5.8 Sapevi che la maggior parte delle precipitazioni deriva dalla coalescenza di collisione?
5.8 Sapevi che la maggior parte delle precipitazioni proviene dalla coalescenza di collisione?
Esistono due tipi di processi per la crescita in gocce di precipitazione: processi a nuvola calda e processi a nuvola fredda. Nelle nuvole calde, i processi coinvolgono solo gocce liquide. Nelle nuvole fredde, i processi possono coinvolgere solo particelle solide, così come fasi miste (sia liquido supercooled che ghiaccio). Alcuni dei processi più importanti comportano collisioni tra gocce, siano esse liquide o solide.
Collisioni
Le collisioni si verificano sia in nuvole fredde che calde e possono coinvolgere gocce liquide o particelle solide o entrambi.
- Collision–Coalescence: Large liquid drop scavenges smaller liquid drops as it falls.
- Riming: il ghiaccio che cade raccoglie l’acqua liquida, che si congela sulla sua superficie.
- Cattura nucleazione: Grande goccia di liquido cattura piccola particella di ghiaccio, che agisce come un nucleo di ghiaccio e provoca la grande goccia di congelare. La particella che viene raccolta può essere un nucleo di ghiaccio (IN) o un pezzo di ghiaccio, che è anche un buon nucleo di ghiaccio. In entrambi i casi, la goccia di liquido supercooled si congela al contatto con l’IN.
- Aggregazione: Cadere fiocco di neve scavenges altri fiocchi di neve che aggregano per fare un più grande fiocco di neve fascio.
Per una goccia di nuvole a riposo, la gravità è l’unica forza esterna. Una volta che la nuvola inizia a cadere, la resistenza dell’aria forma un’altra forza chiamata resistenza, che è una funzione della velocità.
In meno di un secondo, la particella raggiunge una velocità di caduta tale che la forza di trascinamento equilibra esattamente la forza gravitazionale e la velocità diventa costante. Questa velocità è chiamata velocità terminale. Poiché la forza gravitazionale dipende dal volume della goccia, va come il cubo del raggio di goccia. Al contrario, il trascinamento agisce sulla superficie della goccia, e quindi dipende dall’area di caduta e va come il quadrato del raggio di caduta (volte la velocità). Impostando le forze gravitazionali e di trascinamento uguali ad altre e quindi risolvendo per la velocità terminale, è facile mostrare che la velocità terminale dovrebbe variare linearmente con il raggio di caduta. Le misurazioni portano questa relazione lineare fuori. Ad esempio, la velocità terminale di una goccia di raggio di 50 µm è di circa 0,3 m s–1, mentre la velocità terminale per una goccia 10 volte più grande (raggio di 500 µm) è di circa 4 m s–1, che aumenta di poco più di un fattore di 10.
La crescita di una goccia di nuvola in una caduta di precipitazione per collisione-coalescenza è data dall’equazione:
d m L dt =Area spazzata⋅efficienza di raccolta⋅velocità differenza⋅contenuto in acqua liquida d m L dt = A g ⋅ E c ⋅( v L − v s )⋅LWC d m L dt =π ( r L + r ) 2 ⋅ E c ⋅( v L − v s )⋅LWC Questa equazione non è il rendering correttamente a causa di un browser incompatibile. Vedere Requisiti tecnici nell’Orientamento per un elenco di browser compatibili.
- mL è la massa della grande goccia che sta cadendo,
- Ag è l’area geometrica della sezione trasversale per la quale sono possibili collisioni tra la grande goccia che cade e le molte gocce sottostanti,
- Ec è l’efficienza di coalescenza di collisione (cioè una collezione di efficienza), che è la frazione dell’attuale area della sezione trasversale che viene spazzato via, rispetto a l’area della sezione trasversale che è geometricamente possibile (piccole gocce possono seguire aria semplifica e andare in giro per la grande caduta) (vedere la figura sotto),
- vL è la velocità della goccia grande e vs è la velocità con cui il più piccolo, più lento gocce che cadono sotto,
- e LWC è il contenuto in acqua liquida.
La figura seguente fornisce una buona immagine concettuale della coalescenza di collisione. La goccia del collettore deve cadere più velocemente della goccia raccolta più piccola in modo che i due possano scontrarsi. Mentre l’aria semplifica l’arco intorno alla goccia, portano le gocce più piccole con loro intorno alla goccia e l’area della sezione trasversale effettiva diventa inferiore all’area della sezione trasversale effettiva, che è semplicemente l’area della sezione trasversale di un disco con un raggio che è la somma dei raggi della grande goccia del collettore e delle gocce più piccole raccolte. Man mano che le gocce diventano più grandi, hanno troppa inerzia per seguire le linee di corrente dell’aria, rendendo così più probabile la collisione.
Ec è piccolo per gocce di 10 µm, quindi con un processo casuale, alcune gocce diventano più grandi di altre e iniziano a raccogliere gocce più piccole (vedi figura sotto). La Ce aumenta all’aumentare del raggio della caduta. Quando la più grande goccia di caduta guadagna un raggio di più di 100 µm, la sua efficienza della collisione–coalescenza è molto buona per tutte le più piccole gocce giù alle dimensioni di circa 10-20 µm.
