5.8 tudta, hogy a legtöbb csapadék ütközés-összeolvadásból származik?
5.8 tudta, hogy a legtöbb csapadék ütközés–összeolvadásból származik?
kétféle folyamat létezik a csapadékcseppekké történő növekedéshez: meleg felhő folyamatok és hideg felhő folyamatok. Meleg felhőkben a folyamatok csak folyadékcseppeket tartalmaznak. Hideg felhőkben a folyamatok csak szilárd részecskéket, valamint vegyes fázisokat (mind a túlhűtött folyadékot, mind a jeget) tartalmazhatnak. A legfontosabb folyamatok egy része a cseppek ütközésével jár, legyen az folyékony vagy szilárd.
ütközések
az ütközések hideg és meleg felhőkben egyaránt előfordulnak, és folyadékcseppeket, szilárd részecskéket vagy mindkettőt érinthetik.
- Collision–Coalescence: nagy folyadék csepp scavenges kisebb folyadék csepp, ahogy esik.
- Riming: a leeső jég összegyűjti a folyékony vizet, amely lefagy a felületén.
- Capture Nucleation: a nagy folyadékcsepp megfogja a kis jégrészecskét, amely jégmagként működik, és a nagy csepp megfagy. Az összegyűjtött részecske lehet jégmag (IN) vagy jégdarab, amely szintén jó jégmag. Mindkét esetben a túlhűtött folyadékcsepp az IN-vel érintkezve lefagy.
- összesítés: a hulló hópehely más hópelyheket takarít meg, amelyek összesítve nagyobb hópehely csomagot készítenek.
nyugalmi felhőcseppek esetén a gravitáció az egyetlen külső erő. Amint a felhőcsepp csökkenni kezd, akkor a légellenállás egy másik erőt képez, amelyet húzásnak hívnak, amely a sebesség függvénye.
kevesebb mint egy másodperc alatt a részecske eléri az esési sebességet, így a húzóerő pontosan kiegyensúlyozza a gravitációs erőt, és a sebesség állandóvá válik. Ezt a sebességet nevezzük végsebességnek. Mivel a gravitációs erő a csepp térfogatától függ,a csepp sugara kockájaként megy. Ezzel szemben a húzás a csepp felületére hat, így az a csepp területétől függ, és a csepp sugár négyzetének felel meg (a sebesség szorzata). Ha a gravitációs és húzóerőket egyenlővé tesszük a többiekkel, majd megoldjuk a végsebességet, könnyen megmutatható, hogy a végsebességnek lineárisan kell változnia a csepp sugarával. A mérések ezt a lineáris összefüggést mutatják. Például a végsebesség egy 50-szeres sugarú cseppnél körülbelül 0,3 m s–1, míg a végsebesség egy 10–szer nagyobb cseppnél (500 6m sugár) körülbelül 4 m s-1, ami alig több, mint egy 10-es tényező növekedése.
a növekedés egy felhő csepp a csapadék csepp ütközés-koaleszcencia adja az egyenlet:
d m L dt =Terület söpört ki⋅hatékonyságát gyűjtemény⋅sebesség különbség⋅folyékony víz tartalmat d m L dt = 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 Ez az egyenlet nem tölt rendesen, mivel nem kompatibilis böngésző. A kompatibilis böngészők listáját lásd a műszaki követelmények részben.
- mL a leeső nagy csepp tömege,
- Ag az a geometriai keresztmetszeti terület, amelyre a leeső nagy csepp és az alatta lévő sok csepp közötti ütközés lehetséges,
- Ec az ütközés-összeolvadás hatékonysága (azaz.(lásd az alábbi ábrát),
- vL a nagy csepp sebessége, vs a kisebb, lassabban eső cseppek sebessége,
- és LWC a folyékony víztartalom.
az alábbi ábra jó fogalmi képet nyújt az ütközés–összeolvadásról. A kollektor cseppnek gyorsabban kell esnie, mint a kisebb összegyűjtött csepp, hogy ketten összeütközhessenek. Ahogy a levegő áramvonalasodik a csepp körül, a kisebb cseppeket magukkal viszik a csepp körül, és a tényleges keresztmetszeti terület kisebb lesz, mint a tényleges keresztmetszeti terület, amely egyszerűen egy korong keresztmetszeti területe, amelynek sugara a nagy kollektorcsepp és a kisebb összegyűjtött cseppek sugarainak összege. Ahogy a cseppek nagyobbak lesznek, túl sok tehetetlenségük van ahhoz, hogy kövessék a légáramlatokat, ezáltal valószínűbbé téve az ütközést.
az Ec 10 db-os cseppre kicsi, így egy véletlenszerű folyamat során néhány csepp nagyobb lesz, mint mások, és elkezdik gyűjteni a kisebb cseppeket (lásd az alábbi ábrát). Az Ec növekszik, amikor a leeső csepp sugara növekszik. Amikor a nagyobb esés esése nagyobb, mint 100 6m sugarú, ütközési–koaleszcencia hatékonysága nagyon jó minden kisebb cseppnél, körülbelül 10-20 XNUMX XNUMX-ig.
amint egy gyűjtőcsepp elérte a néhány száz MHz-es sugarat, gyorsan esik (vL > > vs), és ütközési–koaleszcencia hatékonysága megközelíti a 100% – ot. Most tegye meg a következő lépéseket az 5.16 egyenlet átírásához: (1) Ec egyenlő 1-vel, (2) vL >> vs, (3) vL = állandó x rL, (4) mL = 4plnrl3/3 , és (5) oldja meg a drL/dt-t. Miután megtette ezeket a lépéseket, megmutathatja, hogy a drL/dt arányos az rL-vel. Vagyis minél nagyobb a csepp, annál gyorsabban növekszik. A változók (rL és t) elválasztása és az RL = 0-tól t = 0-ig történő integrálása az RL és t tetszőleges értékeihez azt mutatja, hogy az rL exponenciálisan növekszik az idővel:
R D 6 exp (idő) ez az egyenlet nem teszi megfelelően miatt inkompatibilis böngésző. A kompatibilis böngészők listáját lásd a műszaki követelmények részben.
