5.8 Saviez-vous que la plupart des précipitations proviennent d’une collision-coalescence ?
5.8 Saviez-vous que la plupart des précipitations proviennent d’une collision–coalescence?
Il existe deux types de processus de croissance en gouttes de précipitation: les processus de nuages chauds et les processus de nuages froids. Dans les nuages chauds, les processus n’impliquent que des gouttes liquides. Dans les nuages froids, les processus ne peuvent impliquer que des particules solides, ainsi que des phases mixtes (liquide surfondu et glace). Certains des processus les plus importants impliquent des collisions entre gouttes, qu’elles soient liquides ou solides.
Collisions
Les collisions se produisent dans des nuages froids et chauds et peuvent impliquer des gouttes liquides ou des particules solides ou les deux.
- Collision -Coalescence : Une grande goutte de liquide élimine les petites gouttes de liquide en tombant.
- Rimage: La glace qui tombe recueille l’eau liquide qui gèle à sa surface.
- Nucléation de capture: Une grosse goutte liquide capture une petite particule de glace, qui agit comme un noyau de glace et provoque le gel de la grosse goutte. La particule collectée peut être un noyau de glace (IN) ou un morceau de glace, qui est également un bon noyau de glace. Dans les deux cas, la goutte de liquide surfondue gèle au contact de l’IN.
- Agrégation : La chute d’un flocon de neige élimine d’autres flocons de neige qui s’agrégent pour former un faisceau de flocons de neige plus grand.
Pour une chute de nuage au repos, la gravité est la seule force externe. Une fois que la goutte de nuage commence à tomber, la résistance de l’air forme une autre force appelée traînée, qui est fonction de la vitesse.
En moins d’une seconde, la particule atteint une vitesse de chute telle que la force de traînée équilibre exactement la force gravitationnelle et la vitesse devient constante. Cette vitesse est appelée vitesse terminale. Parce que la force gravitationnelle dépend du volume de la goutte, elle va comme le cube du rayon de la goutte. En revanche, la traînée agit sur la surface de la goutte, et dépend donc de la zone de la goutte et va comme le carré du rayon de la goutte (fois la vitesse). En définissant les forces gravitationnelles et de traînée égales aux autres, puis en résolvant la vitesse terminale, il est facile de montrer que la vitesse terminale doit varier linéairement avec le rayon de chute. Les mesures supportent cette relation linéaire. Par exemple, la vitesse terminale d’une goutte de rayon de 50 µm est d’environ 0,3 m s–1, tandis que la vitesse terminale d’une goutte 10 fois plus grande (rayon de 500 µm) est d’environ 4 m s–1, ce qui augmente d’un peu plus d’un facteur de 10.
La croissance d’une goutte de nuage en une goutte de précipitation par collision-coalescence est donnée par l’équation:
d m L dt =Aire balayée⋅efficacité de la collecte⋅vitesse de différence⋅teneur en eau liquide de d m L dt = g ⋅ E c ⋅( v L − v s )⋅LWC d m L dt =π ( r L + r ) 2 ⋅ c ⋅( v L − v s )⋅LWC Cette équation n’est pas rendu correctement en raison d’un navigateur incompatible. Voir les exigences techniques dans l’Orientation pour une liste des navigateurs compatibles.
- mL est la masse de la grande goutte qui tombe,
- Ag est la section transversale géométrique pour laquelle des collisions entre la grande goutte tombante et les nombreuses gouttes ci-dessous sont possibles,
- Ec est l’efficacité collision–coalescence (i.e., une efficacité de collecte), qui est la fraction de la section transversale réelle qui est balayée par rapport à la section transversale qui est géométriquement possible (des gouttes plus petites peuvent suivre les lignes de flux d’air et contourner la grande goutte) (voir la figure ci-dessous),
- vL est la vitesse de la grande goutte et vs est la vitesse des gouttes plus petites et plus lentes en dessous,
- et LWC est la teneur en eau liquide.
La figure ci-dessous fournit une bonne image conceptuelle de la collision-coalescence. La goutte collectrice doit tomber plus rapidement que la goutte collectrice plus petite afin que les deux puissent entrer en collision. Au fur et à mesure que l’air se rationalise autour de la goutte, ils transportent les plus petites gouttes autour de la goutte, et la section efficace devient inférieure à la section réelle, qui est simplement la section transversale d’un disque avec un rayon qui est la somme des rayons de la grande goutte collectrice et des plus petites gouttes collectées. À mesure que les gouttes grossissent, elles ont trop d’inertie pour suivre les lignes de flux d’air, rendant ainsi la collision plus probable.
Ec est petit pour les gouttes de 10 µm, donc par un processus aléatoire, certaines gouttes deviennent plus grosses que d’autres et commencent à collecter des gouttes plus petites (voir figure ci-dessous). Ec augmente à mesure que le rayon de la chute augmente. Lorsque la plus grande chute gagne un rayon de plus de 100 µm, son efficacité de collision–coalescence est très bonne pour toutes les plus petites gouttes jusqu’à des tailles d’environ 10-20 µm.
Une fois qu’une goutte collectrice a atteint un rayon de quelques centaines de µm, elle tombe rapidement (vL > > vs) et son efficacité collision-coalescence est proche de 100%. Maintenant, procédez comme suit pour réécrire l’équation 5.16: (1) Ec égal à 1, (2) vL > > vs, (3) vL = constante x rL, (4) mL = 4plnrL3/3 et (5) résoudre pour drL/dt. Une fois ces étapes franchies, vous pouvez montrer que drL/dt est proportionnel à rL. Autrement dit, plus la goutte est grande, plus elle grandit rapidement. La séparation des variables (rL et t) et l’intégration de rL = 0 à t = 0 à des valeurs arbitraires de rL et t révèlent que rL augmente exponentiellement avec le temps:
r dexexp(time) Cette équation ne s’affiche pas correctement en raison d’un navigateur incompatible. Voir les exigences techniques dans l’Orientation pour une liste des navigateurs compatibles.
