescencia (p. ej., una eficiencia de recolección), que es la fracción del área de la sección transversal real que se elimina en comparación con el área de la sección transversal que es geométricamente posible (las gotas más pequeñas pueden seguir las líneas de flujo de aire y rodear la gran caída) (ver la figura a continuación),
- vL es la velocidad de la gran caída y vs es la velocidad de las gotas más pequeñas y lentas que caen debajo,
- y LWC es el contenido de agua líquida.
La siguiente figura proporciona una buena imagen conceptual de la colisión-coalescencia. La gota de colector debe estar cayendo más rápido que la gota de recolección más pequeña para que los dos puedan chocar. A medida que el aire se agiliza alrededor de la gota, llevan consigo las gotas más pequeñas alrededor de la gota, y el área de sección transversal efectiva se vuelve menor que el área de sección transversal real, que es simplemente el área de sección transversal de un disco con un radio que es la suma de los radios de la gota de colector grande y las gotas recolectadas más pequeñas. A medida que las gotas se hacen más grandes, tienen demasiada inercia para seguir las líneas de aire, lo que hace que la colisión sea más probable.
La Ec es pequeña para gotas de 10 µm, por lo que, mediante un proceso aleatorio, algunas gotas se vuelven más grandes que otras y comienzan a recolectar gotas más pequeñas (ver la figura a continuación). Ec aumenta a medida que aumenta el radio de la caída. Cuando la caída más grande gana un radio de más de 100 µm, su eficiencia de colisión y coalescencia es muy buena para todas las caídas más pequeñas hasta tamaños de aproximadamente 10-20 µm.
Una vez que una gota colectora ha alcanzado un radio de unos pocos cientos de µm, está cayendo rápidamente (vL >> vs) y su eficiencia de colisión-coalescencia es cercana al 100%. Ahora siga los siguientes pasos para reescribir la ecuación 5.16: (1) Ec igual a 1, (2) vL >> vs, (3) vL = constante x rL, (4) mL = 4plnrL3/3 , y (5) resolver para drL/dt. Una vez que realice estos pasos, puede demostrar que drL/dt es proporcional al rL. Es decir, cuanto más grande es la gota, más rápido crece. La separación de variables (rL y t) y la integración de rL = 0 en t = 0 a valores arbitrarios de rL y t revela que rL aumenta exponencialmente con el tiempo:
r d ex exp (time) Esta ecuación no se está renderizando correctamente debido a un navegador incompatible. Consulte Requisitos técnicos en la Orientación para obtener una lista de navegadores compatibles.
Con la constante de proporcionalidad entre la velocidad terminal y el radio de caída establecido en 0.8 x 10-3 s–1 y LWC = 1 g m–3, se puede demostrar que una gota puede crecer de 50 µm a 1000 µm por colisión-coalescencia en solo 25 minutos. Por lo tanto, las gotas de nubes activadas crecen a 10-20 µm por el lento crecimiento de la deposición de vapor (raíz cuadrada del tiempo). Luego, cuando comienza la coalescencia de colisión y produce unas pocas gotas grandes, pueden crecer exponencialmente con el tiempo.
Las gotas más pequeñas son típicamente esféricas. Una vez que estas gotas llegan a estar por encima de un mm de radio, se distorsionan cada vez más, con un fondo aplanado debido a las fuerzas de arrastre, y se parecen un poco a la mitad superior de un pan de hamburguesa. Se pueden distorsionar aún más para que la mitad de la forma de bollo sea empujada hacia arriba por las fuerzas de arrastre para que la gota tome una forma que se asemeje a un tazón boca abajo.
Eventualmente, las gotas se rompen, ya sea al adelgazar lo suficiente en el centro como para romperse en pedazos o al chocar con otras gotas tan duras que los filamentos u hojas de líquido se rompen para formar otras gotas. Estos procesos crean una amplia gama de tamaños de gotas. Por lo tanto, la lluvia consiste en gotas que tienen un amplio espectro de tamaños. El siguiente video (2:50) titulado “Cómo se forman las gotas de lluvia” comienza con una vista simplificada del ciclo del agua de la atmósfera, pero luego muestra ejemplos de caída de gotas, colisión–coalescencia y ruptura de gotas de nubes.
Esta es una escena familiar. El calor del sol hace que el agua de las plantas, lagos y océanos se convierta de líquido en vapor. En lo alto de la atmósfera, el vapor de agua se enfría y se condensa de un gas a un líquido. El agua líquida vuelve a caer a la superficie en forma de lluvia, nieve, hielo o granizo. El agua corre hacia arroyos, lagos y océanos o se almacena en el suelo o en el camino de la nieve. Este es el ciclo del agua y describe nuestros recursos más vitales que se mueven a través de todo el sistema de la tierra, pero como la mayoría de las cosas en nuestro mundo, cuando miramos las partes diminutas que componen el todo, podemos aprender mucho más sobre el fenómeno. Toma la forma de una sola gota de lluvia. Las pequeñas gotas de agua en la atmósfera tienen forma esférica debido a la tensión superficial o la piel de las moléculas de agua. A medida que estas gotas crecen, se vuelven más pesadas y comienzan a caer por el aire. A medida que caen, la gota de lluvia choca con otras gotas y continúa creciendo. Estas gotas de lluvia más grandes caen a través del aire más rápido la resistencia al viento en la parte inferior de la gota hace que la parte inferior de la gota se aplane, lo que resulta en una gota que parece un pan de hamburguesa. A medida que la gota continúa cayendo y creciendo en algún momento, se vuelve demasiado grande para que la tensión superficial la mantenga unida, por lo que la gota de lluvia se rompe en gotas de espiráculo más pequeñas. Investigar los procesos que no podemos ver a simple vista no es nada nuevo. La ciencia y la tecnología se impulsan mutuamente y, a menudo, conducen a ideas y descubrimientos en el camino. Con la invención de la fotografía de alta velocidad, finalmente vimos los elementos más básicos de nuestro planeta acuático en acción. Comprender cómo una pequeña gota de lluvia cae a través de la atmósfera hace más que desacreditar el mito de que una gota de lluvia Cae como una lágrima. En realidad, hace una diferencia cuando se trata de medir la precipitación, en particular para los radares terrestres. Los radares de tierra miran los lados de las gotas de lluvia y luego estiman los suspiros verticales y horizontales. Una caída más pesada y plana permite a los radares identificar precipitaciones más pesadas. De hecho, los dos radares a bordo del satélite GPM también pueden medir el tamaño de las gotas desde el espacio, por lo que una mirada más precisa a las gotas de lluvia nos da una visión más precisa de cómo se está formando la lluvia global.
Para el rimado, la nucleación de captura y la agregación, hay ecuaciones similares con términos similares a los de la Ecuación 5.16: un área barrida, una eficiencia de recolección, la velocidad relativa y la concentración de masa líquida o sólida de las gotas o hielo más pequeños. Estos suelen ser un poco más complicados si el hielo no es esférico, pero los conceptos son los mismos. Estos procesos de colisión-coalescencia de hielo son capaces de producir partículas de hielo lo suficientemente grandes como para caer, y si estas partículas se calientan a medida que pasan a través de la parte cálida de la nube, pueden convertirse en lluvia líquida. Una fracción significativa de la lluvia en el verano puede provenir de procesos de colisión y coalescencia de hielo por encima de la línea de congelación en las nubes.