a végsebesség és a cseppsugár közötti arányossági állandó értéke 0.8 x 10-3 s–1 és LWC = 1 g m–3, kimutatható, hogy egy csepp 50–ről 1000-re nőhet 65 perc alatt összeütközéssel. Tehát az aktivált felhőcseppek a gőzlerakódás lassú növekedésével (az idő négyzetgyöke) 10-20 km-re nőnek. Aztán, amikor az ütközés-összeolvadás megkezdődik, és néhány nagy csepp keletkezik, az idő múlásával exponenciálisan növekedhetnek.
a kisebb cseppek jellemzően gömb alakúak. Amint ezek a cseppek Egy mm-es sugár fölé kerülnek, egyre inkább torzulnak, a húzóerők miatt lapított fenékkel rendelkeznek, és kissé úgy néznek ki, mint egy hamburger zsemle felső fele. Tovább torzulhatnak úgy, hogy a zsemle alakjának közepét a húzóerők felfelé tolják, így a csepp fejjel lefelé tálra emlékeztető alakot kap.
végül a cseppek felbomlanak, vagy úgy, hogy elég vékonyak a közepén, hogy darabokra törjenek, vagy olyan erősen ütköznek más cseppekkel, hogy a szálak vagy a folyadéklapok elszakadnak, hogy más cseppeket képezzenek. Ezek a folyamatok számos cseppméretet hoznak létre. Így az eső olyan cseppekből áll, amelyek széles spektrumúak. A következő videó (2:50) “hogyan alakulnak ki az esőcseppek” címmel a légkör vízciklusának egyszerűsített áttekintésével kezdődik, de aztán példákat mutat be egy leeső cseppre, ütközés–összeolvadásra és felhő-csepp szakadásra.
most ez egy ismerős jelenet. A nap melege miatt a növények, tavak és óceánok vize folyadékból gőzré változik. A légkörben a vízgőz ezután lehűl, és a gázból folyadékká kondenzálódik. A folyékony víz ezután eső, hó, jég vagy jégeső formájában esik vissza a felszínre. A víz patakokba, tavakba és óceánokba áramlik, vagy a földben vagy a hóútban tárolódik. Ez a víz körforgása, és leírja a leglényegesebb erőforrásainkat az egész földrendszerben, de mint a legtöbb dolog a világunkban, amikor megnézzük az egészet alkotó apró részeket, sokkal többet megtudhatunk a jelenségről. Vegyünk egy esőcsepp alakját. A légkörben lévő kis vízcseppek gömb alakúak a vízmolekulák felületi feszültsége vagy bőre miatt. Ahogy ezek a cseppek nőnek, nehezebbé válnak, és elkezdenek esni a levegőben. Ahogy esik, az esőcsepp ütközik más cseppekkel, és tovább növekszik. Ezek a nagyobb esőcseppek gyorsabban esnek át a levegőn, a csepp alsó oldalán lévő szélállóság miatt a csepp alja ellapul, ami egy hamburger zsemléhez hasonló cseppet eredményez. Ahogy a csepp folyamatosan csökken és növekszik egy bizonyos ponton, túl nagy lesz ahhoz, hogy a felületi feszültség összetartsa, így az esőcsepp kisebb spirálcseppekre szakad. A szabad szemmel nem látható folyamatok vizsgálata nem új keletű. A tudomány és a technológia egymást hajtja előre, és gyakran vezet felismerésekhez és felfedezésekhez az út mentén. A nagy sebességű fényképezés feltalálásával végre láthattuk vizes bolygónk legalapvetőbb elemeit. Annak megértése, hogy egy apró esőcsepp hogyan esik át a légkörön, nem csupán azt a mítoszt leplezi le, miszerint az esőcsepp könnycsepp módjára esik. Valójában különbséget tesz a csapadék mérésében, különösen a földi radarok esetében. Földi radarok nézd meg az oldalán az esőcseppek, majd megbecsülni a függőleges és vízszintes sóhajt. A nehezebb, laposabb csepp lehetővé teszi a radarok számára a nehezebb Csapadék azonosítását. Valójában a GPM műhold fedélzetén lévő két Radar is képes mérni a cseppméreteket az űrből, így az esőcseppek pontosabb áttekintése pontosabb képet ad arról, hogyan alakul a globális Csapadék.
a riming, a capture nucleation és az aggregáció esetében hasonló egyenletek vannak az 5.16 egyenlethez hasonló kifejezésekkel—egy kisugárzott terület, a gyűjtési hatékonyság, a relatív sebesség, valamint a kisebb cseppek vagy jég folyékony vagy szilárd tömegkoncentrációja. Ezek általában egy kicsit bonyolultabbak, ha a jég nem gömb alakú, de a fogalmak ugyanazok. Ezek a jégütközési-összeolvadási folyamatok képesek olyan nagy jégrészecskéket előállítani, amelyek elég nagyok ahhoz, hogy leesjenek, és ha ezek a részecskék felmelegednek, amikor áthaladnak a felhő meleg részén, folyékony esővé válhatnak. A nyári eső jelentős része jégütközésből származhat-a felhők fagyási vonala feletti koaleszcencia folyamatok.