Avec la constante de proportionnalité entre la vitesse terminale et le rayon de chute fixée à 0.8 x 10-3 s-1 et LWC = 1 g m-3, on peut montrer qu’une goutte peut passer de 50 µm à 1000 µm par collision–coalescence en seulement 25 minutes. Ainsi, les gouttes de nuages activées atteignent 10-20 µm par la croissance lente du dépôt en phase vapeur (racine carrée du temps). Ensuite, lorsque la collision-coalescence commence et produit quelques grosses gouttes, elles peuvent croître de manière exponentielle avec le temps.
Les gouttes plus petites sont généralement sphériques. Une fois que ces gouttes atteignent un rayon supérieur à un mm, elles deviennent de plus en plus déformées, avec un fond aplati en raison des forces de traînée, et elles ressemblent un peu à la moitié supérieure d’un pain à hamburger. Ils peuvent être encore déformés de sorte que le milieu de la forme du chignon soit poussé vers le haut par les forces de traînée de sorte que la goutte prenne une forme ressemblant à un bol à l’envers.
Les gouttes finissent par se briser, soit en devenant suffisamment minces au milieu pour se briser en morceaux, soit en entrant en collision avec d’autres gouttes si dures que des filaments ou des feuilles de liquide se détachent pour former d’autres gouttes. Ces processus créent toute une gamme de tailles de gouttes. Ainsi, la pluie se compose de gouttes qui ont un large spectre de tailles. La vidéo suivante (2:50) intitulée “Comment les gouttes de pluie se forment” commence par une vue simplifiée du cycle de l’eau de l’atmosphère, mais montre ensuite des exemples de chute de gouttes, de collision–coalescence et de rupture de gouttes de nuages.
Maintenant, c’est une scène familière. La chaleur du soleil fait passer l’eau des plantes, des lacs et des océans d’un liquide à une vapeur. Haute dans l’atmosphère, la vapeur d’eau se refroidit et se condense d’un gaz en un liquide. L’eau liquide retombe ensuite à la surface sous forme de pluie, de neige, de glace ou de grêle. L’eau s’écoule dans les ruisseaux, les lacs et les océans ou est stockée dans le sol ou dans le chemin de neige. C’est le cycle de l’eau et il décrit notre ressource la plus vitale qui se déplace à travers tout le système terrestre, mais comme la plupart des choses dans notre monde lorsque nous regardons les petites parties qui composent l’ensemble, nous pouvons en apprendre beaucoup plus sur le phénomène. Prenez la forme d’une seule goutte de pluie. Les petites gouttelettes d’eau dans l’atmosphère ont une forme sphérique en raison de la tension superficielle ou de la peau des molécules d’eau. Au fur et à mesure que ces gouttelettes grandissent, elles deviennent plus lourdes et commencent à tomber dans l’air. En tombant, la goutte de pluie entre en collision avec d’autres gouttes et continue de grossir. Ces gouttes de pluie plus grosses tombent dans l’air plus rapidement, la résistance au vent sur la face inférieure de la goutte provoque l’aplatissement du fond de la goutte, ce qui donne une goutte ressemblant à un pain à hamburger. Au fur et à mesure que la goutte continue de tomber et de croître à un moment donné, elle devient trop grande pour que la tension superficielle la maintienne, de sorte que la goutte de pluie se brise en gouttes de spiracle plus petites. Enquêter sur les processus que nous ne pouvons pas voir à l’œil nu n’est pas nouveau. La science et la technologie se stimulent mutuellement et mènent souvent à des idées et à des découvertes en cours de route. Avec l’invention de la photographie à grande vitesse, nous avons enfin vu les éléments les plus élémentaires de notre planète aquatique en action. Comprendre comment une minuscule goutte de pluie tombe dans l’atmosphère fait plus que démystifier le mythe selon lequel une goutte de pluie tombe comme une larme. Cela fait réellement une différence lorsqu’il s’agit de mesurer les précipitations, en particulier pour les radars au sol. Les radars au sol regardent les côtés des gouttes de pluie, puis estiment les soupirs verticaux et horizontaux. Une goutte plus lourde et plus plate permet aux radars d’identifier les précipitations plus lourdes. En fait, les deux radars à bord du satellite GPM peuvent également mesurer la taille des gouttes depuis l’espace et un regard plus précis sur les gouttes de pluie nous donne un aperçu plus précis de l’évolution des précipitations mondiales.
Pour le rimage, la nucléation de capture et l’agrégation, il existe des équations similaires avec des termes similaires à ceux de l’équation 5.16 — une zone balayée, une efficacité de collecte, la vitesse relative et la concentration en masse liquide ou solide des plus petites gouttes ou de la glace. Ceux-ci sont généralement un peu plus compliqués si la glace n’est pas sphérique, mais les concepts sont les mêmes. Ces processus de collision-coalescence de glace sont capables de produire des particules de glace suffisamment grosses pour tomber, et si ces particules se réchauffent lorsqu’elles traversent la partie chaude du nuage, elles peuvent se transformer en pluie liquide. Une fraction importante de la pluie en été peut provenir de processus de collision–coalescence de glace au-dessus de la ligne de congélation dans les nuages.