Una volta che una goccia di raccolta ha raggiunto un raggio di poche centinaia di µm, sta cadendo velocemente (vL >> vs) e la sua efficienza di coalescenza di collisione è vicina al 100%. Ora fare i seguenti passi per riscrivere Equazione 5.16: (1) Ec uguale a 1, (2) vL >> vs, (3) vL = costante x rL, (4) mL = 4plnrL3/3, e (5) risolvere per drL/dt. Una volta eseguiti questi passaggi, è possibile mostrare che drL/dt è proporzionale a rL. Cioè, più grande è la goccia più velocemente cresce. Separare le variabili (rL e t) e integrare da rL = 0 a t = 0 a valori arbitrari di rL e t rivela che rL aumenta esponenzialmente con il tempo:
r d ex exp (time) Questa equazione non viene eseguita correttamente a causa di un browser incompatibile. Vedere Requisiti tecnici nell’Orientamento per un elenco di browser compatibili.
Con la costante di proporzionalità tra la velocità terminale e il raggio di caduta impostato su 0.8 x 10-3 s–1 e LWC = 1 g m–3, si può dimostrare che una goccia può crescere da 50 µm a 1000 µm per coalescenza di collisione in soli 25 minuti. Quindi, le gocce di nuvola attivate crescono fino a 10-20 µm dalla lenta crescita della deposizione di vapore (radice quadrata del tempo). Quindi, quando inizia la coalescenza di collisione e produce alcune grosse gocce, possono crescere esponenzialmente con il tempo.
Le gocce più piccole sono tipicamente sferiche. Una volta che queste gocce arrivano a essere al di sopra di un mm di raggio, diventano sempre più distorte, con un fondo appiattito a causa delle forze di trascinamento, e sembrano un po ‘ come la metà superiore di un panino hamburger. Possono essere ulteriormente distorti in modo che il centro della forma del panino venga spinto verso l’alto dalle forze di trascinamento in modo che la goccia assuma una forma simile a una ciotola capovolta.
Alla fine le gocce si rompono, o diventando abbastanza sottili nel mezzo da rompersi in pezzi o scontrandosi con altre gocce così duramente che filamenti o fogli di liquido si staccano per formare altre gocce. Questi processi creano un’intera gamma di dimensioni di gocce. Quindi la pioggia consiste di gocce che hanno un ampio spettro di dimensioni. Il seguente video (2:50) intitolato “Come si formano le gocce di pioggia” inizia con una visione semplificata del ciclo dell’acqua dell’atmosfera, ma poi mostra esempi di caduta di gocce, coalescenza di collisioni e rottura di gocce di nuvole.
Ora questa è una scena familiare. Il calore del sole fa sì che l’acqua di piante, laghi e oceani si trasformi da un liquido a un vapore. In alto nell’atmosfera il vapore acqueo si raffredda e si condensa da un gas in un liquido. L’acqua liquida ricade quindi in superficie sotto forma di pioggia, neve, ghiaccio o grandine. L’acqua scorre fuori in torrenti laghi e oceani o è immagazzinato nel terreno o nel percorso di neve. Questo è il ciclo dell’acqua e descrive la nostra risorsa più vitale si muove attraverso l’intero sistema terrestre, ma come la maggior parte delle cose nel nostro mondo quando guardiamo le piccole parti che compongono l’intero possiamo imparare molto di più sul fenomeno. Prendi la forma di una singola goccia di pioggia. Piccole gocce d’acqua nell’atmosfera sono di forma sferica a causa della tensione superficiale o della pelle delle molecole d’acqua. Man mano che queste goccioline crescono diventano più pesanti e iniziano a cadere nell’aria. Mentre cadono, la goccia di pioggia si scontra con altre gocce e continua a diventare più grande. Queste gocce di pioggia più grandi cadono attraverso l’aria più velocemente la resistenza al vento sul lato inferiore della goccia fa sì che il fondo della goccia si appiattisca causando una goccia che sembra un panino di hamburger. Come la goccia continua a cadere e crescere ad un certo punto diventa troppo grande per la tensione superficiale di tenerlo insieme, così la goccia di pioggia si rompe a parte in più piccole gocce spiracolo. Indagare i processi che non possiamo vedere ad occhio nudo non è una novità. Scienza e tecnologia si spingono a vicenda e spesso portano a intuizioni e scoperte lungo la strada. Con l’invenzione della fotografia ad alta velocità abbiamo finalmente visto gli elementi più basilari del nostro pianeta acquoso in azione. Capire come una piccola goccia di pioggia cade attraverso l’atmosfera fa più che sfatare il mito che una goccia di pioggia cade come una lacrima. In realtà fa la differenza quando si tratta di misurare le precipitazioni in particolare per i radar a terra. I radar di terra guardano i lati delle gocce di pioggia e quindi stimano i sospiri verticali e orizzontali. Una goccia più pesante e piatta consente ai radar di identificare le precipitazioni più pesanti. In effetti i due radar a bordo del satellite GPM possono anche misurare le dimensioni delle gocce dallo spazio e quindi uno sguardo più accurato alle gocce di pioggia ci dà uno sguardo più accurato su come le precipitazioni globali si stanno delineando.
Per riming, cattura nucleazione e aggregazione, ci sono equazioni simili con termini simili a quelli dell’equazione 5.16: un’area spazzata via, un’efficienza di raccolta, la velocità relativa e la concentrazione di massa liquida o solida delle gocce o del ghiaccio più piccoli. Questi sono in genere un po ‘ più complicati se il ghiaccio non è sferico, ma i concetti sono gli stessi. Questi processi di collisione-coalescenza del ghiaccio sono in grado di produrre particelle di ghiaccio abbastanza grandi da cadere, e se queste particelle si scaldano mentre passano attraverso la parte calda della nube, possono trasformarsi in pioggia liquida. Una frazione significativa della pioggia in estate può provenire da processi di coalescenza di collisione di ghiaccio sopra la linea di congelamento nelle nuvole.
